基于MongoDB的高并发高可用政府云平台架构实践

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3月12日下午在阿里巴巴西溪园区，举行了MongoDB杭州用户交流会。微软MSDN特邀讲师徐雷分享《基于MongoDB的政府云平台高并发高可用HA架构实践 》，从自身实践出发，讲述了政府云平台分层、技术栈选型、物理架构、API架构及DB数据库架构的设计思路和方法。

以下内容根据现场分享和演讲PPT整理而成。

学习MongoDB的重要性

目前，几乎所有国内外的互联网大公司都在用MongoDB，学习企业需要的技术很重要。

MongoDB优点

相比较关系型数据库而言，MongDB有两个明显的优点：灵活的数据模型和便于横向扩展。

灵活的数据模型：作为一位网站开发者，最痛苦的就是需求变更，MongDB可以接受字段的不断修改，非常灵活。

便于横向扩展： 如果有海量数据存储，这时可以做Sharding，非常容易，这个是MongDB本身已经支持的。传统的关系型数据库在这一块比较难实现，因为它会由很多固有的设计缺陷导致。但传统关系型数据库的分片思想和MongDB分片思想其实很像，从算法的角度来说，没有太大区别，比如基于范围进行分片，这两个是通用的。

高并发与高可用架构关键点

程序员一般追求高并发，对于高并发这个关键词容易产生兴奋点。作为架构师设计一个架构，如果要支持某个级别的并发，一定要注意：不是用Redis就是高并发，不是用MongDB就是高并发。高并发高可用架构关键点包含：多线程、分布式通信RPC、集群、负载均衡、网络与硬件、监控与诊断等。比如Java有多线程、高并发的问题，如果涉及到分布式通信RPC 、分布式架构的话，一定会有一些RPC的技术，会有线程通信、进程间的通信出现，这些在不同框架中都有对应的实现。架构师在设计架构时，需要深入研究。

集群：是不是一定要用集群？不一定。一般小规模公司才用3-5台服务器，大规模公司用128G、256G、甚至2T的服务器内存，连数据和索引都进服务器。MongDB在数据量非常大的时候，比如你有16G内存，发现它很慢，有一个很重要的问题，稍微研究下底层的算法，会发现MongDB在使用索引结构进行数据查询的时候，它需要对索引进行遍历，如果能整体进内存最好，如果不能整体进内存，它就部分加载，这样的话就更慢，因为涉及到一个磁盘内存问题。

负载均衡：假设用了集群，比如有10台web服务器，需要做负载均衡，可以用业内比较成熟的实现方案，比如阿里云、微软云、亚马逊云，直接配置就可以用。如果要构建私有云，或者数据中心的话，需要想一些负载均衡的方案。比如业内比较流行的，软负载均衡，反向代理负载均衡。

网络和硬件：这也是高并发的前提。比如10w并发，平均一个消息多大，估算一下网络流量，不要说不管带宽是5M，还是10M，就要10w并发，这需要看硬件的服务器配置，所有的高并发一定是个完整的体系，不是说在某个点上，写段代码就高并发了。所以现在看到的高并发系统，一定是经过无数次的迭代。

监控与维护：这是运维最头疼的。因为运维每天晚上需要远程登录看机器正常不正常，影响正常休息，所以现在也提出了自动化运维概念。

政府云平台背景

政府也需要进行转变，他们希望把整个政府平台信息化，构建统一高效的政府云平台。比如税务的信息化、公务人员考核的效率化等。

基于前面说到的，设计的架构一定要微观上+宏观上高并发，不能说了搭了几层就是高并发架构，首先要看写的代码，如果在后台就产生了大量问题，大量bug，怎么能够高并发，从前端到后台是一条链，任何一个节点出问题，都会影响整个系统架构。

政府云平台分层架构图

从上图显示，这个架构系统不是只有关系型数据库，或者NoSQL数据库。因为这个场景是比较特殊的。对于政府官员考核的指标比较多，每个指标量化单位不一样，考核数据模型是会变化的，会导致数据的不确定性。这个时候比较适合用NoSQL，如果用传统关系型数据库的话，开发就需要天天改数据层的表。

参考上图，我们做的技术并不仅仅是一种技术，需要考虑传统PC端，也要考虑移动端的问题。这里作为服务治理层，或者服务层，这里服务治理层不仅是服务层，因为希望对服务做一个统一的规划和安排。另外希望后期加一些自动化运维和监控的知识，包括现在比较新的微服务的概念，这是设计的思路。

协议的话，也没有固定只用http这一个，也没有只用soap协议。可能大家会说因为你对 SOA 架构比较熟，但其实今天所有的系统架构，这个叫SOA的概念已经存在。不是说用哪个框架，就一定能解决问题，不推荐这种方式。如果涉及到移动端，可能会用到MQTT协议，如果是页面应用的话，可能会用到最新的web socket。

业务逻辑层上，分层不是越多越好，而是根据需要分层，分完层之后是否方便后期扩展。比如业务逻辑层，Java和.NET里面都有分层的思想，这个部分把业务逻辑独立出来，不影响其它层。需要注意一下，这里用到Redis，前面讲过高并发的系统应用，Redis我们推荐。如果公司有能力开发一套缓存系统可以开发，比如阿里巴巴的RocketMQ消息队列，如果开发不了，就用开源成熟的产品。Redis目前是最流行的开源的免费缓存，它属于NoSQL的范畴，这两个结合和MongDB不冲突。MongDB能够解决10000个并发，一般公司够用。如果遇到峰值的时候，可以用兔子消息队列，让其帮助从中加一层，来缓解数据库压力。缓存技术除了加速以外，还可以充当请求缓存池，用于处理一些不太着急的请求。

再说一个问题，这里不论是Java和.NET，连接数据库的技术都是差不多的，都有连接池，都有多线程，而且垃圾回收的机制也差不多。同样如果想对传统型关系数据库或者NoSQL数据库做研究的话，可以看下NoSQL并发有很重要的问题，传统关系型数据库是不强调事务的，但是传统的NoSQL数据库，从诞生之初开始，高并发是它很重要的一个特点。目前NoSQL也开始支持事务，但是部分事务，不完整。关于MongDB有很多坑，因为它有几个存储引擎，这个有点像MySQL，MySQL也有几个开源的存储引擎，每个存储引擎都不一样，要用这个数据库的话，需要注意使用版本、存储引擎，需要在官方文档上确认一下。

政府云平台技术栈选型

Java底层和.NET底层原理是相通的，数据结构的算法基本上一样。但为什么有些是Java做的，有些是.NET做的，这里面我们会用到。反向代理考虑到尽量是免费的，节省成本。涉及到一些日志框架，建议用最成熟的框架，这里没有平台或者语言系统的偏见。用Docker方便运维。

政府云平台SOA架构设计

现在有手机定位，自动驾驶，政府也在考虑这些问题。比如政府希望看到各省县长的履历，进行优先提拔；比如要防控房地产的问题，房价波动厉害，需要了解房地产的交易资金，房地产大数据等，任何一个指标政府都希望能看到。SOA叫做面向服务的架构，是基于服务来集成现成的系统，这个架构没有过时。

政府云平台新SOA架构：ESB+微服务

这些架构如果开始做的话，两个系统直接服务集成，后面更复杂的问题来了，像阿里巴巴自己做了一个服务框架叫Dubbo，它里面有服务治理的事项，也有微服务的特点。作为一名技术人员，一定要注意它的试用场景，如果没有这些框架，能不能做个类似的功能？

这里面涉及到一个问题，如果后期系统特别多，最好有一个中间件平台的概念出来。这样在服务治理的过程中，可以更好的规划系统架构，而不是所有系统之间随便连接。随便连接的后果是，后期所有系统接口都是乱的，系统越多，乱的越厉害。比如早期是webservice，有可能后期改成TTP，或者改成HTTP等等一些新型的协议。

另外，这还涉及到高并发高可用的问题。网站选一个高并发的框架，在网站上要求1w个并发，一台服务器支持1w/秒的并发，接下来你想要10w的，一定要想办法进行横向扩展，当然如果企业特别有钱，可以把服务器换成1T的内存。还有一个高可用指标，比如每秒是1w个并发，更新一下直接挂掉，这是不行的。

省级单位政府云平台物理架构

物理架构和逻辑架构不同，逻辑架构可以分10层、100层都可以，但不是分层越多越好。分层越多，解耦越厉害，越影响性能。很多人不管设计什么架构，先分个三层，不管需不需要，直接把接口用webservice包容。这里一定要根据需要做判断。

MongDB做集群，做高可用。首先，保证物理安全，服务器不要坏掉；然后，MongDB可以支持数据直接加密，金融数据不安全的话，数据永久加密。MongDB3.4版本之后加了金融的数据类型。

MongDB可以做可复制性集群，这里可以一对多，但是有个问题，它可以实现自动化过程转移，如果说数据访问层开发的比较好的话，使用了较新的驱动，无论是Java还是C sharp ,它可以自动化来切换。在这个集群中，它自动会找一台新的节点出现，来替代主节点。这是相对于传统数据库MongDB做的好的地方。作为运维只要把web关系层配好，就不用担心哪台服务器在服务，直接可以自动化切换，图片服务器和缓存服务器，也不是所有的数据都进缓存，有部分数据为了缓解压力，把用户资料的数据可以放到缓存里，这样可以从缓存里拉所有数据。

负载均衡的话，用硬件软件都可以，负载均衡如果只用一台服务器，风险较高。CDN从单数据中心扩展到多数据中心也可以，一般公司还用不到多个数据中心。

政府云平台服务治理API架构设计

所有系统上线之后，不是简单的开发和发布，后期系统需要跟其它平台进行对接，会有一个服务组件的中间件平台，可以用开源的，也可以用商用的，比如Oracle、SAP、微软、阿里巴巴的中间件平台。中间集成可能会有不同的协议，这里面会涉及到很多问题，Redis后面可能会换成消息队列，比如一个5年考核指标，一个月内的数据量比较大，这个时候数据库肯定要持久化，有些内容放到MongDB，有些会放到传统的关系型数据库里面，需要提前做一些预测。再注意一个问题：这里的数据web层和访问层，全部都是集群。Redis也是支持集群。

系统上线之后，要看哪些系统出现异常了，什么样的异常是需要马上解决的，这里面涉及到服务监控的问题，需要配合专门的运维工程师制定一些规则。

另外，缓存在UI层就有了，API这层也可以有缓存，不是所有的东西放到Redis里面才叫缓存，Redis属于分布式缓存，有些数据可以放到数据持久层，比如关系型数据库，MongDB也有，服务器只要配置够高，数据直接进数据持久层缓存或者数据访问层缓存也可以。如果单独加一层缓存也可以。像中间件平台也有独立的缓存，API层也有。从架构角度来说，要想下缓存放在哪层比较合适，相应的硬件配置要跟的上。当然，越接近客户端的缓存，效率越高，因为它的物理位置更接近客户端请求。如果放在最下面，说白了中间要经过很多层才能到数据这一块。

省级单位政府云平台DB数据库架构

政府系统，首先物理上保持隔离，再保证安全。要注意的是，峰值出现的时候，需要加一层缓存或者消息队列。

政府系统的数据量规模是有限的。小规模系统可以用可复制集群，保证数据库节点的自动化灾备转化就可以了，这样的好处是：首先，读写分离把压力分担了；另外，如果出问题，可以自动化灾备、自动化切换，避免手动修复，或者宕机带来的一些问题。

缓存数据服务器最好用两台。比如支付宝，新浪微博做的比较成功，大量数据放在缓存里。缓存也有读写分离。一些互联网公司的测试数据显示，Redis的并发能达到每秒11w，所以它很适合做数据持久层的这一套缓存机制，无论是传统关系型数据库，还是MongDB，用普通的SSHD，每秒只有1w写入量的话，可以把数据先写入Redis，这个并发高，基本上10w的并发，能够满足绝大多数互联网公司的需求，如果还不行，可以写入的数据量少一点，再做读写分离。

政府云平台架构设计考量

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