【云原生】软件架构的演进以及各个架构的优缺点

1. 什么是软件架构?

软件架构是指在设计和构建软件系统时，对系统的组织结构、组件、模块、接口以及它们之间的关系和行为进行规划和定义的过程。它描述了软件系统的整体结构和组成部分之间的关系，以及系统的行为和功能。

软件架构的演进大致可以分为:

1. 单机架构
2. 应用数据分离架构
3. 应用服务集群架构
4. 读写分离架构
5. 冷热分离架构
6. 垂直分库架构
7. 微服务架构
8. 容器编排架构

下面为大家一一进行介绍

2. 单机架构

单机架构是一种简单的技术架构，通常指在一个单独的服务器上运行整个应用程序。在单机架构中，所有的组件和功能都运行在同一个物理或虚拟机上。

出现的原因:在互联网的早期,访问量比较小,单机架构足以满足需求

单机架构的优点:

1. 部署简单
2. 成本低

在单机架构中，所有的组件都运行在同一个服务器上，相互之间可以通过本地调用或直接访问来进行通信。这种架构简单、易于部署和管理，适用于小型应用或者不需要高可用性和扩展性的场景。

单机架构的缺点：

1. 单点故障：由于所有的组件都运行在同一个服务器上，一旦服务器发生故障，整个应用程序将无法访问。
2. 扩展性有限：单机架构通常只能通过升级硬件来提高性能，无法通过横向扩展来应对高负载。
3. 难以维护和升级：由于所有的组件都集中在一个服务器上，维护和升级可能会影响整个应用程序的正常运行。
4. 数据库与应用相互竞争资源

3. 应用数据分离架构

应用数据分离架构是一种将应用程序和数据存储分离的架构设计。在这种架构中，应用程序和数据存储可以运行在不同的服务器或者不同的环境中，通过网络进行通信。

出现原因: 单机架构存在严重的资源竞争,导致站点变慢

应用数据分离架构的优点包括：

1. 可伸缩性：通过将应用程序和数据存储分离，可以独立地扩展应用程序和数据存储的能力，以满足不断增长的需求。
2. 可维护性：独立的应用程序和数据存储使得系统的维护和升级更加容易，可以分别进行配置、优化和升级。
3. 安全性：通过合理的安全和身份验证机制，可以保护数据的安全性和隐私性。
4. 异构性：应用程序和数据存储可以选择不同的技术和平台，以满足不同的需求和约束条件。

缺点:

1. 硬件成本变高
2. 性能有瓶颈,无法应对海量并发

4. 应用服务集群架构

应用服务集群架构是一种将多个应用服务器组成集群的架构方式，旨在提高应用的可靠性、可扩展性和性能。

出现原因: 单个应用不足以支持海量的并发请求,高并发时战点响应变慢

应用服务集群架构的核心概念包括负载均衡、会话共享和故障转移。

• 负载均衡：通过将用户请求分发到不同的应用服务器上，实现请求的均衡分配，避免单个服务器负载过重，提高整体性能。

• 会话共享：为了保证用户在不同的应用服务器间的会话一致性，需要将会话信息存储在共享的存储中，例如数据库或缓存中。这样，当用户请求被转发到不同的应用服务器上时，可以保持用户会话的连续性。

• 故障转移：当某个应用服务器发生故障时，集群中的其他健康服务器可以接管该服务器的工作，确保应用的可用性。这可以通过使用心跳检测、监控和自动故障转移机制来实现。

负载均衡中间件: Nginx,LVS,F5等

优点:

1. 高可用
2. 高性能
3. 具有一定的拓展能力

缺点:

1. 性能瓶颈,数据库只有一个,架不住海量的并发
2. 硬件成本变高
3. 运维工作增多

5. 读写分离架构

读写分离架构是一种将数据库的读操作和写操作分离的架构设计，提高了数据库的性能和可扩展性。

读写分离架构的核心思想是将读操作分发到多个只负责读的从数据库（也称为从库），而写操作则由主数据库（也称为主库）处理。主库负责写入数据并同步到从库，而从库则负责处理读操作。这样可以将读操作的负载均衡到多个从库上，提高读操作的并发性能。

出现原因: 数据库称为性能瓶颈,互联玩一般读多写少,数据库承载压力大,主要是由这些读的请求造成的,因此要把读操作和写操作分离开

使用mycat,tddl等中间件将读和写的请求分离开.使对应的读和写的请求分配给对应的主库/从库

优点:

1. 数据库的读取性能提高
2. 读操作被其它服务器分担,写的性能间接提升
3. 数据库有了从库,数据库的可用性提高(例如:一个服务器挂了,还有其它服务器)

缺点:

1. 热点数据的频繁读取导致数据库负载很高
2. 当同步挂掉,或者同步延迟比较大时,写库和读库的数据不一致
3. 服务器成本进一步提升

6. 冷热分离架构

冷热分离架构是一种通过引入缓存,将冷数据和热数据分离存储和处理的架构设计，提高了系统的性能和存储效率。

出现的原因: 海量的请求导致数据库负载过高,站点响应再度变慢

在传统的数据库架构中，所有的数据都存储在同一个数据库中，无论数据的访问频率如何。而在冷热分离架构中，根据数据的访问频率将数据分为冷数据和热数据。

冷数据指的是访问频率较低的数据，往往是历史数据或不经常被查询的数据。这些数据可以被迁移到低成本、低性能的存储介质，如磁盘或云存储中。

热数据 指的是访问频率较高的数据，往往是经常被查询和更新的数据。这些数据可以被保留在高性能的存储介质，如内存或快速存储设备中。

缓存常用中间件: Redis

优点:

1. 大幅降低对数据库的访问请求,性能提升非常明显
2. 将冷数据存储在低成本的存储介质中，可以节省存储资源和成本。
3. 将热数据存储在高性能的存储介质中，可以提高数据的读写速度和响应时间，从而提高系统的性能。

缺点:

1. 带来了缓存一致性,缓存击穿,缓存失败,缓存雪崩等问题
2. 服务器成本需要进一步增加
3. 数据库单库太大,单个表体量太大,数据库再次成为性能瓶颈

7.垂直分库架构

垂直分库架构是一种将数据库按照功能或业务模块进行划分的架构设计

在传统的单一数据库架构中，所有的数据都存储在同一个数据库中，无论是哪个业务模块的数据。而在垂直分库架构中，将不同的业务模块的数据存储在独立的数据库中，实现逻辑上的分离。例如一个购物应用的数据库就可以分为: 用户库,商品库,交易库

优点:

1. 数据库的吞吐量大幅提升,不再是瓶颈
2. 通过将不同业务模块的数据分散到多个数据库中，可以实现水平扩展，每个数据库可以独立扩展和调整，提高系统的可扩展性。
3. 将数据分散到多个数据库中，可以简化数据库的管理和维护工作。

缺点:

1. 跨库join,分布式事务等问题需要方案去解决,目前的mmp都有对应的解决方案
2. 数据库和缓存结合目前能够抗住海量的请求,但是应用代码整体耦合在一起,修改一行代码需要重新发布

8. 微服务架构

微服务架构是一种软件架构风格，将一个大型应用程序拆分为一组小型、独立的服务，每个服务都专注于执行特定的业务功能。这些服务可以独立开发、部署和扩展，通过轻量级的通信机制进行相互协作，共同构建一个完整的应用系统。

出现原因: 之前的架构有扩展差,持续开发困难,不可靠,不灵活和代码维护困难等弊端

优点:

1. 灵活性高: 服务独立测试,部署,升级和发布
2. 独立性高: 每个服务可以自行进行扩展
3. 提高容错性: 一个服务问题并不会让整个系统瘫痪
4. 新技术的应用容易: 支持多种变成语言

缺点:

1. 运维复杂度高: 业务不断发展,应用和服务不断升级,应用和服务的部署变得复杂,同一台服务器上部署多个服务还要解决运行环境冲突问题
2. 资环使用多: 这些独立运行的微服务都需要占用内存和CPU
3. 处理故障困难: 一个请求跨多个服务调用,需要查看不同的服务的日志完成问题定位

9. 容器编排架构

容器编排架构是一种用于管理和编排容器化应用程序的架构设计。

容器编排架构提供了一种自动化的方式来部署、扩展和管理容器化应用程序，以实现高度可伸缩、弹性和可靠的部署。

在容器编排架构中可以借助容器化技术(如docker)将应用/服务打包为镜像,通过容器编排工具(如k8s)来动态发布和部署镜像,服务以容器化的方式进行

出现的原因:

1. 微服务拆分细, 服务多部署工作量大,而且配置复杂,容易出错
2. 微服务数量多,扩缩容麻烦,而且容易出错,每次缩容后再扩容又需要重新配置服务对应的环境参数信息
3. 微服务之间运行环境可能冲突,需要更多的资源来进行部署或者通过修改配置来解决冲突

优点:

1. 部署,运维简单快速: 一条命令就可以完成几百个服务的部署或者扩缩容
2. 隔离性好: 容器与容器之间文件系统,网络等相互隔离,不会产生环境冲突
3. 轻松,支持滚动更新: 版本间切换都可以通过一个命令完成升级或者回滚

缺点:

1. 技术栈变多,对研发团队要求高
2. 网络和存储挑战：在容器编排架构中，容器之间需要进行网络通信，并且需要访问共享的存储资源。处理容器之间的网络和存储挑战可能需要额外的配置和管理工作。

10. 小结

软件架构的演进首先解决的是应用和数据库之间的问题,通过将应用和数据库部署到不同的服务器上. 然后再通过负载均衡,处理应用的高并发问题.其次就是对数据库进行优化,通过读写分离,使用缓存,分库分表,分布式数据库来优化数据库. 最后就是在运维方面进行优化.

软件架构是软件开发的重要阶段，在软件生命周期中起到指导和决策的作用。一个好的软件架构可以提供良好的扩展性、可维护性和可重用性，从而降低开发和维护成本，并满足系统的需求和用户的期望。