Микросервисы
Выбор архитектурного подхода — стратегическое решение, которое определит вектор развития проекта. Наибольшим потенциалом в этой области обладает микросервисная архитектура. Исследование Market.CNews показывает, что уже 35% компаний применяют этот подход. Еще 10% планируют начать использовать его в ближайшем будущем.
Мы в Umbrella IT убедились на практике, что микросервисы часто оказываются отличным выбором для создания высоконагруженных систем. Это подтверждается и растущим количеством запросов от клиентов на миграцию с монолитных архитектур на микросервисы. Динамично развивающимся проектам рано или поздно становится тесно в рамках монолита: при росте числа клиентов и объема данных монолитные системы могут столкнуться с проблемами масштабируемости и поддержки.Разбивка функциональности на автономные микросервисы позволит распределить нагрузку между ними и гарантирует отказоустойчивость системы: если один сервис выходит из строя, другие продолжают работу. Нужно добавить функциональность — IT-команда разрабатывает и внедряет микросервисы, не затрагивая другие части проекта.
Базы данных
Распределенные и реляционные базы данных с механизмами шардинга и репликации используются для хранения и обработки данных в высоконагруженных системах.
- Распределенные базы данных (Apache Cassandra, ClickHouse, Amazon DynamoDB и Google Bigtable) обеспечивают высокую доступность проекта, позволяя масштабировать ее горизонтально путем добавления серверов или узлов.
- Реляционные базы данных могут работать с большими объемами данных благодаря шардированию и репликации. Шардинг распределяет данные по нескольким серверам по ключу — например, по региону, чтобы снизить нагрузку на каждый сервер. Репликация обеспечивает копирование данных на несколько серверов для повышения доступности системы.
Можно и интегрировать два типа баз данных. Например, использовать распределенную базу данных для обработки и хранения больших объемов данных (журналы событий или данные IoT-датчиков) и выполнения сложных аналитических запросов, а реляционную базу данных — для запросов, требующих поддержки транзакций.
Тестирование
На всех этапах создания высоконагруженной системы — от проектирования до выпуска — оценивают скрытые сбои, чтобы выявить потенциальные проблемы в условиях высокой нагрузки.
- Еще на старте разработки продукта тестировщики участвуют в анализе требований и архитектуры, выявляя и в дальнейшем отслеживая проблемные компоненты. Это позволяет как можно раньше узнавать о неучтенных узких местах, таких как объемные запросы без кеширования.
- С помощью нагрузочного тестирования перед запуском проекта в продакшен проверяют, как система справляется с высокими нагрузками. Тестировщики имитируют реальные условия эксплуатации. Например, создают сценарий, где сотни или тысячи клиентов делают заказы во время распродаж.
- Тестирование отказоустойчивости необходимо, чтобы понять, как проект реагирует на непредвиденные сбои. Он должен оставаться доступным даже в нестандартных ситуациях.
- Тестирование надежности необходимо для определения работоспособности системы, испытывающей высокую, но не предельную нагрузку на протяжении длительного времени. В таких условиях проект должен оставаться доступным и не вызывать большого количества ошибок.
Для тестирования производительности и отказоустойчивости могут применять такие инструменты, как Apache JMeter, Gatling, Yandex.Tank. Однако выбор конкретного программного продукта зависит от особенностей системы.
Другие практики
Автоматическое масштабирование
Автоматизированные системы масштабирования, например AWS Auto Scaling, непрерывно отслеживают нагрузку на проект. Когда она возрастает, такие инструменты автоматически добавляют ресурсы для поддержания производительности без простоев или потерь в работе.
Кеширование
Программные продукты для кеширования (Tarantool, CacheCloud, JetCache) применяют в фазе разработки для временного хранения часто запрашиваемых данных, чтобы снизить нагрузку на базы данных, сократить время доступа к ним и повысить отзывчивость высоконагруженной системы.
CDN
Хотя CDN (Content Delivery Network) в первую очередь предназначена для распределения контента и улучшения его доставки до конечных пользователей, она может помочь в управлении нагрузкой на серверы, особенно при работе с медиаконтентом или статическими ресурсами. CDN может обеспечить балансировку нагрузки, кеширование содержимого и снижение задержек в доставке контента пользователям по всему миру.
Асинхронная обработка
Асинхронная обработка может быть использована для эффективного управления нагрузкой и обеспечения масштабируемости системы. В процессе разработки асинхронные модели выполнения и очереди сообщений реализуют с помощью строгих моделей консистентности данных и механизмов синхронизации.
Обеспечение безопасности
На стадии проектирования и разработки высоконагруженных систем стоит сразу определить, какие механизмы обеспечения безопасности будут использоваться.
- В высоконагруженные системы часто включают аутентификацию по токенам, двухфакторную аутентификацию и механизмы единого входа (Single Sign-On), чтобы гарантировать подлинность пользователей перед предоставлением доступа к ресурсам.
- Механизмы авторизации определяют, к каким ресурсам у пользователя есть доступ. Реализуются с помощью систем управления доступом, ролевых моделей и политик доступа.
- Для защиты конфиденциальности и целостности данных применяют криптографические протоколы SSL/TLS для их защиты при передаче по сети, а также шифрование в базах данных и файловых хранилищах.
- Для раннего обнаружения и предотвращения атак используются программы мониторинга, которые анализируют поведение пользователей и систему, чтобы выявлять аномальные активности или события. Такие решения включают алгоритмы машинного обучения и анализа больших данных для выявления угроз безопасности.
Контейнеризация и оркестрация
Контейнеризация и оркестрация — две связанные технологии, которые используются в разработке высоконагруженных систем. Нередко для этого применяют Docker и Kubernetes соответственно.
Контейнеризация — упаковка проекта в отдельные контейнеры, которые могут запускаться в различных средах выполнения. Это значительно упрощает развертывание и повышает скорость доставки новых функций. Оркестрация обеспечивает автоматическое масштабирование и управление контейнерами, что повышает гибкость и отзывчивость системы.
Мониторинг и отладка
Инструменты мониторинга и отладки (Prometheus, Grafana, ELK Stack) отслеживают производительность системы, включая загрузку центральных процессоров (CPU), использование памяти, сетевой трафик и прочие метрики, визуализируют данные и автоматически оповещают о сбоях. За счет этого сотрудники могут гораздо быстрее реагировать на проблемы, устранять их, а бизнес — минимизировать простои.
Облачные вычисления
С помощью платформ облачных вычислений (Ростелеком-ЦОД, Cloud, Selectel) для хранения и обработки данных бизнес может нарастить мощности без дополнительных затрат на оборудование, то есть фактически экономить на инфраструктуре, улучшать производительность проектов и быстрее реагировать на потребности клиентов.
DevOps
Когда речь заходит о высоконагруженных системах, важно эффективно организовать процессы разработки, развертывания и поставки программного обеспечения. Тут на помощь приходят практики DevOps, такие как Continuous Integration (CI) и Continuous Deployment (CD). Они делают процесс создания и внедрения функций максимально быстрым и безопасным.
Сочетание передовых практик и инструментов позволяет разработать сбалансированную, надежную высоконагруженную систему, но ее создание требует постоянного контроля, анализа и улучшений. Только так бизнес получает уверенность в том, что его проект будет успешным на высококонкурентном рынке в долгосрочной перспективе.
