第15章：高可用架构¶

15.1 高可用概述¶

什么是高可用¶

高可用是指系统在规定时间内能够持续提供服务的能力，通常用可用性百分比来衡量。

可用性指标¶

可用性	年度停机时间
99%	3.65天
99.9%	8.76小时
99.99%	52.56分钟
99.999%	5.26分钟

高可用的目标¶

消除单点故障：没有单点故障
快速故障恢复：快速从故障中恢复
数据不丢失：保证数据完整性
服务持续可用：持续提供服务

15.2 容灾备份¶

15.2.1 数据备份¶

全量备份¶

Bash

# MySQL全量备份
mysqldump -u root -p --all-databases > full_backup.sql

# 恢复全量备份
mysql -u root -p < full_backup.sql

增量备份¶

Bash

# MySQL增量备份
mysqldump -u root -p --single-transaction --flush-logs --master-data=2 > incremental_backup.sql

定时备份¶

Python

import schedule
import subprocess
import time

def backup_database():
    # 执行备份（使用 stdout 重定向写入文件）
    # 通过环境变量传递密码，避免命令行泄露凭据（ps aux 可见）
    import os
    env = os.environ.copy()
    env['MYSQL_PWD'] = os.environ['DB_PASSWORD']
    backup_file = f'backup_{time.strftime("%Y%m%d_%H%M%S")}.sql'
    with open(backup_file, 'w') as f:  # with自动管理资源，确保文件正确关闭
        subprocess.run(
            ['mysqldump', '-u', 'root', '--all-databases'],
            stdout=f,
            env=env,
            check=True
        )
    print(f"Backup completed: {backup_file}")

# 每天凌晨2点执行备份
schedule.every().day.at("02:00").do(backup_database)

while True:
    schedule.run_pending()
    time.sleep(60)

15.2.2 异地容灾¶

主备架构¶

Text Only

主数据中心
├── 主数据库
├── 主应用
└── 主存储

备数据中心
├── 备数据库
├── 备应用
└── 备存储

双活架构¶

Text Only

数据中心A
├── 数据库A
├── 应用A
└── 存储A

数据中心B
├── 数据库B
├── 应用B
└── 存储B

15.3 故障转移¶

15.3.1 数据库故障转移¶

MySQL主从切换¶

Bash

# 检查主库状态
mysql -u root -p -e "SHOW MASTER STATUS;"

# 提升从库为主库
mysql -u root -p -e "STOP SLAVE; RESET SLAVE;"

# 更新应用配置
# 修改数据库连接到新的主库

PostgreSQL故障转移¶

Bash

# 使用Patroni进行故障转移
patronictl failover

# 查看集群状态
patronictl list

15.3.2 应用故障转移¶

健康检查¶

Python

from fastapi import FastAPI, HTTPException

app = FastAPI()

@app.get("/health")
def health_check():
    # 检查数据库连接
    try:
        db.execute("SELECT 1")
    except Exception as e:
        raise HTTPException(status_code=503, detail="Database connection failed")

    # 检查Redis连接
    try:
        r.ping()
    except Exception as e:
        raise HTTPException(status_code=503, detail="Redis connection failed")

    return {"status": "healthy"}

自动故障转移¶

Python

import requests
import time

def check_service_health(url):
    try:
        response = requests.get(f"{url}/health", timeout=5)
        return response.status_code == 200
    except Exception as e:
        return False

def failover(primary_url, backup_url):
    # 检查主服务健康状态
    if not check_service_health(primary_url):
        print("Primary service is down, failing over to backup")
        # 切换到备份服务
        return backup_url
    else:
        return primary_url

# 定期检查
while True:
    current_url = failover(primary_url, backup_url)
    time.sleep(10)

15.4 负载均衡高可用¶

15.4.1 HAProxy¶

Bash

# HAProxy配置
frontend http-in
    bind *:80
    default_backend servers

backend servers
    balance roundrobin
    server server1 192.168.1.1:8000 check
    server server2 192.168.1.2:8000 check
    server server3 192.168.1.3:8000 check backup

15.4.2 Nginx高可用¶

Bash

# Nginx配置
upstream backend {
    server 192.168.1.1:8000;
    server 192.168.1.2:8000;
    server 192.168.1.3:8000 backup;
}

server {
    listen 80;

    location / {
        proxy_pass http://backend;
        proxy_next_upstream error timeout invalid_header http_500 http_502 http_503 http_504;
    }
}

15.4.3 Keepalived¶

Bash

# Keepalived配置
vrrp_script check_nginx {
    script "killall -0 nginx"
    interval 2
    weight 2
}

vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER
    interface eth0
    virtual_router_id 51
    priority 100
    advert_int 1

    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1234
    }

    virtual_ipaddress {
        192.168.1.100
    }

    track_script {
        check_nginx
    }
}

15.5 限流降级¶

15.5.1 限流¶

Python

from slowapi import Limiter
from slowapi.util import get_remote_address

limiter = Limiter(key_func=get_remote_address)

@app.get("/api/data")
@limiter.limit("100/minute")
async def get_data(request: Request):  # async def定义异步函数；用await调用
    return {"data": []}

15.5.2 降级¶

Python

from circuitbreaker import circuit

@circuit(failure_threshold=5, recovery_timeout=30)
def call_external_service():
    # 调用外部服务
    response = requests.get("http://external-service/api")
    return response.json()

# 使用降级
try:
    data = call_external_service()
except Exception as e:
    # 降级逻辑
    data = get_fallback_data()

15.6 熔断器¶

Python

from circuitbreaker import circuit

@circuit(failure_threshold=5, recovery_timeout=30)
def call_external_service():
    # 调用外部服务
    response = requests.get("http://external-service/api")
    return response.json()

# 使用熔断器
try:  # try/except捕获异常
    data = call_external_service()
except Exception as e:
    # 熔断器打开，使用降级数据
    data = get_fallback_data()

15.7 实战练习¶

练习1：设计一个高可用数据库架构¶

设计一个高可用数据库架构： 1. 主从复制 2. 故障转移 3. 自动切换 4. 数据备份

练习2：设计一个高可用应用架构¶

设计一个高可用应用架构： 1. 多实例部署 2. 负载均衡 3. 健康检查 4. 故障转移

练习3：设计一个高可用系统¶

设计一个高可用系统： 1. 多数据中心 2. 容灾备份 3. 故障恢复 4. 演练测试

15.8 面试准备¶

常见面试题¶

什么是高可用？如何衡量？
如何设计一个高可用架构？
什么是故障转移？如何实现？
什么是容灾？有哪些方案？
什么是熔断器？如何使用？

项目经验准备¶

准备一个高可用项目： - 架构设计 - 遇到的挑战 - 解决方案 - 项目成果

15.9 总结¶

本章介绍了高可用架构，包括容灾备份、故障转移、负载均衡高可用、限流降级和熔断器。高可用是保证系统稳定运行的关键。

关键要点¶

高可用需要消除单点故障
容灾备份包括全量备份、增量备份、异地容灾
故障转移需要健康检查和自动切换
负载均衡高可用使用HAProxy、Nginx、Keepalived
限流降级和熔断器保护系统

全书总结¶

本书系统性地介绍了后端架构设计，从基础概念到高级技术，涵盖了分布式系统、数据库、缓存、消息队列、微服务、服务治理、API网关、搜索、大数据、存储、监控、安全、性能优化和高可用等核心内容。

通过学习本书，你应该能够： 1. 理解后端架构的核心概念 2. 设计高可用、高性能、可扩展的后端系统 3. 掌握主流的后端技术 4. 具备解决复杂问题的能力

祝你成为一名优秀的后端架构师！ 🚀