【转载】Stack Overflow: The Architecture

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这篇文章主要揭秘Stack Overflow截止到2016年的技术架构。

首先给出一个直观的数据，让大家有个初步的印象。相比于2013年11月，Stack Overflow在2016年02月统计数据有较大变化，下面给出2016年02月09号一天的数据，如下：

HTTP请求数209,420,973 (+61,336,090)
网页加载次数 66,294,789 (+30,199,477)
HTTP流量发送有1,240,266,346,053 (+406,273,363,426)字节 (1.24 TB)
接收数据总量569,449,470,023 (+282,874,825,991) 字节(569 GB)
发送数据总量3,084,303,599,266 (+1,958,311,041,954) 字节 (3.08 TB)
SQL查询数(HTTP请求)504,816,843 (+170,244,740)
Redis命中数5,831,683,114 (+5,418,818,063)
Elastic 查询次数17,158,874 (未计入2013年的数据)
标签引擎请求次数3,661,134 (+57,716)
SQL查询耗时607,073,066 (+48,848,481) 毫秒 (168小时)
Redis命中耗时10,396,073 (-88,950,843) 毫秒 (2.8 小时)

你很难想象到.NET技术架构能够在每天6100万请求的情况下减少757小时的处理时间(相比于2013年)。这些改善既得益于 2015年早期的硬件设备升级，也跟软件的性能优化有极大的关系。

那么最近两年在硬件上有什么变化呢？以下为截止到目前为止的硬件列表：

4台数据库服务器（微软SQL Server），其中两台更新硬件配置
11台Web服务器（IIS），都已更新硬件配置
2台分布式缓存和消息处理服务器（Redis），都已更新硬件配置
3台应用服务器（实现了tag引擎功能），其中两台为新硬件配置
3台搜索服务器（ElasticSearch），配置同2013年
4台负载均衡服务器（HAProxy），其中新增加的两台用于支持CloudFlare的CDN加速服务
2台网络交换机（每个都是Cisco Nexus 5596 + Fabric Extenders，并升级网卡10Gbps)2台Fortinet 800C（替代2台Cisco 5525-X ASA防火墙）
2台Ciso ASR-1001路由器（替代2台Cisco 3945路由器)
2台Ciso ASR-1001-x路由器

为了支撑Stack Overflow运行，那需要做点什么呢？其实跟2013年相比并没有什么显著变化，只是做了前面提到的硬件升级和程序的性能优化。

现有系统一般都不会完全隔离开来，Stack Overflow也不列外。一图胜千言，下面给出Stack Overflow的整体架构效果图。本篇文章仅给出硬件整理的逻辑架构的亮点，具体的硬件细节部分将在下一篇文章详细介绍。

图1是机架A（在2015年2月升级的）的实物图片展示。

图1现在来给出主要系统的逻辑架构图，如图2。

图2

基本规则

首先给出全局的通用规则：

万事需要备份
所有服务器和网络交换机要至少2 x 10Gbps带宽
所有服务器配备两个电源（带有UPS电源备用）
所有服务器在机架A和B上互为冗余
所有服务器和服务都有异地双活（纽约机房和科罗拉多州机房）

网络服务

首先，用户去Stack Overflow网站浏览就要通过Internet。为了让用户浏览网站的速度更快Stack Overflow采用CloudFlare的CDN加速。这里使用CloudFlare服务是因为它们的CDN服务器遍布全球。紧接着，用户的HTTP流量通过四大ISP提供商（Level 3，Zayo，Cogent和Lighttower），经过四台路由器。Stack Overflow通过标准的边界网关协议（BGP）来均衡所有的流量以便用户更有效率的打开网站。Stack Overflow的工程师Nick Craver建议在两个异地数据中心采用一个10 Gbps MPLS，这样在出现突发情况下可以快速的恢复和复制数据。

负载均衡（HAProxy）

负载均衡使用的HAProxy 1.5.15和CentOS 7，并在HAProxy加入安全传输层协议（TLS/SSL）。后续会升级HAProxy到1.6版本来支持HTTP/2。

负载均衡器配备2对10Gbps网络。Stack Overflow通过加内存来有效的解决安全套接层（SSL）问题。缓存安全传输层协议(TLS)会话到内存加以重复使用，这样可以减少对于同一台客户端连接的重复计算，到达提升会话的速度和成本。况且RAM相当便宜，实现了双赢的效果。

负载均衡器的设置是相当的简单。它们监听各路IPs，并进行路由分发。Stack Overflow还做了负载均衡限流和监控HAProxy的日志做到及时报警。

Web层架构（IIS 8.5，ASP.Net MVC 5.2.3，和.Net 4.6.1）

Stack Overflow经过负载均衡层导入流量到9台Web服务器（“primary”服务器），另外两台做网站元数据等环境管理。除 meta.stackoverflow.com和meta.stackexchange.com外，Stack Overflow、Careers和Stack Exchange网站业务都在“primary”服务器运行。

在监控平台Opserver上可以看到，Stack Overflow在Web层的分布，见图3

图3更直观的看下对应的web服务器的图形展示，见图4

图4

服务层（IIS，ASP.Net MVC 5.2.3， Net 4.6.1和HTTP.SYS）

在整体逻辑架构图上可以清晰的看到，紧挨着Web层的是服务层（部署在Window服务器Windows 2012R2上）。其有两个重要的功能：tag应用服务器（基于http.sys）和API（基于IIS）。为了提升这两个服务做了非常多的冗余，但不超过9倍的冗余。举个列子，从数据库加载所有的网页和对应的tags变化（每n分钟（当前设置为2分钟））是非常耗时的。这里只需要加载三次即可保证安全。 Stack Overflow也同时在硬件层做了相关的优化。Tag应用服务是一个比较复杂的topic，这里简单说下，当你访问/questions/tagged /java就使用tag应用服务。还有所有/search和导航也都是用的这些数据服务。

缓存&发布/订阅（Redis）

Stack Overflow在缓存层用Redis，Redis服务器256GB内存，采用master/slave结构部署，尽管每个月16000万的ops，每个实例的CPU使用率也在2%之下。

图5

Redis所在服务器有L1/L2高速缓存，Web服务的HTTP缓存设置在一级缓存L1中，Redis缓存在二级缓存L2。当用户访问在一级缓存L1中未命中后会去二级缓存中的Redis取值，这些值以Protobuf格式存储，并以protobuf-dot-net 解析。Redis客户使用的 StackExchange.Redis （Stack Overflow内部实现并开源了）。如果web服务在L1和L2两级缓存都未命中，则会直接去原始数据源获取（比如，数据库查询，API回调等），然后并把获取到的结果缓存到本地和Redis中，这时其它服务未命中L1高速缓存便会去二级缓存L2/Redis中获取，节省了调用数据库查询或者API回调的访问时间。

大部分运行的问答网站都有自己的L1/L2高速缓存，通过L1缓存Key前缀、L2/Redis缓存数据库ID。

尽管Redis主要是用来缓存，但也起到一个消费和订阅的功能，Redis可以推送一个消息，然后其他订阅者来订阅消息（包括下游的Redis从库在订阅消息）。

Websockets (NetGain)

Websockets实时的推送消息（比如，顶栏的通知，投票，新的答案和评论）给用户。

Sockets服务器运行在web层， NetGain 是Stack Overflow实现的一个轻量级高性能实时的开源消息中间件。高峰期可达到50万并发的websocket连接。

下图展示的是一周websocket并发情况：

图6

Search (Elasticsearch)

Stack Overflow的工程师Nick Craver表示搜索层并没有激动人心的部分。在web层采用Elasticsearch 1.4，并内部实现了高性能的StackExchange.Elastic客户端，此部分代码未开源。Stack Overflow使用Elastic来查询相关的问答。

每个数据中心都有一个Elasticsearch集群，包含三个节点，每个都建有自己的索引。三个Elasticsearch集群全部使用SSD存储，192GB内存和双10Gbps网卡。

Stack Overflow使用Elasticsearch代替先前的SQL全排索引，主要因素是：Elasticsearch的扩展性和低成本。

数据库（SQL Server）

SQL Server是Stack Overflow唯一的源数据库，所有Elastic和Redis的数据都来自SQL Server。使用微软的SQL Server监控组件AlwaysOn Availability Groups部署了两个SQL Server集群。每个集群有一个主库，一个数据备份在纽约，另一个数据备份在Colorrado数据中心。所有备份是异步复制。

第一个集群硬件配置：Dell R720xd服务器，384G内存，4TB SSD存储，双12核CPU；第二个集群硬件配置：Dell R730xd服务器，768G内存，4TB SSD存储，双8核CPU。

所有数据库过去24小时CPU监控图如图7所示，大部分情况CPU使用率较低，偶尔做下缓存任务时会高些。图中NY-SQL02和04是主库，01和03是备份库。

图7

纵观全文，Stack Overflow整体架构并没有采用那些非常高端的技术，却造就了一个IT界最受欢迎的问答网站之，这是非常不错的。其中每项使用到的技术都进行了深入的研究并开源分享给社区，国内的公司可以从中获得一些启发。