大型网站图片服务器架构的演进

在主流的Web站点中，图片往往是不可或缺的页面元素，尤其在大型网站中，几乎都将面临“海量图片资源”的存储、访问等相关技术问题。在针对图片服务器的架构扩展中，也会历经很多曲折甚至是血泪教训（尤其是早期规划不足，造成后期架构上很难兼容和扩展）。

本文将以一个真实垂直门户网站的发展历程，向大家娓娓道来。

构建在Windows平台之上的网站，往往会被业内众多技术认为很“保守”，甚至会有点。很大部分原因，是由于微软技术体系的封闭和部分技术人员的短视造成的（当然，主要还是人的问题）。由于长期缺乏开源支持，所以很多人只能“闭门造车”，这样很容易形成思维局限性和短板。以图片服务器为例子，如果前期没有容量规划和可扩展的设计，那么随着图片文件的不断增多和访问量的上升，由于在性能、容错/容灾、扩展性等方面的设计不足，后续将会给开发、运维工作带来很多问题，严重时甚至会影响到网站业务正常运作和互联网公司的发展（这绝不是在危言耸听）。

很多公司之所以选择Windows（.NET）平台来构建网站和图片服务器，很大部分由创始团队的技术背景决定的，早期的技术人员可能更熟悉.NET，或者团队的负责人认为Windows/.NET的易用性、“短平快”的开发模式、人才成本等方面都比较符合创业初期的团队，自然就选择了Windows。后期业务发展到一定规模，也很难轻易将整体架构迁移到其它开源平台上了。当然，对于构建大规模互联网，更建议首选开源架构，因为有很多成熟的案例和开源生态的支持（也会有很多坑，就看是你自己最先去踩坑，还是在别人踩了修复之后你再用），避免重复造轮子和支出高额授权费用。对于迁移难度较大的应用，个人比较推荐Linux、Mono、Jexus、Mysql、Memcahed、Redis……混搭的架构，同样能支撑具有高并发访问和大数据量等特点的互联网应用。

单机时代的图片服务器架构（集中式）

初创时期由于时间紧迫，开发人员水平也很有限等原因。所以通常就直接在website文件所在的目录下，建立1个upload子目录，用于保存用户上传的图片文件。如果按业务再细分，可以在upload目录下再建立不同的子目录来区分。例如：upload\QA,upload\Face等。

在数据库表中保存的也是”upload/qa/test.jpg”这类相对路径。

用户的访问方式如下：

http://www.yourdomain.com/upload/qa/test.jpg

程序上传和写入方式：

程序员A通过在web.config中配置物理目录D:\Web\yourdomain\upload  然后通过stream的方式写入文件；

程序员B通过Server.MapPath等方式，根据相对路径获取物理目录  然后也通过stream的方式写入文件。

优点：实现起来最简单，无需任何复杂技术，就能成功将用户上传的文件写入指定目录。保存数据库记录和访问起来倒是也很方便。

缺点：上传方式混乱，严重不利于网站的扩展。

针对上述最原始的架构，主要面临着如下问题：

1. 随着upload目录中文件越来越多，所在分区（例如D盘）如果出现容量不足，则很难扩容。只能停机后更换更大容量的存储设备，再将旧数据导入。
2. 在部署新版本（部署新版本前通过需要备份）和日常备份website文件的时候，需要同时操作upload目录中的文件，如果考虑到访问量上升，后边部署由多台Web服务器组成的负载均衡集群，集群节点之间如果做好文件实时同步将是个难题。

 

集群时代的图片服务器架构（实时同步）

在website站点下面，新建一个名为upload的虚拟目录，由于虚拟目录的灵活性，能在一定程度上取代物理目录，并兼容原有的图片上传和访问方式。用户的访问方式依然是：

http://www.yourdomain.com/upload/qa/test.jpg

优点：配置更加灵活，也能兼容老版本的上传和访问方式。

因为虚拟目录，可以指向本地任意盘符下的任意目录。这样一来，还可以通过接入外置存储，来进行单机的容量扩展。

缺点：部署成由多台Web服务器组成的集群，各个Web服务器（集群节点）之间（虚拟目录下的）需要实时的去同步文件，由于同步效率和实时性的限制，很难保证某一时刻各节点上文件是完全一致的。

基本架构如下图所示：

 

从上图可看出，整个Web服务器架构已经具备“可扩展、高可用”了，主要问题和瓶颈都集中在多台服务器之间的文件同步上。

 

上述架构中只能在这几台Web服务器上互相“增量同步”，这样一来，就不支持文件的“删除、更新”操作的同步了。

早期的想法是，在应用程序层面做控制，当用户请求在web1服务器进行上传写入的同时，也同步去调用其它web服务器上的上传接口，这显然是得不偿失的。所以我们选择使用Rsync类的软件来做定时文件同步的，从而省去了“重复造轮子”的成本，也降低了风险性。

同步操作里面，一般有比较经典的两种模型，即推拉模型：所谓“拉”，就是指轮询地去获取更新，所谓推，就是发生更改后主动的“推”给其它机器。当然，也可以采用加高级的事件通知机制来完成此类动作。

在高并发写入的场景中，同步都会出现效率和实时性问题，而且大量文件同步也是很消耗系统和带宽资源的（跨网段则更明显）。  

集群时代的图片服务器架构改进(共享存储)

 沿用虚拟目录的方式，通过UNC（网络路径）的方式实现共享存储（将upload虚拟目录指向UNC）

用户的访问方式1：

http://www.yourdomain.com/upload/qa/test.jpg

用户的访问方式2（可以配置独立域名）：

http://img.yourdomain.com/upload/qa/test.jpg

支持UNC所在server上配置独立域名指向，并配置轻量级的web服务器，来实现独立图片服务器。

   优点： 通过UNC（网络路径）的方式来进行读写操作，可以避免多服务器之间同步相关的问题。相对来讲很灵活，也支持扩容/扩展。支持配置成独立图片服务器和域名访问，也完整兼容旧版本的访问规则。   

   缺点 ：但是UNC配置有些繁琐，而且会造成一定的（读写和安全）性能损失。可能会出现“单点故障”。如果存储级别没有raid或者更高级的灾备措施，还会造成数据丢失。

基本架构如下图所示：

 

在早期的很多基于Linux开源架构的网站中，如果不想同步图片，可能会利用NFS来实现。事实证明，NFS在高并发读写和海量存储方面，效率上存在一定问题，并非最佳的选择，所以大部分互联网公司都不会使用NFS来实现此类应用。当然，也可以通过Windows自带的DFS来实现，缺点是“配置复杂，效率未知，而且缺乏资料大量的实际案例”。另外，也有一些公司采用FTP或Samba来实现。

 

上面提到的几种架构，在上传/下载操作时，都经过了Web服务器（虽然共享存储的这种架构，也可以配置独立域名和站点来提供图片访问，但上传写入仍然得经过Web服务器上的应用程序来处理），这对Web服务器来讲无疑是造成巨大的压力。所以，更建议使用独立的图片服务器和独立的域名，来提供用户图片的上传和访问。

独立图片服务器/独立域名的好处

1. 图片访问是很消耗服务器资源的（因为会涉及到操作系统的上下文切换和磁盘I/O操作）。分离出来后，Web/App服务器可以更专注发挥动态处理的能力。
2. 独立存储，更方便做扩容、容灾和数据迁移。
3. 浏览器（相同域名下的）并发策略限制，性能损失。
4. 访问图片时，请求信息中总带cookie信息，也会造成性能损失。
5. 方便做图片访问请求的负载均衡，方便应用各种缓存策略（HTTP Header、Proxy Cache等），也更加方便迁移到CDN。

......

 

我们可以使用Lighttpd或者Nginx等轻量级的web服务器来架构独立图片服务器。

当前的图片服务器架构（分布式文件系统+CDN）

在构建当前的图片服务器架构之前，可以先彻底撇开web服务器，直接配置单独的图片服务器/域名。但面临如下的问题：

1. 旧图片数据怎么办？能否继续兼容旧图片路径访问规则？
2. 独立的图片服务器上需要提供单独的上传写入的接口（服务API对外发布），安全问题如何保证？
3. 同理，假如有多台独立图片服务器，是使用可扩展的共享存储方案，还是采用实时同步机制？

 

直到应用级别的（非系统级） DFS（例如FastDFS HDFS MogileFs MooseFS、TFS）的流行，简化了这个问题：执行冗余备份、支持自动同步、支持线性扩展、支持主流语言的客户端api上传/下载/删除等操作，部分支持文件索引，部分支持提供Web的方式来访问。

考虑到各DFS的特点，客户端API语言支持情况(需要支持C#)，文档和案例，以及社区的支持度，我们最终选择了FastDFS来部署。

唯一的问题是：可能会不兼容旧版本的访问规则。如果将旧图片一次性导入FastDFS，但由于旧图片访问路径分布存储在不同业务数据库的各个表中，整体更新起来也十分困难，所以必须得兼容旧版本的访问规则。架构升级往往比做全新架构更有难度，就是因为还要兼容之前版本的问题。（给飞机在空中换引擎可比造架飞机难得多）

解决方案如下：

首先，关闭旧版本上传入口（避免继续使用导致数据不一致）。将旧图片数据通过rsync工具一次性迁移到独立的图片服务器上（即下图中描述的Old Image Server）。在最前端(七层代理，如Haproxy、Nginx)用ACL（访问规则控制），将旧图片对应URL规则的请求（正则）匹配到，然后将请求直接转发指定的web 服务器列表，在该列表中的服务器上配置好提供图片（以Web方式）访问的站点，并加入缓存策略。这样实现旧图片服务器的分离和缓存,兼容了旧图片的访问规则并提升旧图片访问效率，也避免了实时同步所带来的问题。

 

整体架构如图：

 

基于FastDFS的独立图片服务器集群架构，虽然已经非常的成熟，但是由于国内“南北互联”和IDC带宽成本等问题（图片是非常消耗流量的），我们最终还是选择了商用的CDN技术，实现起来也非常容易，原理其实也很简单，我这里只做个简单的介绍：

将img域名cname到CDN厂商指定的域名上，用户请求访问图片时，则由CDN厂商提供智能DNS解析，将最近的（当然也可能有其它更复杂的策略，例如负载情况、健康状态等）服务节点地址返回给用户，用户请求到达指定的服务器节点上，该节点上提供了类似Squid/Vanish的代理缓存服务，如果是第一次请求该路径，则会从源站获取图片资源返回客户端浏览器，如果缓存中存在，则直接从缓存中获取并返回给客户端浏览器，完成请求/响应过程。

由于采用了商用CDN服务，所以我们并没有考虑用Squid/Vanish来自行构建前置代理缓存。

上面的整个集群架构，可以很方便的做横向扩展，能满足一般垂直领域中大型网站的图片服务需求（当然，像taobao这样超大规模的可能另当别论）。经测试，提供图片访问的单台Nginx服务器（至强E5四核CPU、16G内存、SSD），对小静态页面（压缩后大概只有10kb左右的）可以扛住几千个并发且毫无压力。当然，由于图片本身体积比纯文本的静态页面大很多，提供图片访问的服务器的抗并发能力，往往会受限于磁盘的I/O处理能力和IDC提供的带宽。Nginx的抗并发能力还是非常强的，而且对资源占用很低，尤其是处理静态资源，似乎都不需要有过多担心了。可以根据实际访问量的需求，通过调整Nginx的参数，对Linux内核做调优，加入分级缓存策略等手段能够做更大程度的优化，也可以通过增加服务器或者升级服务器配置来做扩展，最直接的是通过购买更高级的存储设备和更大的带宽，以满足更大访问量的需求。

值得一提的是，在“云计算”流行的当下，也推荐高速发展期间的网站，使用“云存储”这样的方案，既能帮你解决各类存储、扩展、备灾的问题，又能做好CDN加速。最重要的是，价格也不贵。

总结，有关图片服务器架构扩展，大致围绕这些问题展开：

1. 容量规划和扩展问题。
2. 数据的同步、冗余和容灾。
3. 硬件设备的成本和可靠性（是普通机械硬盘，还是SSD，或者更高端的存储设备和方案）。
4. 文件系统的选择。根据文件特性（例如文件大小、读写比例等）选择是用ext3/4或者NFS/GFS/TFS这些开源的（分布式）文件系统。
5. 图片的加速访问。采用商用CDN或者自建的代理缓存、web静态缓存架构。
6. 旧图片路径和访问规则的兼容性，应用程序层面的可扩展，上传和访问的性能和安全性等。