Разработка надёжных высоконагруженных систем

Складчина: Разработка надёжных высоконагруженных систем

Разработка надежных высоконагруженных систем
Ведущий вебинара — Андрей Смирнов
Вебинар в семи частях с практическими заданиями

Серия вебинаров позволит ответить на вопросы:

• какую архитектуру системы мне выбрать, когда стоит изменить существующую архитектуру, какие будут преимущества у такого перехода?
• где лучше хранить данные X, если над ними надо производить операции Y, при этом всё это будет находиться в облаке/железных серверах/памяти/…? как устроено хранилище данных, какие возможны компромиссы?
• какие изменения необходимо будет сделать, когда нагрузка увеличится в десять, сто, … раз?
• как обеспечить надёжность, начиная с клиентского приложения и заканчивая сервером?

Каждый из вебинаров раскрывает независимую тему, в то же время все вебинары связаны общей логикой: первые вебинары в серии посвящены вопросам выбора системы хранения данных, далее рассматриваются вопросы создания бэкенда, общей архитектуры и взаимодействия, разработки клиентских приложений, тестирования и, наконец, вопросы разворачивания, эксплуатации и мониторинга.

В силу того, что курс состоит из большого набор разнообразных тем, некоторые из них будут рассмотрены подробно, для других, в силу их большого объёма, будет дан краткий сравнительный обзор. Самое ценное — это полученный опыт, расширение кругозора, набор «трюков» и просто приёмов.

По окончании большинства вебинаров будет дана ссылка на практическое задание, в рамках которого можно самостоятельно запустить тестовое окружение, выполнить задание и проверить свои результаты.

После каждого вебинара будет предложен небольшой тест, позволяющий закрепить полученные знания.

Предполагаемый уровень подготовки участников: опыт разработки web-приложений, базовые представления о базах данных, сетевом взаимодействии.

Длительность вебинаров: 4 часа

Программа курса

Спойлер: 1. Введение (бесплатный)

О серии вебинаров. Нагрузка, характеристики нагрузки. Запросы, задержка, конкурентность, отказы. Характеристики нагрузки. Экономика высоконагруженной системы. Ресурсы и их ограниченность. Успех проекта как его способность масштабироваться. Надежность. Внедрение изменений.

Как устроены вебинары, обзор всех вебинаров, логика рассмотрения тем. Определение общих терминов - нагрузка и ее характеристики, почему понятие “высокая нагрузка” относительна. Почему так важно масштабирование и когда оно не нужно, вертикальное и горизонтальное масштабирование. Надежность системы, примеры, определение доступности. Цена отказа, способы обеспечение надежности, независимость отказов. Внедрение изменений в масштабах проекта (компании), подготовка, ожидаемый результат, трудные ситуации. Модель веб-проекта, узкие места, сложность масштабирования и обеспечения отказоустойчивости.

В рамках этого вебинара мы ответим на следующие вопросы:

Спойлер: 1. Введение (бесплатный)

• из чего состоит курс вебинаров? почему выбраны именно эти темы?
• что такое нагрузка, как ее измерять, что такое высокая нагрузка?
• как обеспечить надежность (доступность)?

Спойлер: 2. Данные часть 1. От основ хранения до РСУБД

Базовые принципы хранения данных. Хранение на диске и в памяти. ACID. Реляционные БД. Проектирование схемы реальной БД в различных моделях данных. Индексы, денормализация, использование разных типов хранилищ для разных данных. Партиционирование. Репликация. Полнотекстовый поиск.

Спойлер: 2. Данные часть 1. От основ хранения до РСУБД

Хранение данных - ключевой вопрос с точки зрения как масштабирования, так и отказоустойчивости проекта и, чаще всего, самый сложный. Мы начнем рассмотрение темы с вопросов хранения данных на одной машине: как можно хранить данные, как это делать эффективно, можно ли хранить данные в памяти. Чем отличается хранение на SSD и HDD? Самым популярным и все еще самым часто используемым вариантом хранения являются реляционные базы данных. На примере MySQL, PostgreSQL мы рассмотрим все то, что можно “выжать” из одиночного сервера баз данных. Как хранятся данные в РСУБД. Что такое MVCC и что это означает с точки зрения производительности и конкурентного доступа. Как устроены индексы и какие индексы могут быть полезны. Вычисление плана и результатов запросов. Почему классический подход к проектированию базы данных неприменим при высоких нагрузках. Практические трюки с базой данных ради увеличения производительности.

Как должно быть устроено обращение к базе данных, выжимаем максимум из драйвера БД. Мы рассмотрим различные варианты репликации данных и обсудим, что они могут дать с точки зрения производительности и отказоустойчивости. Полнотекстовый поиск - теория и практика, в каких задачах полнотекстовый поиск мог бы пригодиться.

В рамках этого вебинара мы ответим на следующие вопросы:

• хранение на диске: можно ли сделать еще быстрее? какой способ хранения выбрать?
• когда применимо хранение в памяти? какие архитектурные преимущества мы можем получить?
• являются ли сегодня реляционные СУБД возможным решением для хранения данных в высоконагруженном проекте?
• как выжать из базы данных максимум? как обеспечить отказоустойчивость?
• как устроен полнотекстовый поиск, где границы его применимости?

Логическим продолжением этого вебинара будет вебинар “Данные часть 2”

Спойлер: 3. Данные часть 2. Шардинг, key-value и распределенные хранилища

Масштабирование: шардинг в реляционных и key-value хранилищах. Key-value хранилища. CAP-теорема. Распределенные хранилища. Консистентность. Кешированные данных: инвалидация кеша, тегирование кешей.

Данный вебинар является логическим продолжением вебинара “Данные часть 1”. Масштабирование хранилища данных, обеспечение отказоустойчивости - это то, с чем раньше всего придется столкнуться веб-проекту под растущей нагрузкой и требованиями надежности.

Шардинг: просто о сложном, выбор ключа шардирования. Когда внедрять шардинг: заранее или когда “придет время”? Проектирование с учетом шардинга. Как избежать решардинга и как его сделать, если все-таки необходимо. Особенности шардинга в реляционных базах данных. Шардинг и отказоустойчивость. Одиночные key-value хранилища: memcached, Redis, корректная реализация счетчиков, блокировок и тому подобных распределенных структур данных. MongoDB как пример распределенного key-value хранилища. CAP-теорема: что невозможно реализовать и какие классы систем существуют. Multi-master решения и их область применимости. AP-распределенные хранилища на примере Cassandra и Riak. Виды консистентности и их влияние практическую разрабтку программного обеспечения. Как обеспечивается консистентность.

Кеширование как способ уменьшения нагрузки на хранилище данных и уменьшения времени отклика. Как организовать кеширование? Основные проблемы при кешировании и их решения.

В рамках этого вебинара мы ответим на следующие вопросы:

• как осуществлять горизонтальные масштабирование данных? как связана отказоустойчивость и горизонтальное масштабирование?
• как правильно выбрать ключ шардирования и почему этот выбор может оказаться критическим?
• каким образом распределенные системы хранения данных достигают своих характеристик?
• как организовать корректное кеширование данных, как избежать проблем консистентности?

Спойлер: 4. Приложение

Структура серверного и клиентского приложения, анализ узких и проблемных мест. Сетевой ввод-вывод: синхронный, асинхронный. Реактор, обслуживание большого числа соединений (C10K, C100K). Многозадачность: процессы, нити, кооперативная многозадачность, комбинации. Краткий обзор фреймворков и языков программирования: Ruby, Python, Go, Java, C#, Erlang, JavaScript. Безопасность. Типичные уязвимости. Пользователи и пароли. CSRF.

Мы будем обсуждать внутренне устройство одного из ключевых компонентов веб-системы: backendа. Выбор внутренней архитектуры backendа - способа сетевого ввода-вывода, вида многозадачности - определяет его производительность. Мы обсудим то, каким образом это может быть реализовано, какое влияние оказывает на производительность. Рассмотрим комбинированные варианты, а также то, какие виды многозадачности и сетевого ввода-вывода используют популярные базы данных, веб-сервера и т.п. На примере различных языков программирования и фреймворков будут проанализированы различные варианты реализации многозадачности, их влияние на код проекта и его сопровождаемость в дальнейшем.

Вопросы безопасности невозможно обойти стороной - хоть они напрямую не влияют на производительность или надежность системы, их необходимо учитывать при разработке качественного продукта. Мы рассмотрим основные проблемы безопасности и способы их решения.

В рамках этого вебинара мы ответим на следующие вопросы:

Спойлер: 4. Приложение

• как увеличить производительность backendа? чем она ограничена?
• какой язык программирования/фреймворк выбрать?
• какие предпринять шаги для обеспечения безопасноти?

Спойлер: 5. Архитектура веб-систем

Архитектура системы: монолитная, сервис-ориентированная (SOA). Непосредственный вызов (RPC), очереди, персистентные очереди, очереди фоновых задач. Шины, широковещательные каналы. Примеры и разбор реальных архитектур веб-приложений.

Мы посмотрим на архитектуру с высоты “птичьего полета” и рассмотрим вопросы взаимодействия частей системы. Выбор между монолитным и сервис-ориентированным подходом. Переход от монолитной к сервис-ориентированной архитектуре. Проектирование взаимодействия компонентов, выбор протоколов, видов связи. Способы реализации типичных паттернов взаимодействия: удаленный вызов, очередь, publish-subscribe, worker, шина. AMQP-серверы и ZeroMQ. Высокопроизводительные сервисы очередей и простые решения для очереди задач. Надежность доставки сообщений в очереди.

Мы рассмотрим примеры реальных архитектур веб-приложений, оценим их достоинства и недостатки, посмотрим на трансформацию архитектуры при изменении нагрузки. Как избежать “узких мест” еще на этапе проектирования, как заложить потенциал будущего масштабирования. Архитектура системы как отражение организационной структуры команд разработки.

В рамках этого вебинара мы ответим на следующие вопросы:

Спойлер: 5. Архитектура веб-систем

• какую архитектуру проекта лучше выбрать?
• как должна изменяться архитектура по мере роста проекта?
• какой вариант взаимодействия подсистем лучше использовать?
• могут ли очереди решить все проблемы взаимодействия?

Спойлер: 6. Взаимодействие с клиентским приложением. Тестирование

Синхронизация данных, работа в offline, информирование пользователя. Сетевое взаимодействие с сервером. Ошибки API. Клиент как веб-сервис. Алгоритмы повтора запроса. Нагрузочное и системное тестирование. Почему unit-тестирование бесполезно. Непрерывное тестирование, постоянное выкатывание.

Продукт сегодня редко можно представить без взаимодействия клиентского приложения и серверной части. Как эффективно организовать это взаимодействие? Какие ограничения накладывает сеть, проблемы неопределенности, условия повтора запроса. Как должно быть спроектировано API сервиса, чтобы взаимодействие клиент-сервер было более эффективным? Синхронизация данных между клиентом и сервером, проблема конфликтов. Мгновенный отклик в приложении, синхронизация кеша клиента, применение отложенных действий. Информирование пользователя об ошибочных ситуациях.

Как организовать тестирование веб-системы. Идеальное тестирование и попытки к нему приблизиться, автоматизация тестирования. Почему вы можете удалить почти все unit-тесты, и какая от этого будет польза. Системное тестирование, его преимущества. Тестирование в боевом окружении, нагрузочное тестирование, использование нагрузочного тестирования для планирования ресурсов. Постоянное выкатывание как способ минимизации числа отказов.

В рамках этого вебинара мы ответим на следующие вопросы:

Спойлер: 6. Взаимодействие с клиентским приложением. Тестирование

• как выстроить таймауты при взаимодействии клиент - сервер?
• как организовать работу клиента в режиме offline?
• как сделать тестирование эффективным и избавиться от бессмысленных тестов?
• как провести нагрузочное тестирование и делать это регулярно?

Спойлер: 7. Отказоустойчивость, мониторинг и выкатывание

Оценка нагрузки и планирование ресурсов. Резервное копирование, репликация. Master-Slave. Hot-Spare. Несколько дата-центров, схемы Active-Failover, Master-Slave, Active-Active. Обеспечение консистентности. Протоколы голосования. Выбор между “облаком” и железом. Выкатывание проекта, управление конфигурацией. Логирование. Мониторинг.

После того как разработка и тестирование завершено, настало время выложить проект в боевое окружение и поддерживать его работоспособность. Мы начнем с оценки нагрузки и планирования ресурсов на простом примере. Затем мы поговорим об обеспечении отказоустойчивости и надежности - начиная от резервного копирования и заканчивая паттернами дублирования компонентов. Переход к работе проекта из нескольких дата-центров: в активном и активно-пассивном режимах, особенности работы в нескольких дата-центрах и обеспечения консистентности. Конфигурация системы, протоколы голосования, механизмы обнаружения сервисов, выявления сбоев, переключения конфигурации. Автоматическое управление конфигурацией, подходы и решаемые проблемы. Автоматизация выкатывания проекта. Централизованный сбор логов, мониторинг, сбор метрик, хранение, визуалзизация, триггеры.

В рамках этого вебинара мы ответим на следующие вопросы:

Спойлер: 7. Отказоустойчивость, мониторинг и выкатывание

• как оценивать необходимые ресурсы? как оценивать потребность в ресурсах при масштабировании?
• как обеспечить отказоустойчивость?
• как переключить запросы на другие копии ресурса в случае отказа?
• как компоненты системы могут “обнаруживать друг друга”?
• как автоматизировать управление конфигурацией и выкатывание проекта?