《系统架构设计》课件

系统架构设计从概念到实践什么是系统架构定义构成要素重要性系统架构是指系统的基本结构和组织方式，系统架构通常包括以下要素组件（模包括组件、组件之间的关系以及指导系统块）、连接器（接口）、配置（部署）、设计和演化的原则它就像建筑的蓝图，约束（限制）以及理由（设计决策）这决定了系统的整体形态和功能些要素共同构成了系统的骨架为什么系统架构如此重要降低复杂性1系统架构可以将复杂的系统分解为更小的、更易于管理的模块，从而降低开发和维护的难度模块化设计使得团队可以并行开发，提高效率提高可维护性2良好的架构设计可以提高系统的可维护性，使得修改和升级更加容易清晰的模块划分和接口定义可以减少代码的耦合度，降低维护成本增强可扩展性3系统架构应该支持系统的可扩展性，使得系统可以适应不断增长的用户和数据通过水平扩展和垂直扩展，可以满足不同的业务需求提升可靠性系统架构的发展历程早期阶段单体架构1所有功能模块都集中在一个应用程序中，部署简单，但扩展性和维护性较差中期阶段分层架构2将系统划分为不同的层次，如表示层、业务逻辑层和数据访问层，提高了代码的组织性和可维护性现代阶段微服务架构3将应用程序拆分为一组小型、自治的服务，每个服务都可以独立部署和扩展，提高了灵活性和可扩展性未来趋势云原生架构4基于容器、微服务和DevOps等技术，充分利用云计算的优势，实现快速迭代和弹性伸缩架构设计的关键目标可扩展性可靠性性能安全性系统能够适应不断增长的用户和系统能够在预定的时间内正常运系统能够快速响应用户的请求，系统能够保护数据免受未经授权数据量，而无需进行重大修改行，并能够从故障中快速恢复并能够高效地处理数据的访问和恶意攻击系统架构的核心原则单一职责原则开放封闭原则每个模块或服务应该只负责一个明确的功能，避免职责重叠模块或服务应该对扩展开放，对修改封闭，即可以通过添加新功能来扩展，而无需修改现有代码依赖倒置原则接口隔离原则高层模块不应该依赖低层模块，两者都应该依赖抽象抽象不应客户端不应该被迫依赖它不需要的接口一个类对另一个类的依该依赖细节，细节应该依赖抽象赖应该建立在最小的接口上常见的架构模式简介分层架构微内核架构事件驱动架构面向服务架构SOA将系统划分为不同的层次，如将系统的核心功能放在微内核通过事件的发布和订阅来实现将应用程序的功能作为服务暴表示层、业务逻辑层和数据访中，其他功能作为插件或服务模块之间的通信，降低耦合度露出来，通过服务之间的组合问层添加到系统中来实现业务流程单体架构优势与局限优势局限开发简单，部署方便，易于测试，适合小型项目所有模块都在同扩展性差，维护困难，代码耦合度高，技术栈单一，风险集中任一个进程中运行，性能较高何一个模块的故障都可能导致整个系统崩溃微服务架构的兴起服务自治独立部署124弹性伸缩技术多样性3微服务架构将应用程序拆分为一组小型、自治的服务，每个服务都可以独立部署和扩展它解决了单体架构的许多问题，如扩展性差、维护困难和技术栈单一等然而，微服务架构也带来了新的挑战，如服务治理、分布式事务和监控等分布式系统架构解析特点挑战多个节点协同工作，共同完成任务节点之间通过网络进行通信，需要解决分布式事务、数据一致性、容错处理和监控等问题复杂具有高可用性、高扩展性和高性能等特点度较高，开发和运维成本较高云原生架构概述自动化1弹性2可观测性3微服务4容器化5云原生架构是基于容器、微服务、等技术，充分利用云计算的优势，实现快速迭代和弹性伸缩它是一种面向云环境的架构设计方DevOps法，旨在提高应用程序的可靠性、可扩展性和可维护性架构设计的基本要素需求分析1深入了解业务需求和用户需求，确定系统的功能和非功能性需求技术选型2选择合适的技术栈和工具，如编程语言、数据库、框架和中间件等模块划分3将系统划分为不同的模块，并定义模块之间的接口和依赖关系部署架构4确定系统的部署方式，如单机部署、集群部署或云部署可扩展性设计策略水平扩展1增加服务器的数量，分摊负载垂直扩展2提升单台服务器的配置缓存3使用缓存来减少数据库的访问压力可扩展性是指系统能够适应不断增长的用户和数据量，而无需进行重大修改常见的可扩展性设计策略包括水平扩展、垂直扩展和缓存等水平扩展通过增加服务器的数量来分摊负载，垂直扩展通过提升单台服务器的配置来提高性能，缓存通过减少数据库的访问压力来提高响应速度高可用性架构冗余备份故障转移监控告警对关键组件进行冗余备份，当主组件发生当一个组件发生故障时，系统能够自动将对系统的各个组件进行监控，当发生异常故障时，可以自动切换到备用组件流量转移到其他健康的组件时，能够及时发出告警性能优化的架构思考数据库优化缓存优化网络优化优化数据库的查询语句、使用缓存来减少数据库减少网络传输的延迟和索引和连接池等的访问压力带宽占用代码优化优化代码的算法和数据结构系统安全架构设计身份认证验证用户的身份，确保只有授权的用户才能访问系统权限控制控制用户对系统资源的访问权限，确保用户只能访问其被授权的资源数据加密对敏感数据进行加密，防止数据泄露安全审计记录用户的操作行为，以便进行安全审计和追踪架构的模块化设计提高代码的可重用性降低代码的耦合度提高代码的可维护性方便团队协作开发模块化设计是指将系统划分为独立的模块，每个模块负责一个明确的功能模块化设计可以提高代码的可重用性、降低代码的耦合度、提高代码的可维护性，并方便团队协作开发前后端分离架构前端后端负责用户界面的展示和用户交互，可以使用、和负责业务逻辑的处理和数据的存储，可以使用、和HTML CSSJava Python等技术等技术JavaScript Node.js前后端分离架构将前端和后端分离开发，通过进行通信它可以提高开发效率、降低耦合度，并支持多种前端和后端技术栈前端工程API师和后端工程师可以并行开发，互不影响领域驱动设计DDD领域模型通用语言124战略设计限界上下文3领域驱动设计是一种软件开发方法，它强调以领域模型为中心，通过通用语言和限界上下文来指导软件的设计和开发可以帮助DDD DDD我们更好地理解业务需求，并构建更加灵活和可维护的软件系统战略设计是的重要组成部分，它关注如何将领域模型映射到软件架DDD构中微服务拆分原则单一职责原则1每个微服务应该只负责一个明确的业务功能业务内聚性2将相关的业务功能放在同一个微服务中独立性3每个微服务都可以独立部署和扩展，互不影响自治性4每个微服务都有自己的数据和状态，可以独立做出决策服务注册与发现服务注册服务发现将服务的信息（如IP地址、端口号和版本号）注册到注册中心从注册中心获取服务的信息，并根据负载均衡策略选择合适的服务实例服务注册与发现是微服务架构中的关键组件，它可以帮助服务之间相互发现和通信常见的服务注册与发现工具有、和Eureka Consul等服务注册中心负责维护服务的信息，服务消费者通过服务发现来获取服务的信息ZooKeeper负载均衡技术轮询加权轮询IP Hash将请求依次分发到不同根据服务器的权重来分根据客户端的IP地址来的服务器发请求分发请求最少连接数将请求分发到连接数最少的服务器缓存架构设计本地缓存分布式缓存将数据缓存在应用程序的本地内存将数据缓存在独立的缓存服务器中，中，访问速度快，但容量有限容量大，但访问速度相对较慢缓存CDN将静态资源缓存在节点上，加速用户的访问速度CDN数据库架构演进单机数据库1主从复制2读写分离3分库分表4数据库NoSQL5数据库架构随着业务的发展而不断演进从最初的单机数据库，到主从复制、读写分离、分库分表，再到NoSQL数据库，每一步都解决了不同的问题主从复制可以提高数据库的可用性，读写分离可以提高数据库的并发性能，分库分表可以解决单表数据量过大的问题，NoSQL数据库可以应对非结构化数据的存储需求消息队列在架构中的应用异步处理流量削峰解耦将耗时的操作放入消息队列中异步处理，使用消息队列来缓冲突发流量，防止系统消息队列可以解耦不同的系统或服务，降提高系统的响应速度崩溃低耦合度服务治理监控1告警2限流3熔断4降级5服务治理是指对微服务进行管理和控制，以保证系统的稳定性和可用性常见的服务治理手段包括监控、告警、限流、熔断和降级等监控可以帮助我们了解系统的运行状态，告警可以在发生异常时及时通知我们，限流可以防止系统被过多的请求压垮，熔断可以在服务发生故障时快速隔离，降级可以在系统负载过高时牺牲部分功能熔断与降级熔断降级当服务A调用服务B失败的次数超过一定阈值时，熔断器会打开，当系统负载过高时，可以牺牲部分非核心功能，保证核心功能的正阻止服务A继续调用服务B，避免雪崩效应常运行分布式事务12PC2TCC两阶段提交协议，需要协调者Try-Confirm-Cancel，需要每个和参与者共同完成事务服务都实现Try、Confirm和接口Cancel3Saga将一个大的事务拆分为多个小的本地事务，通过事件的发布和订阅来保证最终一致性架构的监控与运维日志收集收集系统的日志信息指标监控监控系统的各项指标，如使用率、内存使用率和磁盘等CPU I/O告警通知当系统发生异常时，及时发出告警通知故障排查快速定位和解决系统故障容器化技术与架构容器的优势Docker一种流行的容器化技术，可以将应用程序及其依赖项打包到一个容轻量级、可移植、隔离性好、易于管理器中架构解析KubernetesIngress12Service3Pod4Node5Cluster是一个容器编排平台，可以自动化部署、扩展和管理容器化的应用程序它的核心组件包括、、、和Kubernetes ClusterNode PodService等可以帮助我们更好地管理容器化的应用程序，提高系统的可用性和可扩展性Ingress Kubernetes无服务器架构Serverless特点适用场景无需管理服务器，按需付费，自动伸缩，事件驱动适合处理事件驱动型的任务，如数据处理、API网关和物联网等边缘计算架构低延迟节省带宽保护隐私高可靠性大数据架构设计数据采集从不同的数据源采集数据数据存储将数据存储到、或云存储等存储系统中HDFS HBase数据处理使用、或等计算框架来处理数据MapReduce SparkFlink数据分析对数据进行分析和挖掘，提取有价值的信息实时计算架构特点适用场景实时处理数据，并实时生成结果适合处理实时数据流，如金融交易、用户行为分析和物联网等架构设计的约束条件预算1架构设计需要在预算范围内进行时间2架构设计需要在规定的时间内完成技术3架构设计需要考虑现有的技术栈和技术能力人员4架构设计需要考虑团队的人员配置和人员能力技术选型策略了解业务需求评估技术方案进行技术验证选择最佳方案技术选型是架构设计的重要环节，需要综合考虑业务需求、技术方案和团队能力等因素首先需要深入了解业务需求，然后评估不同的技术方案，并进行技术验证，最后选择最佳方案技术选型需要谨慎，因为一旦选定，后续的修改成本会很高架构演进的平衡点避免过度设计保持灵活性不要过度设计，只解决当前的问题，不要预测未来的需求保持架构的灵活性，以便适应未来的变化非功能性需求的架构考量性能系统的响应速度和吞吐量可用性系统的可靠性和持续运行能力安全性系统的数据安全和访问控制可扩展性系统适应不断增长的用户和数据量的能力系统解耦与集成解耦集成降低模块之间的依赖关系，提高系统的灵活性和可维护性将不同的系统或服务连接起来，实现数据共享和业务协同架构的技术债管理识别技术债评估优先级偿还技术债架构师的职责与修炼技术视野1掌握最新的技术趋势和技术方案业务理解2深入理解业务需求和业务流程沟通能力3能够清晰地表达自己的观点，并与团队成员进行有效的沟通决策能力4能够做出合理的架构决策，并承担相应的责任跨团队协作沟通协作建立良好的沟通机制，确保团队成员之间能够及时有效地沟通使用协作工具，如Jira、Confluence和Slack等，提高团队的协作效率架构决策的方法论收集信息分析方案做出决策评估结果架构决策需要谨慎，需要收集足够的信息，分析不同的方案，并评估结果常用的架构决策方法包括ATAM、CBAM和ADD等ATAM是一种架构评估方法，可以帮助我们评估架构的质量属性CBAM是一种成本效益分析方法，可以帮助我们评估不同架构方案的成本和效益ADD是一种架构设计方法，可以帮助我们逐步构建架构架构评审与治理定义标准1执行评审2跟踪问题3改进架构4架构评审是指对架构设计进行评估，以确保其符合业务需求和技术标准架构治理是指对架构的执行情况进行监督和控制，以确保其符合架构设计的意图架构评审和治理是保证架构质量的重要手段，可以帮助我们发现架构设计中的问题，并及时进行改进系统架构的常见反模式大泥球意大利面条式代码系统结构混乱，没有清晰的模块划分代码逻辑复杂，难以理解和维护重复造轮子过度设计重复实现已经存在的解决方案为了应对未来的需求而过度设计系统架构的持续演进拥抱变化架构需要适应业务的变化持续改进架构需要不断地改进小步快跑每次只进行小规模的修改微服务治理服务注册与发现负载均衡监控与告警服务之间需要能够相互发现和通信将请求分发到不同的服务实例，避免单点对服务的运行状态进行监控，并在发生异故障常时及时发出告警架构安全最佳实践身份认证权限控制数据加密安全审计与架构DevOps自动化协作自动化构建、测试和部署流程促进开发、测试和运维团队之间的协作架构设计的常见陷阱过度复杂缺乏远见12架构设计过于复杂，难以理解架构设计缺乏远见，无法适应和维护未来的变化忽视非功能性需求3架构设计忽视了性能、可用性和安全性等非功能性需求时代的系统架构AI数据驱动模型训练AI系统依赖于大量的数据，需要设计高效的数据存储和处理架构需要支持大规模的模型训练和部署架构的未来发展趋势云原生更加充分地利用云计算的优势无服务器更加关注业务逻辑的实现，而无需管理服务器驱动AI利用技术来优化架构设计和运维AI企业架构管理定义标准评审架构定义企业级的架构标准和规范评审各个系统的架构设计，确保其符合企业级的标准跟踪执行跟踪架构标准的执行情况，并进行改进案例分析成功的架构设计Netflix Amazon采用微服务架构，实现了高可用性和高扩展性采用分布式系统架构，支撑了庞大的电商业务架构设计的工具与实践UML Arc42C4Model系统架构的度量与评估性能指标可用性指标响应时间、吞吐量、并发用户数等平均故障间隔时间（MTBF）、平均修复时间（MTTR）等总结与展望本次课件主要介绍了系统架构设计的基本概念、核心原则、常见模式和最佳实践希望通过本次学习，您能够对系统架构设计有更深入的理解，并能够在实际工作中应用所学知识未来，随着技术的不断发展，系统架构设计也将面临新的挑战和机遇我们需要不断学习和探索，才能构建更加优秀的系统架构架构设计的核心价值降低成本1减少开发和运维成本提高效率2加快开发和交付速度增强竞争力3提供更好的产品和服务架构设计的核心价值在于降低成本、提高效率和增强竞争力良好的架构设计可以减少开发和运维成本，加快开发和交付速度，并提供更好的产品和服务，从而增强企业的竞争力架构设计是软件开发过程中至关重要的环节，需要认真对待环节QA感谢大家的参与！现在是提问环节，欢迎大家提出关于系统架构设计的问题，我会尽力解答。