摘  要： 根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的特色，從可靠性、可擴(kuò)展性和安全性的角度著手，提出了一套面向電子商務(wù)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)秒殺系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)分析了秒殺系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套相應(yīng)的業(yè)務(wù)體系，并給出了主要業(yè)務(wù)流程的具體實(shí)現(xiàn)方法?；谠摻鉀Q方案的秒殺系統(tǒng)可以達(dá)到高并發(fā)、高可靠、易擴(kuò)展以及高安全性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞： 秒殺；電子商務(wù)；高并發(fā)

0 引言

　　CNNIC第33次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告[1]顯示，我國(guó)網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物用戶規(guī)模已達(dá)3.02億人。隨著網(wǎng)購(gòu)人群的不斷增長(zhǎng)，閃購(gòu)、搶拍、整點(diǎn)購(gòu)等新興的秒殺類促銷形式正逐步受到熱捧。然而目前學(xué)術(shù)界專門論述如何建設(shè)電商領(lǐng)域的秒殺類應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)較少，因此本文針對(duì)此領(lǐng)域進(jìn)行了一定研究。

　　在電子商務(wù)領(lǐng)域，秒殺特指網(wǎng)絡(luò)賣家在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)布一些價(jià)格超低于平時(shí)市場(chǎng)價(jià)格的商品，所有買家在同一時(shí)間在網(wǎng)上進(jìn)行搶購(gòu)的銷售方式。由于網(wǎng)絡(luò)買家對(duì)于超低價(jià)商品的好奇心、好勝心，使得商品往往一上架就被搶購(gòu)一空，有時(shí)只用一秒鐘，因此被形象地稱為“秒殺”[2]。正是買家的這種博彩心理決定了秒殺應(yīng)用的最大特點(diǎn)就是瞬時(shí)性的超高并發(fā)，往往秒殺開始的最初幾秒至幾十秒內(nèi)，網(wǎng)站的訪問量就迅速達(dá)到峰值，從而引起服務(wù)器響應(yīng)延遲、服務(wù)異常甚至服務(wù)器癱瘓等諸多問題。

　　在這種高并發(fā)的情況下，如何使網(wǎng)站能夠持續(xù)穩(wěn)定地服務(wù)是需要重點(diǎn)研究和解決的課題。本文提出的解決方案主要包含兩方面內(nèi)容：一方面在架構(gòu)層面上在考慮服務(wù)器成本的情況下通過負(fù)載均衡和CDN技術(shù)構(gòu)建一套具有較高魯棒性的系統(tǒng)架構(gòu)；另一方面在業(yè)務(wù)層面上針對(duì)秒殺應(yīng)用的特點(diǎn)，配合緩存技術(shù)[3]設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定可行的業(yè)務(wù)處理流程。

1 秒殺系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1 架構(gòu)分析

　　秒殺系統(tǒng)的特點(diǎn)包含兩個(gè)要素：一是高并發(fā)，因此系統(tǒng)架構(gòu)上應(yīng)充分考慮整體系統(tǒng)的高可靠性[4]；二是瞬時(shí)，即高并發(fā)的情況并非時(shí)刻存在，應(yīng)從系統(tǒng)整體效費(fèi)比考慮，使得系統(tǒng)具有一定伸縮性。

　　1.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　基于以上設(shè)計(jì)理念，本文將整個(gè)系統(tǒng)劃分為內(nèi)容展示層、應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)訪問層3個(gè)層次，如圖1所示。從硬件設(shè)備角度，系統(tǒng)主要由WWW服務(wù)器集群、Web應(yīng)用服務(wù)器集群、文件服務(wù)器集群、緩存服務(wù)器集群、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集群以及相關(guān)的負(fù)載均衡等設(shè)備組成。

　　1.2.1 內(nèi)容展示層設(shè)計(jì)

　　內(nèi)容展示層是與終端用戶直接交互的前端系統(tǒng)。考慮到秒殺系統(tǒng)中出售的商品信息多數(shù)內(nèi)容還是以靜態(tài)的網(wǎng)頁文字和圖片格式進(jìn)行呈現(xiàn)的，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可用性，可以在用戶和服務(wù)器之間構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)緩存層，比較常用的做法就是用CDN，即內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。其目的是使用戶可就近取得所需內(nèi)容，解決Internet網(wǎng)絡(luò)擁擠的狀況，提高用戶訪問網(wǎng)站的響應(yīng)速度。

　　1.2.2 應(yīng)用服務(wù)層設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用服務(wù)層是整合系統(tǒng)的核心層，其作用是連接前端用戶的服務(wù)請(qǐng)求和后臺(tái)系統(tǒng)的服務(wù)響應(yīng)，所有的業(yè)務(wù)處理都在本層中實(shí)現(xiàn)。為了保障系統(tǒng)的高并發(fā)性和可靠性，應(yīng)當(dāng)將服務(wù)器按集群模式[5]進(jìn)行部署，這樣做既可以避免因?yàn)閱吸c(diǎn)故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓，同時(shí)也可以保證對(duì)所有服務(wù)器硬件設(shè)備的集中管理和統(tǒng)一配置。WWW服務(wù)器集群主要用于接收和響應(yīng)用戶的訪問請(qǐng)求。應(yīng)用服務(wù)器集群則是對(duì)從WWW服務(wù)器集群中轉(zhuǎn)發(fā)的各類業(yè)務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行及時(shí)的處理。通過負(fù)載均衡系統(tǒng)將各個(gè)業(yè)務(wù)集群進(jìn)行串聯(lián)，將大量的并發(fā)訪問數(shù)據(jù)分配到多臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備上分別進(jìn)行處理，構(gòu)成完整的系統(tǒng)體系。通常采用專門的硬件設(shè)備（如F5、A10等）實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。負(fù)載均衡策略應(yīng)采取動(dòng)態(tài)的自適應(yīng)負(fù)載均衡策略[6]，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用的實(shí)際訪問量情況調(diào)整服務(wù)器節(jié)點(diǎn)數(shù)量，在保證客戶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下盡可能減少資源浪費(fèi)，降低系統(tǒng)費(fèi)用。

　　對(duì)于一個(gè)擁有大量用戶真實(shí)數(shù)據(jù)的電子商務(wù)系統(tǒng)[7]，必須充分考慮到系統(tǒng)的安全性[8]。為了保證系統(tǒng)不被非法用戶入侵或惡意攻擊，防火墻作為整個(gè)系統(tǒng)的橋頭堡必須被部署在整個(gè)系統(tǒng)的入口處，設(shè)備應(yīng)當(dāng)盡量選取性能優(yōu)秀、穩(wěn)定可靠的硬件產(chǎn)品。除此之外，還應(yīng)部署專門的安全服務(wù)器以進(jìn)行系統(tǒng)的漏洞掃描、入侵檢測(cè)分析和安全審計(jì)工作，輔助防火墻保證系統(tǒng)的安全。

　　1.2.3 數(shù)據(jù)訪問層設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)訪問層的任務(wù)是為應(yīng)用服務(wù)層提供所需的數(shù)據(jù)支持。為了降低對(duì)于數(shù)據(jù)庫I/O操作的壓力，必須在應(yīng)用服務(wù)與數(shù)據(jù)庫之間建立一個(gè)數(shù)據(jù)緩存層[9]。圖片、視頻等靜態(tài)信息都從專門的文件服務(wù)器集群上獲??；對(duì)于秒殺系統(tǒng)相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，應(yīng)在產(chǎn)品售賣之前將相關(guān)信息采用內(nèi)存緩存的方式存放在緩存服務(wù)器集群[10]中；而數(shù)據(jù)庫本身也應(yīng)以集群模式構(gòu)建，以MySQL為例，可采用主從結(jié)構(gòu)，并在程序?qū)訉?shí)現(xiàn)讀寫分離，然后通過負(fù)載均衡進(jìn)行分布式調(diào)用。

2 秒殺系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　2.1 秒殺系統(tǒng)業(yè)務(wù)分析

　　秒殺系統(tǒng)與典型的高并發(fā)Web系統(tǒng)的最大區(qū)別就在于并發(fā)訪問的發(fā)生場(chǎng)景。一般支持高并發(fā)的在線購(gòu)物平臺(tái)（如淘寶、京東、一號(hào)店等）每時(shí)每刻都會(huì)存在大量的并發(fā)訪問，是一種常態(tài)化的高并發(fā)；而秒殺系統(tǒng)本身通常都不是作為一個(gè)獨(dú)立平臺(tái)而往往是以這些電商平臺(tái)中的一個(gè)子系統(tǒng)的形式出現(xiàn)，同時(shí)秒殺產(chǎn)品的發(fā)售也有極強(qiáng)的時(shí)間限制，因此導(dǎo)致了秒殺系統(tǒng)的并發(fā)訪問是一種突發(fā)的高并發(fā)。另外，秒殺歸根到底是電商的一種促銷手段，這種以超低價(jià)吸引買家的性質(zhì)決定了對(duì)應(yīng)的秒殺產(chǎn)品的庫存數(shù)絕不會(huì)是無限大的，相反往往會(huì)控制在一個(gè)相對(duì)很少的量級(jí)單位。通過以上分析可以得出，要構(gòu)建一套實(shí)用合理的秒殺業(yè)務(wù)系統(tǒng)，主要是解決兩個(gè)問題：一是如何提供穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品基本信息查詢服務(wù)；二是如何保證產(chǎn)品庫存的及時(shí)更新及訂單處理。

　　2.2 秒殺系統(tǒng)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

　　2.2.1 產(chǎn)品查詢服務(wù)流程設(shè)計(jì)

　　對(duì)于如何提供穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品基本信息查詢服務(wù)的問題，主要通過頁面緩存[11]來解決。當(dāng)用戶訪問相關(guān)頁面時(shí)，預(yù)先判斷產(chǎn)品頁面是否存在緩存，如果存在則直接調(diào)用靜態(tài)頁面，否則從數(shù)據(jù)庫中讀取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，這樣做可以加快系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，提高整個(gè)網(wǎng)站的性能[12]。另外，對(duì)于網(wǎng)頁中的圖片、視頻等文件，則從獨(dú)立的文件服務(wù)器中讀取，由于此類信息本身并不影響具體業(yè)務(wù)，因此通常采用異步方式進(jìn)行加載。產(chǎn)品查詢服務(wù)的業(yè)務(wù)流程圖如圖2所示。

　　由圖2可見，當(dāng)緩存不存在時(shí)將不得不調(diào)用API從數(shù)據(jù)庫中直接獲取數(shù)據(jù)，而此操作將會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)的性能瓶頸。為盡量避免對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作，需要在系統(tǒng)中單獨(dú)部署一個(gè)Job服務(wù)，在秒殺活動(dòng)開始前遍歷相關(guān)產(chǎn)品預(yù)先生成頁面緩存信息。如果在某些特殊情況下依舊需要對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行直接讀取操作，則在讀取完成后需要將當(dāng)次讀取到的信息同步入緩存中，以此保證下次再有對(duì)相同產(chǎn)品的訪問請(qǐng)求時(shí)可直接讀取緩存，從而避免對(duì)數(shù)據(jù)庫的二次訪問。同時(shí)為保證緩存中產(chǎn)品信息的時(shí)效性[13]，引入時(shí)間戳概念，時(shí)間戳維護(hù)的業(yè)務(wù)流程圖如圖3所示。

　　當(dāng)后臺(tái)維護(hù)人員修改產(chǎn)品信息后，產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳就會(huì)同步到數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)品時(shí)間戳信息表中，此時(shí)后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)發(fā)現(xiàn)某個(gè)產(chǎn)品的時(shí)間戳信息發(fā)生變化后則會(huì)即時(shí)刷新緩存數(shù)據(jù)，以此確保前臺(tái)用戶取到的數(shù)據(jù)是最新的。緩存同步Job部署在獨(dú)立的內(nèi)部應(yīng)用服務(wù)器上，由于服務(wù)需要從產(chǎn)品時(shí)間戳信息表中獲取產(chǎn)品及其時(shí)間戳數(shù)據(jù)，為了盡量降低每次從數(shù)據(jù)庫獲取的數(shù)據(jù)量，除了第一次數(shù)據(jù)初始化外，之后每次僅獲取上次運(yùn)行完成的時(shí)間點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮到性能因素，將“產(chǎn)品-時(shí)間戳”的字典維護(hù)在服務(wù)器的本地緩存中?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境中，產(chǎn)品基本信息的更新頻率一般都會(huì)以小時(shí)甚至天為單位。Job運(yùn)行的頻率可人為控制，正常情況下控制在分鐘級(jí)即可，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，當(dāng)產(chǎn)品數(shù)量為十萬級(jí)時(shí)，由于字典本身維護(hù)的數(shù)據(jù)量并不大，即使單臺(tái)服務(wù)器的負(fù)載也足以能夠承受。由于整體系統(tǒng)架構(gòu)采取集群模式，即使發(fā)生當(dāng)前服務(wù)器集群無法承受的情況，也可通過增加服務(wù)器數(shù)量，然后將所有產(chǎn)品重新平均分配到各個(gè)服務(wù)器上來解決。

　　2.2.2 產(chǎn)品庫存及訂單處理流程設(shè)計(jì)

　　考慮到秒殺產(chǎn)品通常都以實(shí)物產(chǎn)品為主，其固有的成本壓力以及超低價(jià)吸引買家的營(yíng)銷模式?jīng)Q定了產(chǎn)品庫存數(shù)都是有限的，真正能夠成功下單的操作數(shù)相對(duì)有限，數(shù)據(jù)庫的寫操作壓力相比讀操作要小很多。因此解決庫存更新以及訂單處理的基本思路是：先將庫存信息維護(hù)在緩存中，同時(shí)維護(hù)一個(gè)訂單隊(duì)列，通過單獨(dú)的服務(wù)處理此隊(duì)列中的訂單請(qǐng)求并完成最終的數(shù)據(jù)入庫操作[14]。庫存刷新及訂單處理的業(yè)務(wù)流程圖如圖4所示。

　　用戶在打開產(chǎn)品頁面時(shí)首先從緩存中獲取產(chǎn)品的基本信息，包括產(chǎn)品售賣時(shí)間以及可售標(biāo)識(shí)，這里的可售標(biāo)識(shí)僅表示當(dāng)前產(chǎn)品是否可以進(jìn)行銷售，并不維護(hù)實(shí)際的產(chǎn)品庫存數(shù)。當(dāng)秒殺活動(dòng)開始后，用戶可以通過點(diǎn)擊“預(yù)訂”按鈕進(jìn)行搶購(gòu)。如果當(dāng)前產(chǎn)品庫存大于0，則用戶可以進(jìn)行后續(xù)預(yù)訂操作并更新庫存數(shù)；若產(chǎn)品庫存數(shù)減為0后，需要額外刷新緩存中存儲(chǔ)的產(chǎn)品信息，將可售標(biāo)識(shí)置為False，以此表示產(chǎn)品不可繼續(xù)出售。如果用戶成功搶購(gòu)到產(chǎn)品，系統(tǒng)并不直接將用戶的預(yù)訂單寫入數(shù)據(jù)庫中，而是先統(tǒng)一保存入一個(gè)訂單隊(duì)列之中，此訂單隊(duì)列本身也是存儲(chǔ)在緩存之中。產(chǎn)品下單Job的任務(wù)就是輪詢此訂單隊(duì)列，依次處理隊(duì)列中的預(yù)訂請(qǐng)求，將預(yù)訂信息寫入數(shù)據(jù)庫中。由于秒殺產(chǎn)品數(shù)量是有限的，因此訂單隊(duì)列中的記錄數(shù)不能大于產(chǎn)品庫存數(shù)量，故通過獨(dú)立的Job服務(wù)進(jìn)行此類集中的數(shù)據(jù)處理在性能上是可以保證的。當(dāng)用戶的訂單被同步入數(shù)據(jù)庫中之后，用戶可在專門的個(gè)人訂單頁面中看到自己的預(yù)訂信息并進(jìn)行最終的支付操作，至此整個(gè)秒殺過程全部完成。

　　在以上流程中，最關(guān)鍵的是維護(hù)產(chǎn)品的庫存信息，目前有些秒殺系統(tǒng)的做法是直接維護(hù)一個(gè)“產(chǎn)品ID-庫存”的鍵值對(duì)字典，并將數(shù)據(jù)存放在MemCached中，這種設(shè)計(jì)很可能導(dǎo)致性能瓶頸。因?yàn)橹苯邮褂卯a(chǎn)品ID作為Key，使得MemCached通過Key來計(jì)算Hash值得到目標(biāo)存儲(chǔ)服務(wù)器時(shí)每次都是相同的結(jié)果，即指定產(chǎn)品一定會(huì)被存放在固定的一臺(tái)服務(wù)器上，當(dāng)此產(chǎn)品出現(xiàn)高并發(fā)訪問時(shí)，存放該產(chǎn)品庫存鍵值對(duì)的緩存服務(wù)器必將承受極大負(fù)載。為了避免類似的單點(diǎn)服務(wù)可能造成的系統(tǒng)瓶頸，本文對(duì)于秒殺產(chǎn)品的庫存信息維護(hù)做了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，在設(shè)計(jì)鍵值對(duì)時(shí)采用“服務(wù)器標(biāo)識(shí)+產(chǎn)品”作為Key，這樣即使是同一個(gè)產(chǎn)品由于Key不同最終可以得到不同的Hash值，使得數(shù)據(jù)會(huì)被存儲(chǔ)到不同的緩存服務(wù)器上，以此達(dá)到分布式存儲(chǔ)的目的。

3 系統(tǒng)測(cè)試

　　基于本方案的秒殺系統(tǒng)無論在對(duì)產(chǎn)品內(nèi)容展示還是庫存及訂單處理上，都具有較強(qiáng)的可靠性。為驗(yàn)證該解決方案的具體性能特進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。

　　測(cè)試樣本為10個(gè)秒殺產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品庫存數(shù)為1 000；測(cè)試緩存包含4臺(tái)WWW服務(wù)器，2臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器，2臺(tái)緩存服務(wù)器和1臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。為測(cè)試方便，本測(cè)試中所有服務(wù)器采用相同配置，均為4核CPU，內(nèi)存為16 GB。服務(wù)器事務(wù)操作性能對(duì)比如圖5所示。由圖可見，在高并發(fā)情況下系統(tǒng)的壓力瓶頸主要來自于WWW服務(wù)器，在達(dá)到10萬個(gè)并發(fā)數(shù)的情況下WWW服務(wù)器的CPU占用率已經(jīng)達(dá)到了90%以上，而此時(shí)應(yīng)用服務(wù)器和緩存服務(wù)器仍有空閑資源；同時(shí)由于絕大部分操作均在前端服務(wù)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的CPU占用率始終保持平緩，不隨并發(fā)數(shù)增加而暴增。通過長(zhǎng)期測(cè)試，在系統(tǒng)實(shí)際部署中推薦將WWW服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器數(shù)量按照3：1比例進(jìn)行配置，可以使得整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最大的并發(fā)訪問承受力。

4 結(jié)論

　　身處互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，網(wǎng)上購(gòu)物已經(jīng)逐步成為億萬網(wǎng)民主流的購(gòu)物方式，而秒殺、搶購(gòu)類的網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷模式也越來越受到電商和網(wǎng)民共同的關(guān)注和推崇。本文正是基于此類應(yīng)用的巨大市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?，專門針對(duì)秒殺系統(tǒng)的特點(diǎn)，從系統(tǒng)架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程兩大方面分析和設(shè)計(jì)了一套具有高并發(fā)性、高可靠性和安全性的互聯(lián)網(wǎng)秒殺應(yīng)用系統(tǒng)，基本滿足了電商平臺(tái)對(duì)于秒殺應(yīng)用的實(shí)際需求。同時(shí)對(duì)高并發(fā)性系統(tǒng)中的緩存技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用以及秒殺系統(tǒng)的公平性等進(jìn)行了探討，實(shí)際上這兩點(diǎn)都是秒殺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，目前尚未有完美的解決方案，還需要進(jìn)一步研究。

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