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电商网站秒杀与抢购的软件开发系统架构

2016-04-18 11:03:35

一、大规模并发带来的挑战

在过去的工作中,我曾经面对过5w每秒的高并发秒杀功能,在这个过程中,整个Web系统遇到了很多的问题和挑战。如果Web系统不做针对性的优化,会轻而易举地陷入到异常状态。我们现在一起来讨论下,优化的思路和方法哈。

1. 请求接口的合理设计

一个秒杀或者抢购页面,通常分为2个部分,一个是静态的HTML等内容,另一个就是参与秒杀的Web后台请求接口。

通常静态HTML等内容,是通过CDN的部署,一般压力不大,核心瓶颈实际上在后台请求接口上。这个后端接口,必须能够支持高并发请求,同时,非常 重要的一点,必须尽可能“快”,在最短的时间里返回用户的请求结果。为了实现尽可能快这一点,接口的后端存储使用内存级别的操作会更好一点。仍然直接面向 MySQL之类的存储是不合适的,如果有这种复杂业务的需求,都建议采用异步写入。

当然,也有一些秒杀和抢购采用“滞后反馈”,就是说秒杀当下不知道结果,一段时间后才可以从页面中看到用户是否秒杀成功。但是,这种属于“偷懒”行为,同时给用户的体验也不好,容易被用户认为是“暗箱操作”。

2. 高并发的挑战:一定要“快”

我们通常衡量一个Web系统的吞吐率的指标是QPS(Query Per Second,每秒处理请求数),解决每秒数万次的高并发场景,这个指标非常关键。举个例子,我们假设处理一个业务请求平均响应时间为100ms,同时, 系统内有20台Apache的Web服务器,配置MaxClients为500个(表示Apache的最大连接数目)。

那么,我们的Web系统的理论峰值QPS为(理想化的计算方式):

20*500/0.1 = 100000 (10万QPS)

咦?我们的系统似乎很强大,1秒钟可以处理完10万的请求,5w/s的秒杀似乎是“纸老虎”哈。实际情况,当然没有这么理想。在高并发的实际场景下,机器都处于高负载的状态,在这个时候平均响应时间会被大大增加。

就Web服务器而言,Apache打开了越多的连接进程,CPU需要处理的上下文切换也越多,额外增加了CPU的消耗,然后就直接导致平均响应时间 增加。因此上述的MaxClient数目,要根据CPU、内存等硬件因素综合考虑,绝对不是越多越好。可以通过Apache自带的abench来测试一 下,取一个合适的值。然后,我们选择内存操作级别的存储的Redis,在高并发的状态下,存储的响应时间至关重要。网络带宽虽然也是一个因素,不过,这种 请求数据包一般比较小,一般很少成为请求的瓶颈。负载均衡成为系统瓶颈的情况比较少,在这里不做讨论哈。

那么问题来了,假设我们的系统,在5w/s的高并发状态下,平均响应时间从100ms变为250ms(实际情况,甚至更多):

20*500/0.25 = 40000 (4万QPS)

于是,我们的系统剩下了4w的QPS,面对5w每秒的请求,中间相差了1w。

然后,这才是真正的恶梦开始。举个例子,高速路口,1秒钟来5部车,每秒通过5部车,高速路口运作正常。突然,这个路口1秒钟只能通过4部车,车流量仍然依旧,结果必定出现大塞车。(5条车道忽然变成4条车道的感觉)

同理,某一个秒内,20*500个可用连接进程都在满负荷工作中,却仍然有1万个新来请求,没有连接进程可用,系统陷入到异常状态也是预期之内。

其实在正常的非高并发的业务场景中,也有类似的情况出现,某个业务请求接口出现问题,响应时间极慢,将整个Web请求响应时间拉得很长,逐渐将Web服务器的可用连接数占满,其他正常的业务请求,无连接进程可用。

更可怕的问题是,是用户的行为特点,系统越是不可用,用户的点击越频繁,恶性循环最终导致“雪崩”(其中一台Web机器挂了,导致流量分散到其他正常工作的机器上,再导致正常的机器也挂,然后恶性循环),将整个Web系统拖垮。

3. 重启与过载保护

如果系统发生“雪崩”,贸然重启服务,是无法解决问题的。最常见的现象是,启动起来后,立刻挂掉。这个时候,最好在入口层将流量拒绝,然后再将重启。如果是redis/memcache这种服务也挂了,重启的时候需要注意“预热”,并且很可能需要比较长的时间。

秒杀和抢购的场景,流量往往是超乎我们系统的准备和想象的。这个时候,过载保护是必要的。如果检测到系统满负载状态,拒绝请求也是一种保护措施。在 前端设置过滤是最简单的方式,但是,这种做法是被用户“千夫所指”的行为。更合适一点的是,将过载保护设置在CGI入口层,快速将客户的直接请求返回。

二、作弊的手段:进攻与防守

秒杀和抢购收到了“海量”的请求,实际上里面的水分是很大的。不少用户,为了“抢“到商品,会使用“刷票工具”等类型的辅助工具,帮助他们发送尽可 能多的请求到服务器。还有一部分高级用户,制作强大的自动请求脚本。这种做法的理由也很简单,就是在参与秒杀和抢购的请求中,自己的请求数目占比越多,成功的概率越高。

这些都是属于“作弊的手段”,不过,有“进攻”就有“防守”,这是一场没有硝烟的战斗哈。

1. 同一个账号,一次性发出多个请求

部分用户通过浏览器的插件或者其他工具,在秒杀开始的时间里,以自己的账号,一次发送上百甚至更多的请求。实际上,这样的用户破坏了秒杀和抢购的公平性。

这种请求在某些没有做数据安全处理的系统里,也可能造成另外一种破坏,导致某些判断条件被绕过。例如一个简单的领取逻辑,先判断用户是否有参与记 录,如果没有则领取成功,最后写入到参与记录中。这是个非常简单的逻辑,但是,在高并发的场景下,存在深深的漏洞。多个并发请求通过负载均衡服务器,分配 到内网的多台Web服务器,它们首先向存储发送查询请求,然后,在某个请求成功写入参与记录的时间差内,其他的请求获查询到的结果都是“没有参与记录”。 这里,就存在逻辑判断被绕过的风险。

 

应对方案:

在程序入口处,一个账号只允许接受1个请求,其他请求过滤。不仅解决了同一个账号,发送N个请求的问题,还保证了后续的逻辑流程的安全。实现方案, 可以通过Redis这种内存缓存服务,写入一个标志位(只允许1个请求写成功,结合watch的乐观锁的特性),成功写入的则可以继续参加。

或者,自己实现一个服务,将同一个账号的请求放入一个队列中,处理完一个,再处理下一个。

2. 多个账号,一次性发送多个请求

很多公司的账号注册功能,在发展早期几乎是没有限制的,很容易就可以注册很多个账号。因此,也导致了出现了一些特殊的工作室,通过编写自动注册脚 本,积累了一大批“僵尸账号”,数量庞大,几万甚至几十万的账号不等,专门做各种刷的行为(这就是微博中的“僵尸粉“的来源)。举个例子,例如微博中有转 发抽奖的活动,如果我们使用几万个“僵尸号”去混进去转发,这样就可以大大提升我们中奖的概率。

这种账号,使用在秒杀和抢购里,也是同一个道理。例如,iPhone官网的抢购,火车票黄牛党。

应对方案:

这种场景,可以通过检测指定机器IP请求频率就可以解决,如果发现某个IP请求频率很高,可以给它弹出一个验证码或者直接禁止它的请求:

  1. 弹出验证码,最核心的追求,就是分辨出真实用户。因此,大家可能经常发现,网站弹出的验证码,有些是“鬼神乱舞”的样子, 有时让我们根本无法看清。他们这样做的原因,其实也是为了让验证码的图片不被轻易识别,因为强大的“自动脚本”可以通过图片识别里面的字符,然后让脚本自 动填写验证码。实际上,有一些非常创新的验证码,效果会比较好,例如给你一个简单问题让你回答,或者让你完成某些简单操作(例如百度贴吧的验证码)。

  2. 直接禁止IP,实际上是有些粗暴的,因为有些真实用户的网络场景恰好是同一出口IP的,可能会有“误伤“。但是这一个做法简单高效,根据实际场景使用可以获得很好的效果。

3. 多个账号,不同IP发送不同请求

所谓道高一尺,魔高一丈。有进攻,就会有防守,永不休止。这些“工作室”,发现你对单机IP请求频率有控制之后,他们也针对这种场景,想出了他们的“新进攻方案”,就是不断改变IP。

有同学会好奇,这些随机IP服务怎么来的。有一些是某些机构自己占据一批独立IP,然后做成一个随机代理IP的服务,有偿提供给这些“工作 室”使用。还有一些更为黑暗一点的,就是通过木马黑掉普通用户的电脑,这个木马也不破坏用户电脑的正常运作,只做一件事情,就是转发IP包,普通用户的电 脑被变成了IP代理出口。通过这种做法,黑客就拿到了大量的独立IP,然后搭建为随机IP服务,就是为了挣钱。

应对方案:

说实话,这种场景下的请求,和真实用户的行为,已经基本相同了,想做分辨很困难。再做进一步的限制很容易“误伤“真实用户,这个时候,通常只能通过设置业务门槛高来限制这种请求了,或者通过账号行为的”数据挖掘“来提前清理掉它们。

僵尸账号也还是有一些共同特征的,例如账号很可能属于同一个号码段甚至是连号的,活跃度不高,等级低,资料不全等等。根据这些特点,适当设置参与门槛,例如限制参与秒杀的账号等级。通过这些业务手段,也是可以过滤掉一些僵尸号。

4. 火车票的抢购

看到这里,同学们是否明白你为什么抢不到火车票?如果你只是老老实实地去抢票,真的很难。通过多账号的方式,火车票的黄牛将很多车票的名额占据,部分强大的黄牛,在处理验证码方面,更是“技高一筹“。

高级的黄牛刷票时,在识别验证码的时候使用真实的人,中间搭建一个展示验证码图片的中转软件服务,真人浏览图片并填写下真实验证码,返回给中转软件。对于这种方式,验证码的保护限制作用被废除了,目前也没有很好的解决方案。

因为火车票是根据身份证实名制的,这里还有一个火车票的转让操作方式。大致的操作方式,是先用买家的身份证开启一个抢票工具,持续发送请 求,黄牛账号选择退票,然后黄牛买家成功通过自己的身份证购票成功。当一列车厢没有票了的时候,是没有很多人盯着看的,况且黄牛们的抢票工具也很强大,即 使让我们看见有退票,我们也不一定能抢得过他们哈。

最终,黄牛顺利将火车票转移到买家的身份证下。

解决方案:

并没有很好的解决方案,唯一可以动心思的也许是对账号数据进行“数据挖掘”,这些黄牛账号也是有一些共同特征的,例如经常抢票和退票,节假日异常活跃等等。将它们分析出来,再做进一步处理和甄别。

三、高并发下的数据安全

我们知道在多线程写入同一个文件的时候,会存现“线程安全”的问题(多个线程同时运行同一段代码,如果每次运行结果和单线程运行的结果是一 样的,结果和预期相同,就是线程安全的)。如果是MySQL数据库,可以使用它自带的锁机制很好的解决问题,但是,在大规模并发的场景中,是不推荐使用 MySQL的。秒杀和抢购的场景中,还有另外一个问题,就是“超发”,如果在这方面控制不慎,会产生发送过多的情况。我们也曾经听说过,某些电商搞抢购活 动,买家成功拍下后,商家却不承认订单有效,拒绝发货。这里的问题,也许并不一定是商家奸诈,而是系统技术层面存在超发风险导致的。

1. 超发的原因

假设某个抢购场景中,我们一共只有100个商品,在最后一刻,我们已经消耗了99个商品,仅剩最后一个。这个时候,系统发来多个并发请求,这批请求读取到的商品余量都是99个,然后都通过了这一个余量判断,最终导致超发。(同文章前面说的场景)

在上面的这个图中,就导致了并发用户B也“抢购成功”,多让一个人获得了商品。这种场景,在高并发的情况下非常容易出现。

2. 悲观锁思路

解决线程安全的思路很多,可以从“悲观锁”的方向开始讨论。

悲观锁,也就是在修改数据的时候,采用锁定状态,排斥外部请求的修改。遇到加锁的状态,就必须等待。

虽然上述的方案的确解决了线程安全的问题,但是,别忘记,我们的场景是“高并发”。也就是说,会很多这样的修改请求,每个请求都需要等待 “锁”,某些线程可能永远都没有机会抢到这个“锁”,这种请求就会死在那里。同时,这种请求会很多,瞬间增大系统的平均响应时间,结果是可用连接数被耗 尽,系统陷入异常。

3. FIFO队列思路

那好,那么我们稍微修改一下上面的场景,我们直接将请求放入队列中的,采用FIFO(First Input First Output,先进先出),这样的话,我们就不会导致某些请求永远获取不到锁。看到这里,是不是有点强行将多线程变成单线程的感觉哈。

然后,我们现在解决了锁的问题,全部请求采用“先进先出”的队列方式来处理。那么新的问题来了,高并发的场景下,因为请求很多,很可能一瞬 间将队列内存“撑爆”,然后系统又陷入到了异常状态。或者设计一个极大的内存队列,也是一种方案,但是,系统处理完一个队列内请求的速度根本无法和疯狂涌 入队列中的数目相比。也就是说,队列内的请求会越积累越多,最终Web系统平均响应时候还是会大幅下降,系统还是陷入异常。

4. 乐观锁思路

这个时候,我们就可以讨论一下“乐观锁”的思路了。乐观锁,是相对于“悲观锁”采用更为宽松的加锁机制,大都是采用带版本号 (Version)更新。实现就是,这个数据所有请求都有资格去修改,但会获得一个该数据的版本号,只有版本号符合的才能更新成功,其他的返回抢购失败。 这样的话,我们就不需要考虑队列的问题,不过,它会增大CPU的计算开销。但是,综合来说,这是一个比较好的解决方案。

有很多软件和服务都“乐观锁”功能的支持,例如Redis中的watch就是其中之一。通过这个实现,我们保证了数据的安全。

四、小结

互联网正在高速发展,使用互联网服务的用户越多,高并发的场景也变得越来越多。电商秒杀和抢购,是两个比较典型的互联网高并发场景。虽然我们解决问题的具体技术方案可能千差万别,但是遇到的挑战却是相似的,因此解决问题的思路也异曲同工。关于:中科研拓深圳市中科研拓 科技有限公司专注提供外包、APP开发、智能硬件开发、O2O电商平台、手机应用程序、大数据系统、物联网项目等开发外包服务,十年研发经验,上百成功案例,中科院软件外包合作企业。通过IT技术实现创造客户和社会价值,致力于为用户提供最佳的软件解决方案。联系电话:400-0316-532,邮箱sales@zhongkerd.com,网址http://www.zhongkerd.com


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