稳定性与高可用保障的工作思路云原生

简介：稳定性与高可用性是老生常谈的两个词。凭借经验和感受我们知道，提高系统的这两项指标，系统会更加健康，产品也会有更好的用户体验。但是如果要给稳定性和高可用性下一个定义该如何表述？稳定性和高可用性这二者又有何区别和联系？我认为首先要理解好这两个问题，才能够设定清晰的目标，系统地制定完整可行的方案。
作者 | 字恒
深入理解稳定性与高可用性
稳定性与高可用性是老生常谈的两个词。凭借经验和感受我们知道，提高系统的这两项指标，系统会更加健康，产品也会有更好的用户体验。但是如果要给稳定性和高可用性下一个定义该如何表述？稳定性和高可用性这二者又有何区别和联系？我认为首先要理解好这两个问题，才能够设定清晰的目标，系统地制定完整可行的方案。
在维基百科上搜索稳定性，定义如下：
稳定性是数学或工程上的用语，判别一系统在有界的输入是否也产生有界的输出。若是，称系统为稳定；若否，则称系统为不稳定。
再看看高可用性的：
高可用性（英语：high availability，缩写为 HA），IT术语，指系统无中断地执行其功能的能力，代表系统的可用性程度。是进行系统设计时的准则之一。高可用性系统与构成该系统的各个组件相比可以更长时间运行。
首先从稳定性的定义中提炼出关键的词语 -- 系统、输入、输出。在蚂蚁当下的技术架构中，可以把一个应用当做系统，应用之间的服务请求为输入，服务响应为输出，当服务响应符合预期时认为应用系统是稳定的。当他们相互组合形成一个更大的系统，作为业务产品对用户表达时，用户的请求作为输入，产品的表达作为输出，当产品功能正常运行时可以认为产品系统是稳定的。综上，关于稳定性的定义我们可以总结归纳为 -- 当系统接收输入后，能够产生正确的、符合预期的输出，称系统为稳定；否则，称系统为不稳定。
再回到命题上，为什么叫稳定性保障？能不能换一个说法叫提高稳定性？通过上文的定义我们可以总结出，稳定性描述的是系统的行为。一个系统是否稳定，就像我们评价一个人是否健康一样，很难用陈述的方式进行完整的描述，去量化。但是却可以通过否定的方式进行快速地判断。人们通过良好的饮食和生活习惯来减少疾病的发生，保持身体的健康。保障系统的稳定性或者说提高系统的稳定性也是如此，我们需要通过各种方法来避免那些不稳定的情况发生。所谓的更稳定，客观上并不存在，是主观上希望避免或者减少不稳定的情况发生。
与稳定性不同，可用性是一个可以量化的指标，计算的公式在维基百科中是这样描述的：
根据系统损害、无法使用的时间，以及由无法运作恢复到可运作状况的时间，与系统总运作时间的比较。
我们经常听到的3个9（99.9%），4个9（99.99%）度量的就是系统的可用性，高可用就是要保证系统的这个指标维持在一个高水平。在公式的定义描述中，将系统的运行时间分成了三个部分：

系统正常运作的时间，即系统处于稳定状态的时间。
系统损害、无法使用的时间，即系统处于非稳定状态的时间。
系统由无法运作恢复到可运作状况的时间，即系统由非稳定状态恢复到稳定状态的时间。

系统的可用性和系统的稳定性是成正相关的。不过在现实生活中，系统是不可能永远处于稳定状态。逆向思考，将上述的公式进行转换，更有利于我们进行分析：

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至此，本次命题的目标，KPI就清晰了。保障系统的稳定性和高可用的目标是使系统处于稳定的工作状态，对用户不产生负面的影响，避免线上问题和P级故障的发生。核心kpi是系统的可用性。为了提高系统的可用性，我们应该首先保障系统的稳定性，减少非稳定状况的发生，其次当系统由于各个组成部分发生故障，出现非稳定状态时，能够快速发现并将其恢复到稳定可用的状态。
稳定性与高可用保障的核心思路

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通过上文的推演，针对提高系统可用性这一目标，我们能够得到两个基本的解题思路。按图索骥，为了解决问题，首要的任务是发现和定义问题。因此为了提高系统的稳定性，我们先列举应用系统中常见的非稳定的情况，再一一对症下药：
功能：应用程序执行的功能出现错误，不符合预期。
容量：当系统接收的请求数量增加时，应用程序无法正常处理，出现异常或超时，导致服务失效。
安全：当系统接收到的没有授权的或者恶意攻击的请求时，应用程序出现异常甚至服务失效。
容错：对于用户错误的使用方式, 应用程序无法合适地处理。
当上述情况发生时，就意味着系统处于不稳定的状态，需要我们能够及时发现并进行处理。而造成这些问题的原因，在软件系统中通常可以归结为以下三类：
人为故障：在开发软件的各个环节中思考不充分，或者执行时粗心导致的各类问题。
硬件故障：网络不通，硬盘空间不够，内存崩溃等。
软件故障：线程池异常，JVM异常，中间件或其他依赖的应用服务异常。
对于一个动态演进的系统而言，我们没有办法将故障发生的概率降为0，只能通过在软件生产的过程中，建立流程规范和机制来尽量减少其发生。其次对于一个运行的系统，我们需要建立并完善监控和预警机制来及时发现系统中的故障，并通过执行预案使系统快速恢复。

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基于上述结论，为了提高系统的可用性，需要从以下三个方面入手开展工作：故障预防，故障发现和故障恢复。image.gif人犯错的几率是远远大于机器的，因此故障预防最重要的是建立一套机制，在团队内达成共识并持续按照此流程开展研发工作，从而减少个人因素（思考、执行、状态等方面）对系统稳定性的影响。而故障发现以及故障恢复，则是需要通过系统监控和应急方案来快速发现系统异常并恢复，从而尽量减轻故障的影响面。下面以蚂蚁日常的产品研发流程为例，从功能、容量、安全、容错这4个核心要素出发，给出一套方案仅供参考。