[转]12306：分布式内存数据技术为查询提速75倍

背景和需求

　　中国铁路客户服务中心网站(www.12306.cn)是世界规模最大的实时交易系统之一，媲美Amazon.com，节假日尤为是春节的访问高峰，网站压力巨大。据统计， 在2012年初的春运高峰期间，天天有2000万人访问该网站，日点击量最高达到14亿。大量同时涌入的网络访问形成12306几近瘫痪。 中国铁道科学院电子计算技术研究所做为12306互联网购票系统的承建单位，急需寻求办法解决问题。

　　成功解决：速度提升75倍以上

　　2012年3月开始，铁路总公司(原铁道部)开始调研、改造12306。2012年6月选择了Pivotal GemFire分布式内存计算平台(Distributed In-memory computing)改造12306，由铁科院项目小组负责人王明哲主任和资拓宏宇(IISI)信息科技有限公司在铁科院主管朱建生所长领导下提供技术实施。一期先改造12306的主要瓶颈——余票查询系统。9月份完成代码改造，系统上线。2012年国庆，又是网上订票高峰期间，你们能够显著发现，能够登陆12306，虽然仍是很难订票，可是查询余票很快。2012年10月份，二期用GemFire改造订单查询系统(客户查询本身的订单记录)。2013年春节，又是网上订票高峰期间，你们能够显著发现，能够登陆12306，虽然仍是很难订票，可是查询余票很快，并且查询本身的订票和下订单也很快。

　　根据系统运行数据记录，技术改造以后，在只采用10几台X86服务器实现了之前数十台小型机的余票计算和查询能力，单次查询的最长时间从以前的15秒左右降低到0.2秒如下，缩短了75倍以上。2012年春运的极端高流量并发状况下，系统几近瘫痪。而在改造以后，支持每秒上万次的并发查询，高峰期间达到2.6万个查询/秒吞吐量，整个系统效率显著提升。如上图所示。

　　订单查询系统改造，在改造以前的系统运行模式下，每秒只能支持300-400个查询/秒的吞吐量，高流量的并发查询只能经过分库来实现。改造以后，能够实现高达上万个查询/秒的吞吐量，并且查询速度能够保障在20毫秒左右。

　　新的技术架构能够按需弹性动态扩展，并发量增长时，还能够经过动态增长X86服务器来应对，保持毫秒级的响应时间。

　　梦里寻它：技术革命一步跨越三代

　　12306可以取得这样翻天覆地的效果，靠技术上的小修小补是不可能的，必须有全新的思路，可以给性能提高带来杠杆式的做用。12306发现GemFire分布式内存数据平台就是这样一种技术。

　　GemFire分布式内存数据平台的技术原理如上图所示：经过云计算平台虚拟化技术，将若干X86服务器的内存集中起来，组成最高可达数十TB的内存资源池，将所有数据加载到内存中，进行内存计算。计算过程自己不须要读写磁盘，只是按期将数据同步或异步方式写到磁盘。GemFire在分布式集群中保存了多份数据，任何一台机器故障，其它机器上还有备份数据，所以一般不用担忧数据丢失，并且有磁盘数据做为备份。GemFire支持把内存数据持久化到各类传统的关系数据库、Hadoop库和其它文件系统中。

　　你们知道，当前计算架构的瓶颈在存储，处理器的速度按照摩尔定律翻番增加，而磁盘存储的速度增加很缓慢，由此形成巨大高达10万倍的差距(如上图)。这样就很好理解GemFire为何可以大幅提升系统性能了。

　　按照计算与存储的关系，咱们能够将计算架构分为四代：

　　第一代，基于磁盘的单一系统：计算过程当中须要从磁盘读取数据。小型机、大型机是其中的佼佼者，将单一系统的性能作到极致。

　　第二代，基于磁盘的分布式集群系统：计算过程当中须要从磁盘读取数据，但经过分布系统将数据分散到不一样的服务器磁盘上，提升整个系统的处理能力。目前不少大型互联网和电子商务公司采用基于X86服务器的分布式集群系统，依靠海量的X86服务器部署解决高流量并发的问题。

　　第三代，基于内存的单一系统：将整个数据库放在内存中，计算过程不须要从磁盘读取数据。整个系统的性能取决于单一系统的性能。传统的内存数据库就是这样的系统，对于企业级的应用能够很好地解决访问速度的问题，但面对海量数据或是海量并发访问的扩展性问题就无能为力。

　　第四代，基于内存的分布式集群系统：GemFire就是这样的系统，并行计算是其关键技术之一，于是能够经过增长服务器部署规模，在内存计算的基础上，线性扩展性能。

　　12306以前采用Unix小型机架构，采用GemFire技术改形成Linux/X86服务器集群架构，就意味着一下跨越三代。从小型机到大内存X86服务器集群，不只让性能提高了一个数量级，并且成本也要低得多。

　　GemFire是Pivotal企业级大数据PaaS平台的一部分。Pivotal公司的企业级大数据PaaS平台主要有三个层次：云基础架构层Cloud Fabric、大数据基础架构层Data Fabric、应用开发基础架构层Application Fabric。GemFire属于大数据基础架构层，此外，Greenplum数据库也属于这一层;云基础架构层的技术是Cloud Foundry;应用开发基础架构层的技术是Spring Framework和RabbitMQ等。

　　对于这次引入GemFire技术的改造，中国铁道科学研究院电子计算技术研究所副所长朱建生表示：“经过技术改造解决了困扰咱们多时的尖峰高流量并发问题，让全国人民再也不由于技术缘由而抱怨，咱们终于舒了一口气。Pivotal GemFire分布式集群内存数据技术对整个技术改造发挥了关键的做用。同时，感谢Pivotal公司及其实施方项目团队的努力，在技术开改造过程当中确保旧系统顺畅运行、旧系统到新系统平滑迁移，快速实现新系统的上线。”