圖解 IT 基礎設施

山崎泰史

基础设施顾问。日本横滨人。

 

三绳庆子

就职于株式会社VMware。负责灵活运用VMware vSphere、公用云的IT中期计划的制定及系统架构的设计等。近些年，针对数字化转型时代基础设施的存在方式做相关咨询工作。

 

畔胜洋平

曾在互联网公司工作，从开发、基础设施，到运维，积累了很多经验，之后从事金融软件工程师的工作，在Oracle以数据库顾问的身份负责以金融机构为中心的任务关键型系统的设计和使用。

 

佐藤贵彦

毕业于奈良先端科学技术大学院大学，毕业后从事基础设施及应用程序方面的工作。

第 1章　讓我們來看看基礎設施架構 1

1.1　什麽是IT基礎設施 2

1.2　集中式架構與分佈式架構 4

1.2.1　集中式架構 4

1.2.2　分佈式架構 6

1.3　垂直分佈式架構 8

1.3.1　客戶端服務器架構 8

1.3.2　三層架構 9

1.4　水平分佈式架構 11

1.4.1　簡單水平分佈式架構 11

1.4.2　共享式架構 13

1.5　地理分佈式架構 15

1.5.1　主備式架構 15

1.5.2　災難恢復式架構 16

第 2章　讓我們來拆一拆服務器 19

2.1　物理服務器 20

2.1.1　服務器外觀和安裝位置 20

2.1.2　服務器內部結構 22

2.2　CPU 24

2.3　內存 26

2.4　I/O設備 29

2.4.1　硬盤 29

2.4.2　網卡 31

2.4.3　控制I/O 32

2.5　總線 34

2.5.1　帶寬 34

2.5.2　總線帶寬 35

2.6　小結 37

第3章　讓我們來看看三層架構系統 39

3.1　圖解三層架構系統 40

3.2　主要概念的說明 41

3.2.1　什麽是進程和線程 41

3.2.2　什麽是內核 44

3.3　Web數據流 48

3.3.1　從客戶端PC到Web服務器 48

3.3.2　從Web服務器到AP服務器 51

3.3.3　從AP服務器到DB服務器 53

3.3.4　從AP服務器到Web服務器 56

3.3.5　從Web服務器到客戶端PC 57

3.3.6　小結 58

3.4　虛擬化 59

3.4.1　什麽是虛擬化 60

3.4.2　OS也是虛擬化技術之一 60

3.4.3　虛擬機 61

3.4.4　容器的歷史 62

3.4.5　Docker的登場 62

3.4.6　雲與虛擬化技術 63

第4章　支撐基礎設施的理論基礎 65

4.1　串行與並行 66

4.1.1　什麽是串行和並行 66

4.1.2　所用之處 68

4.1.3　小結 70

4.2　同步和異步 71

4.2.1　什麽是同步和異步 71

4.2.2　所用之處 73

4.2.3　小結 77

4.3　Queue 78

4.3.1　什麽是Queue 78

4.3.2　所用之處 79

4.3.3　小結 83

4.4　排他控制 84

4.4.1　什麽是排他控制 84

4.4.2　所用之處 85

4.4.3　小結 87

4.5　有狀態和無狀態 88

4.5.1　什麽是有狀態和無狀態 88

4.5.2　讓我們再深入一點 90

4.5.3　所用之處 90

4.5.4　小結 92

4.6　可變長度和固定長度 93

4.6.1　什麽是可變長度和固定長度 93

4.6.2　所用之處 95

4.6.3　小結 97

4.7　數據結構（數組與鏈表） 97

4.7.1　什麽是數據結構（數組與鏈表） 97

4.7.2　所用之處 99

4.7.3　小結 101

4.8　搜索算法 101

4.8.1　什麽是搜索算法 101

4.8.2　所用之處 102

4.8.3　小結 106

第5章　支撐基礎設施的理論應用 109

5.1　緩存 110

5.1.1　什麽是緩存 110

5.1.2　所用之處 111

5.1.3　小結 112

5.2　中斷 114

5.2.1　什麽是中斷 114

5.2.2　讓我們再深入一點 114

5.2.3　所用之處 115

5.2.4　小結 117

5.3　輪詢 117

5.3.1　什麽是輪詢 117

5.3.2　所用之處 118

5.3.3　小結 120

5.4　I/O大小 121

5.4.1　什麽是I/O大小 121

5.4.2　所用之處 122

5.4.3　小結 126

5.5　日誌記錄 127

5.5.1　什麽是日誌記錄 127

5.5.2　所用之處 128

5.5.3　小結 129

5.6　復制 132

5.6.1　什麽是復制 132

5.6.2　所用之處 133

5.6.3　小結 135

5.7　主／從 136

5.7.1　什麽是主／從 136

5.7.2　所用之處 138

5.7.3　小結 139

5.8　壓縮 139

5.8.1　什麽是壓縮 139

5.8.2　讓我們再深入一點 140

5.8.3　所用之處 142

5.8.4　小結 144

5.9　錯誤檢測 144

5.9.1　什麽是錯誤檢測 144

5.9.2　讓我們再深入一點 145

5.9.3　如何檢測錯誤 146

5.9.4　所用之處 147

5.9.5　小結 148

第6章　連接系統的網絡構造 149

6.1　網絡 150

6.2　分層結構 151

6.2.1　拿公司來比喻分層結構 151

6.2.2　分層結構分擔任務 152

6.2.3　分層模型的代表--OSI 7層模型 152

6.2.4　分層結構並非網絡獨有 153

6.3　協議 154

6.3.1　人與人之間溝通的語言也是協議 154

6.3.2　協議對電腦來說必不可少 155

6.3.3　協議對服務器內部來說也必不可少 157

6.4　TCP/IP聯通了今天的網絡 158

6.4.1　互聯網的發展與TCP/IP協議套件 158

6.4.2　TCP/IP的分層結構 158

6.5　應用層協議HTTP 160

6.5.1　HTTP的處理流程 161

6.5.2　請求與響應的具體內容 161

6.5.3　應用層協議的處理在用戶空間進行 163

6.5.4　套接字以下的處理在內核空間進行 163

6.6　 傳輸層協議TCP 165

6.6.1　TCP的作用 166

6.6.2　內核空間中的TCP處理 167

6.6.3　根據埠號轉發數據 169

6.6.4　連接的建立 170

6.6.5　數據保證與重傳控制 171

6.6.6　流量控制與擁塞控制 173

6.7　網絡層協議IP 176

6.7.1　IP的作用 176

6.7.2　內核空間中的IP處理 176

6.7.3　以IP地址標記的目的地為終點的數據傳輸 178

6.7.4　私有網絡與IP地址 180

6.7.5　路由 181

6.8　鏈路層協議Ethernet 183

6.8.1　Ethernet的作用 183

6.8.2　內核空間中的Ethernet處理 184

6.8.3　同一鏈路內的數據轉發 186

6.8.4　VLAN 187

6.9　在TCP/IP通信之後 189

6.9.1　網絡交換機的中繼處理 189

6.9.2　傳輸終點的接收處理 191

第7章　實現基礎設施持續運轉的機制 193

7.1　容錯性與冗餘化 194

7.1.1　什麽是容錯性 194

7.1.2　什麽是冗餘化 195

7.2　服務器內部冗餘化 197

7.2.1　電源、設備等的冗餘化 197

7.2.2　網絡接口的冗餘化 198

7.3　存儲冗餘化 202

7.3.1　HDD的冗餘化 202

7.3.2　路徑的冗餘化 207

7.4　Web服務器冗餘化 209

7.4.1　Web服務器的內部冗餘化 209

7.4.2　服務器冗餘化 211

7.5　AP服務器冗餘化 215

7.5.1　AP服務器的冗餘化 215

7.5.2　數據庫連接的冗餘化 217

7.6　DB服務器冗餘化 220

7.6.1　DB服務器的冗餘化（主-備） 220

7.6.2　DB服務器的冗餘化（主-主） 222

7.7　網絡設備冗餘化 226

7.7.1　L2交換機的冗餘化 226

7.7.2　L3交換機的冗餘化 229

7.7.3　網絡拓撲 231

7.8　站點冗餘化 235

7.8.1　站點內部冗餘化的整體圖 235

7.8.2　站點間的冗餘化 236

7.9　監測 237

7.9.1　什麽是監測 237

7.9.2　存活監測 238

7.9.3　日誌監測 239

7.9.4　性能監測 240

7.9.5　SNMP 240

7.9.6　內容監測 243

7.10　備份 244

7.10.1　什麽是備份 244

7.10.2　系統備份 245

7.10.3　數據備份 247

7.11　總結 248

第8章　確保提升性能的基礎設施機制 251

8.1　響應與吞吐量 252

8.1.1　造成性能問題的兩類原因 252

8.1.2　響應問題 255

8.1.3　吞吐量問題 256

8.2　什麽是瓶頸 257

8.2.1　瓶頸是制約處理速度的要因 257

8.2.2　瓶頸應該如何消除 258

8.2.3　瓶頸將永遠存在 259

8.3　從三層架構系統圖上發現的瓶頸 261

8.3.1　CPU瓶頸的例子 261

8.3.2　內存瓶頸的例子 270

8.3.3　磁盤I/O瓶頸的例子 273

8.3.4　網絡I/O瓶頸的例子 278

8.3.5　應用程序瓶頸的例子 282

8.4　總結 286