12306数据库
12306网站曾被认为是“全球最忙碌的网站”，在应对高并发访问处理方面，曾备受网民诟病。因此记者在第一时间联系到一位对12306改造非常关注的技术架构师，他从技术的角度，用科学论证的方式，指出原因所在，并根据他的经验进一步说明12306是如何实现高流量高并发的关键技术，与大家共享。以下为正文：
前言：
12306互联网售票系统在2011年下半年开始上线使用，但在2012年春运期间引发无数的争议。在2012年春运后，12306项目承接单位与多家IT公司联系，经过多次论证和POC 测试， 最终引入分布式内存运算数据管理云平台 - Pivotal Gemfire做试点，用以提高12306系统性能，解决“高流量和高并发“的难题。
高流量高并发是指某特定时间段的海量请求，根据过去的经验法则，高并发是指访问流量是平常流量的 3-5倍;但由于互联网和移动设备APPs的普遍化，电商网站的促销模式“11.11“，或是厂商的“饥饿营销“，都会衍生“秒杀“现象。所以过去的经验法则用到12306春运售票系统，往往是远远低于实际的的流量。例如，12306平常一天的PV(page views)值大约是在 2500万到 3000万左右， 在2015年春运高峰日的PV值是297亿，流量增加1000倍，这样海量的请求，假如不能在短时间内动态调整网络带宽或增加服务器数量，就会造成网络阻塞或是服务器性能无法满足要求，甚至使整个系统不稳定。
12306成长之路
短短的3年，从2012年春运到2015年春运，12306网站从10亿的PV(page views)值增加到297亿PV值，PV值成长 30倍;网络带宽从 1.5G调整到12G，带宽成长8倍;而12306的售票量从110万增加到564万 ，成长5倍。出票处理能力从 每秒200张提升到 每秒1032张，也是5倍的成长。
PV值的增加是与放票的次数和可出售的票量有关系，例如，2015年PV值是2014年的2.3倍, 原因是放票次数多了5次“秒杀”，另外增加12% 的售票量。由此可见，互联网流量PV值的增加速度远远高于售票量增加的速度。
高流量除了代表网络容易造成阻塞以外，系统服务器也会面临更高的cpu负载，在此情况下又该如何应对呢?是选择基于原来系统框架上购买更昂贵的硬件做“scale up“升级呢 ?还是选择购买低成本的x86服务器，进行”可扩展云平台架构“ scale out的改造设计呢?12306互联网购票系统的改造给我们一个很好的案例参考，也让政府单位和企业进一步了解了具体是如何实现的。
12306改造的关键技术– 建立可伸缩扩展的云应用平台
2015年12306网站顺利过关，没有“瘫痪”，是值得庆祝的。根据互联网上的新闻，中国铁道科学研究院电子计算技术研究所副所长，12306网站技术负责人朱建生说，为了应对2015年春运售票高峰，该网站采取5项措施：一是利用外部云计算资源分担系统查询业务，可根据高峰期业务量的增长按需及时扩充。二是通过双中心运行的架构，系统内部处理容量扩充一倍，可靠性得到有效保证。三是对系统的互联网接入带宽进行扩容，并可根据流量情况快速调整，保证高峰时段旅客顺畅访问网站。四是防范恶意抢票，通过技术手段屏蔽抢票软件产生的恶意流量，保证网站健康运行，维护互联网售票秩序。五是制定了多套应急预案，以应对突发情况。
“利用云计算资源“，“按需及时扩充“和”快速调整“，这几个字眼是12306改造的精神，其核心就是要建立一个从下到上全面“可伸缩扩展的云平台”。底层的硬件架构要支持可伸缩扩展，上层的应用系统架构也需要支持可伸缩扩展。
1. 在过去数年，云计算的基础架构虚拟化已经非常成熟，也日益普遍部署;当网络阻塞时，可以动态增加带宽，当服务器 CPU到达高位时，可以快速从资源池获取虚拟机资源来分摊负荷。 “软件定义的数据中心“ 可以轻易完成这些伸缩性扩展的配置。
2. 当客户将底层的架构都虚拟化后，网络设备，Web服务器，应用服务器都可以做“伸缩性”的扩展;但遇到一个难点就是“12306的应用系统框架”无法支持可伸缩扩展。原因是关系型数据库Sybase无法支持“应用系统”的伸缩扩展。
3. 客户在过去数年已经投入大笔经费在IT方面的建设，但“系统框架设计”还是沿用10几年前的三层设计，而且每年都在原来的基础上做不断的升级。当业务不断成长时，数据量也跟着成长，功能越来越多， 但系统性能越来越差。客户该如何选择呢 ?是 scale up? 还是 scale out ?
为什么选择Pivotal Gemfire构建12306的云应用平台?
要解决12306春运时高流量高并发的问题，如果单靠硬件升级解决的话，可能需要扩充数十倍的硬件服务器。但在春运以后，又该如何解决服务器过剩的问题呢?
要真正解决“高流量，高并发“的难题是需要从软件和应用系统层面出发，唯有实现“可扩展的应用云平台架构”，灵活和快速热部署的机制，才是真正解决高并发访问的根本。
在经过多次论证和POC测试后， 12306 最后选择Pivotal Gemfire作为系统改造的平台，其主要原因如下：
1. 关联数据节点设计：可以根据客户的业务逻辑特性和数据关联性，将关联性强的数据放置于同一个服务器节点，提高系统性能，避免分布式系统服务器的频繁数据交换。
2. 将数据移到内存：由于数据是放在内存里面，屏蔽传统数据库频繁访问， CPU与数据库的交互作用，影响服务器性能。内存的数据交换速度远高于磁盘速度上千倍， 极大提高系统性能。
3. 扩展和伸缩性：以Gemfire构建的应用云平台，是以 x86 PC服务器为主的硬件基础。在保证系统的性能下，此平台可以随着客户业务的成长来任意调配x86服务器的数量，避免以后昂贵的硬件升级带来的困扰。经POC测试结果显示，整个系统性能可随着服务器的数量的增加实现几乎线性的成长。
4. 数据可靠性：在同个集群里面可以有多个数据节点备份，数据可以自动同步，或是将内存数据持久化到硬盘或是数据库
5. 跨地域的数据分布或同步 ：可以透过“广域网”将指定的 Gemfire集群的内存数据“实时同步”到异地的数据中心。这是属于“应用层”的数据同步异于传统的“数据库”同步。
6. Pivotal Gemfire使用 x86 PC服务器，其性价比远远高于 Unix 小型机。
在后续章节，以12306为案例做进一步分析，使用Pivotal Gemfire会给12306带来什么好处。
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