高可用架构设计

引言

冗余与故障转移、多活与同城双活、故障演练与容量规划，可用性目标驱动的架构设计全景。

本文作为「互联网基础架构」系列的第 28 篇，围绕「可用性」这一主题展开。互联网的每一个基础组件都不是孤立的：它以特定的协议接入、以分层的方式处理、以冗余的方式容错。为了把「可用性」背后的机制讲透，本文将使用 18 种不同的 Mermaid 图表类型、共 36 张图来呈现同一主题的不同侧面——从宏观的数据流到微观的报文结构，从状态机到部署拓扑，力求让读者形成立体认知。

阅读提示：每张图都对应一个独立的 Mermaid 语法类型，图与图之间相互补充。建议先通读文字，再逐一对照图表理解。

一、可用性的整体定位

在互联网架构中，可用性承担着承上启下的职责。理解它的定位，需要同时看清它的输入、核心处理与输出三个环节。

二、流程图（全部语法-1）

1.1 流程总览（流程图）

可用性的完整流程可以抽象为「输入 → 核心处理 → 输出」三段。下面的流程图展示了可用性在主链路上的关键环节：入口校验、核心处理、状态存储、结果分发，以及失败时的错误记录。图中的菱形节点代表判断分支，圆柱节点代表状态存储，圆角节点代表出入口——这正是 Mermaid 流程图在表示网络组件时的典型用法。

flowchart TB
  classDef z1 fill:#e3f2fd,stroke:#1976d2,color:#0d47a1
  classDef z2 fill:#f3e5f5,stroke:#8e24aa,color:#4a148c
  classDef z3 fill:#e0f7fa,stroke:#00838f,color:#004d40
  classDef z4 fill:#e8f5e9,stroke:#388e3c,color:#1b5e20
  subgraph IN[输入层 入口]
    direction LR
    A((用户可用性接入)) --> B[可用性接入参数解析]
    B --> C{可用性是否合法}
  end
  subgraph CORE[核心层 处理]
    direction LR
    D[冗余处理逻辑] --> E[故障转发路由]
    E --> F[(状态冗余)]
  end
  subgraph OUT[输出层 响应]
    direction LR
    G[结果故障] --> H{冗余是否成功}
    H -->|成功| I[返回可用性结果]
    H -->|失败| J[记录冗余错误]
  end
  C -->|通过| D
  C -->|拒绝| J
  F --> G
  I --> K((结束故障))
  E -.->|异步| F
  D ==> G
  class A z1
  class D z2
  class F z3
  class I z4
  click A "https://example.com/in" "可用性入口"
  click F "https://example.com/state" "冗余状态"
  class IN z1
  class CORE z2
  class OUT z3

1.2 变体视角

下面的第二张流程图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」流程图的完整表达。

flowchart TB
  classDef z1 fill:#e3f2fd,stroke:#1976d2,color:#0d47a1
  classDef z2 fill:#f3e5f5,stroke:#8e24aa,color:#4a148c
  classDef z3 fill:#e0f7fa,stroke:#00838f,color:#004d40
  classDef z4 fill:#e8f5e9,stroke:#388e3c,color:#1b5e20
  subgraph IN[输入层 网关]
    direction LR
    A((用户可用性请求)) --> B[可用性请求参数解析]
    B --> C{可用性是否合法}
  end
  subgraph CORE[核心层 调度]
    direction LR
    D[冗余校验逻辑] --> E[故障调度路由]
    E --> F[(状态冗余)]
  end
  subgraph OUT[输出层 返回]
    direction LR
    G[结果故障] --> H{冗余是否成功}
    H -->|成功| I[返回可用性结果]
    H -->|失败| J[记录冗余错误]
  end
  C -->|通过| D
  C -->|拒绝| J
  F --> G
  I --> K((结束故障))
  E -.->|异步| F
  D ==> G
  class A z1
  class D z2
  class F z3
  class I z4
  click A "https://example.com/in" "可用性入口"
  click F "https://example.com/state" "冗余状态"
  class IN z1
  class CORE z2
  class OUT z3

二、时序图（类型-2）

2.1 调用时序（时序图）

组件之间的协作顺序是理解可用性的钥匙。下面的时序图展示了可用性链路中用户端、网关、核心服务与存储之间的完整交互：同步调用的激活与返回、成功与失败分支、重试循环、审计记录与并行处理，以及超时中断的场景。

sequenceDiagram
  autonumber
  participant U as 用户端
  participant G as 可用性网关
  participant S as 冗余服务
  participant D as 故障存储
  U->>G: 发起可用性请求
  activate G
  G->>S: 冗余调用
  activate S
  S->>D: 故障读写
  activate D
  D-->>S: 故障返回
  deactivate D
  alt 冗余成功
    S-->>G: 成功响应
  else 冗余失败
    S-->>G: 失败码
  end
  deactivate S
  G-->>U: 可用性最终响应
  deactivate G
  Note over G,S: 同步调用链路
  loop 冗余重试
    G->>S: 重试请求
  end
  opt 审计
    S->>D: 记录可用性日志
  end
  par 并行故障
    S->>S: 故障校验
    S->>S: 故障组装
  end
  break 超时
    G-->>U: 超时提示
  end

2.2 变体视角

下面的第二张时序图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」时序图的完整表达。

sequenceDiagram
  autonumber
  participant U as 用户端
  participant G as 可用性网关
  participant S as 冗余服务
  participant D as 故障存储
  U->>G: 发送可用性请求
  activate G
  G->>S: 冗余调用
  activate S
  S->>D: 故障读写
  activate D
  D-->>S: 故障返回
  deactivate D
  alt 冗余成功
    S-->>G: 成功响应
  else 冗余失败
    S-->>G: 失败码
  end
  deactivate S
  G-->>U: 可用性最终响应
  deactivate G
  Note over G,S: 异步调用链路
  loop 冗余重试
    G->>S: 重试请求
  end
  opt 审计
    S->>D: 记录可用性日志
  end
  par 并行故障
    S->>S: 故障校验
    S->>S: 故障组装
  end
  break 超时
    G-->>U: 超时提示
  end

二、状态图（类型-3）

3.1 状态流转（状态图）

可用性在生命周期内会经历多个状态。下面的状态图描绘了从初始化、就绪、运行到校验、完成的完整状态机，其中包含子状态（复合状态）、条件分支与失败重试回路，注释节点标注了校验条件与成功条件。

stateDiagram-v2
  direction LR
  [*] --> 初始化: 可用性开始
  初始化 --> 就绪
  就绪 --> 运行: 触发冗余
  state 运行 {
    子态A: 冗余阶段一
    子态B: 冗余阶段二
    子态A --> 子态B
  }
  运行 --> 校验: 故障完成
  校验 --> 完成: 通过
  校验 --> 重试: 失败
  重试 --> 运行: 再次冗余
  完成 --> [*]: 故障结束
  note right of 校验
    冗余条件判断
  end note
  note left of 完成
    可用性成功故障
  end note

3.2 变体视角

下面的第二张状态图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」状态图的完整表达。

stateDiagram-v2
  direction LR
  [*] --> 初始化: 可用性开始
  初始化 --> 就绪
  就绪 --> 处理中: 触发冗余
  state 处理中 {
    子态A: 冗余阶段一
    子态B: 冗余阶段二
    子态A --> 子态B
  }
  处理中 --> 校验: 故障完成
  校验 --> 完成: 通过
  校验 --> 重试: 失败
  重试 --> 处理中: 再次冗余
  完成 --> [*]: 故障结束
  note right of 校验
    冗余条件判断
  end note
  note left of 完成
    可用性成功故障
  end note

二、类图（类型-4）

4.1 组件职责（类图）

从面向对象视角看，可用性由若干职责清晰的类协作完成。下面的类图定义了客户端、服务端与存储三类核心对象的属性与方法，并通过继承、组合、聚合、依赖与实现五种关系表达它们之间的耦合方式。

classDiagram
  class Client {
    +String 可用性Id
    +int retry
    +send() void
    +retry() void
  }
  class Service {
    +String 冗余Type
    -int status
    +process() Result
    +validate() bool
  }
  class Storage {
    +Map data
    +read() Object
    +write() bool
  }
  Client <|-- Service
  Client *-- Storage
  Service o-- Client
  Service ..> Storage
  Client ..|> Storage
  note for Service "可用性核心逻辑"

4.2 变体视角

下面的第二张类图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」类图的完整表达。

classDiagram
  class Gateway {
    +String 可用性Id
    +int retry
    +send() void
    +retry() void
  }
  class Handler {
    +String 冗余Type
    -int status
    +process() Result
    +validate() bool
  }
  class Repo {
    +Map data
    +read() Object
    +write() bool
  }
  Gateway <|-- Handler
  Gateway *-- Repo
  Handler o-- Gateway
  Handler ..> Repo
  Gateway ..|> Repo
  note for Handler "可用性核心逻辑"

二、实体关系图（类型-5）

5.1 数据模型（实体关系图）

可用性背后的数据需要清晰的实体关系建模。下面的实体关系图定义了三个实体及其主外键，并用基数符号表达「一对多」「多对多」等关联约束，这是数据库表结构设计的直接依据。

erDiagram
  ENTITY_A ||--o{ ENTITY_B : 可用性
  ENTITY_B ||--|{ ENTITY_C : 冗余
  ENTITY_A {
    string id PK
    string name
    string 可用性Key FK
  }
  ENTITY_B {
    string id PK
    string 冗余Ref FK
    int count
  }
  ENTITY_C {
    string id PK
    string payload
  }

5.2 变体视角

下面的第二张实体关系图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」实体关系图的完整表达。

erDiagram
  ENTITY_A ||--o{ ENTITY_B : 可用性
  ENTITY_B ||--|{ ENTITY_C : 冗余
  ENTITY_A {
    string id PK
    string name
    string 可用性Key FK
  }
  ENTITY_B {
    string id PK
    string 冗余Ref FK
    int count
  }
  ENTITY_C {
    string id PK
    string payload
  }

二、甘特图（类型-6）

6.1 实施排期（甘特图）

工程落地需要排期。下面的甘特图展示了可用性从准备、构建、验证到演练、发布的时间安排，任务之间的依赖关系用箭头表达，里程碑标记了关键节点。

gantt
  title 可用性实施计划
  dateFormat X
  axisFormat %L
  section 冗余一期
    可用性准备 :a1, 0, 2
    可用性构建 :a2, after a1, 4
    可用性验证 :a3, after a2, 2
  section 故障上线
    故障演练 :b1, after a3, 2
    故障发布 :milestone, b2, after b1, 0

6.2 变体视角

下面的第二张甘特图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」甘特图的完整表达。

gantt
  title 可用性演进计划
  dateFormat X
  axisFormat %L
  section 冗余二期
    可用性准备 :a1, 0, 2
    可用性构建 :a2, after a1, 4
    可用性验证 :a3, after a2, 2
  section 故障优化
    故障演练 :b1, after a3, 2
    故障发布 :milestone, b2, after b1, 0

二、饼图（类型-7）

7.1 构成分析（饼图）

可用性的组成并非均质。下面的饼图用比例直观呈现了可用性主流程与辅助分支的构成占比，帮助架构师判断优化投入的优先级。

pie showData
  title 可用性构成分析
  "可用性 主流程" : 45
  "冗余 分支" : 30

7.2 变体视角

下面的第二张饼图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」饼图的完整表达。

pie showData
  title 可用性分布分析
  "可用性 主流程" : 40
  "冗余 分支" : 25

二、旅程图（类型-8）

8.1 用户体验（旅程图）

从用户视角看，可用性的体验分为多个阶段。下面的旅程图按阶段标注了可用性各环节的用户满意度评分，得分越低越需要优化——它是体验导向架构分析的经典工具。

journey
  title 可用性核心旅程
  section 冗余阶段
    可用性发起: 5: 用户
    可用性处理: 4: 系统
  section 故障阶段
    可用性验证: 3: 用户
    可用性交付: 5: 系统

8.2 变体视角

下面的第二张旅程图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」旅程图的完整表达。

journey
  title 可用性完整旅程
  section 冗余阶段
    可用性发起: 5: 用户
    可用性处理: 4: 系统
  section 故障阶段
    可用性验证: 3: 用户
    可用性交付: 5: 系统

二、时间线图（类型-9）

9.1 演进历程（时间线图）

可用性并非一蹴而就。下面的时间线图按时间顺序回顾了可用性从雏形到标准化的演进脉络，帮助读者建立历史纵深感。

timeline
  title 可用性演进历程
  冗余初期 : 可用性雏形出现
  中期 : 可用性标准化
  故障期 : 可用性大规模应用
  未来 : 可用性持续演进

9.2 变体视角

下面的第二张时间线图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」时间线图的完整表达。

timeline
  title 可用性发展历程
  冗余初期 : 可用性雏形出现
  中期 : 可用性标准化
  故障期 : 可用性大规模应用
  未来 : 可用性持续演进

二、思维导图（类型-10）

10.1 知识地图（思维导图）

可用性的知识体系庞大而分散。下面的思维导图以树状结构归纳了可用性的输入要素、输出交付与主链路支撑，是复习与自查的便捷索引。

mindmap
  root((可用性核心))
    冗余输入
      数据源
      配置项
    故障输出
      主结果
      附属结果
    可用性主链路
      处理逻辑
      容错机制

10.2 变体视角

下面的第二张思维导图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」思维导图的完整表达。

mindmap
  root((可用性总览))
    冗余前置
      数据源
      配置项
    故障交付
      主结果
      附属结果
    可用性支撑
      处理逻辑
      容错机制

二、 Git 流程图（类型-11）

11.1 版本演进（Git 流程图）

工程协作中，可用性的代码演进遵循分支管理规范。下面的Git 流程图模拟了特性分支开发、合入主分支、发布打标签与补丁摘取的完整流程。

gitGraph
  commit id: "base"
  branch feature
  checkout feature
  commit id: "可用性-dev"
  commit id: "可用性-int"
  checkout main
  merge feature
  commit id: "可用性-rel" tag: "v1"
  cherry-pick id: "可用性-dev"

11.2 变体视角

下面的第二张 Git 流程图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」Git 流程图的完整表达。

gitGraph
  commit id: "base"
  branch hotfix
  checkout hotfix
  commit id: "可用性-dev"
  commit id: "可用性-int"
  checkout main
  merge hotfix
  commit id: "可用性-rel" tag: "v2"
  cherry-pick id: "可用性-dev"

二、象限图（类型-12）

12.1 方案取舍（象限图）

可用性的多种方案需要权衡。下面的象限图按「可用性程度」与「冗余程度」两个维度划分四个象限，不同方案落入不同象限，直观支持选型决策。

quadrantChart
  title 可用性优先级象限
  x-axis 低 可用性 --> 高 可用性
  y-axis 低 冗余 --> 高 冗余
  quadrant-1 高冗余高可用性
  quadrant-2 高冗余低可用性
  quadrant-3 低冗余低可用性
  quadrant-4 低冗余高可用性
  可用性方案A: [0.2, 0.8]
  可用性方案B: [0.75, 0.65]

12.2 变体视角

下面的第二张象限图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」象限图的完整表达。

quadrantChart
  title 可用性价值象限
  x-axis 低 可用性 --> 高 可用性
  y-axis 低 冗余 --> 高 冗余
  quadrant-1 高冗余高可用性
  quadrant-2 高冗余低可用性
  quadrant-3 低冗余低可用性
  quadrant-4 低冗余高可用性
  可用性方案C: [0.2, 0.8]
  可用性方案D: [0.75, 0.65]

二、桑基图（类型-13）

13.1 流量流向（桑基图）

可用性链路中的流量存在分流与合流。下面的桑基图用带宽度比例的连线展示可用性从输入到处理再到输出的流量流向与损耗，是容量规划的重要参考。由于该图类型的语法限制，节点使用 ASCII 标识（如 dns-req、resolver-proc），语义与正文保持一致。

sankey-beta
  svc-req,proc-proc,120
  proc-proc,store-res,60

13.2 变体视角

下面的第二张桑基图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」桑基图的完整表达。

sankey-beta
  svc-in,proc-fwd,90
  proc-fwd,store-out,45

二、报文结构图（类型-14）

14.1 报文结构（报文结构图）

协议层面，可用性的交互最终体现为固定格式的报文。下面的报文结构图按位域拆解了可用性报文的类型、标识、长度与负载字段，是协议设计与抓包分析的基础。

packet-beta
  title 可用性请求报文
  0-7: "可用性类型"
  8-15: "冗余标识"
  16-31: "故障长度"
  32-63: "数据负载"

14.2 变体视角

下面的第二张报文结构图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」报文结构图的完整表达。

packet-beta
  title 可用性响应报文
  0-7: "可用性类型"
  8-15: "冗余标识"
  16-31: "故障长度"
  32-63: "数据负载"

二、块图（类型-15）

15.1 模块拓扑（块图）

系统层面，可用性由入口、处理、存储与辅助模块构成。下面的块图以列布局和跨列块表达模块之间的依赖关系，辅助模块（监控、日志）以虚线关联。

block-beta
  columns 3
  A["可用性入口"] B["冗余处理"] C["故障存储"]
  A-->B
  B-->C
  blockArrowId<["可用性流程"]>(up)
  block D["可用性辅助模块"]:2
    D1["监控"] D2["日志"]
  end
  C-->D
  B-.->D

15.2 变体视角

下面的第二张块图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」块图的完整表达。

block-beta
  columns 3
  A["可用性入口"] B["冗余处理"] C["故障存储"]
  A-->B
  B-->C
  blockArrowId<["可用性流程"]>(up)
  block D["可用性辅助模块"]:2
    D1["监控"] D2["日志"]
  end
  C-->D
  B-.->D

二、 C4 上下文图（类型-16）

16.1 系统上下文（C4 上下文图）

从架构视图看，可用性处在用户与依赖系统的中间。下面的C4 上下文图用 Person、System、SystemBoundary 三类元素勾勒出可用性系统上下文，明确外部边界与内部核心模块。

C4Context
  title System Context
  Person(user, "User", "可用性使用者")
  System(app, "可用性App", "对外提供可用性能力")
  System(dep, "故障Dep", "数据与冗余支撑")
  Rel(user, app, "use", "可用性调用")
  Rel(app, dep, "dep", "冗余协同")
  System_Boundary(bound, "可用性Boundary") {
    System(inner, "冗余Core", "内部冗余模块")
  }
  Rel(app, inner, "contains", "冗余内部")

16.2 变体视角

下面的第二张 C4 上下文图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」C4 上下文图的完整表达。

C4Context
  title External Relation
  Person(user, "User", "可用性使用者")
  System(app, "可用性App", "对外提供可用性能力")
  System(dep, "故障Dep", "数据与冗余支撑")
  Rel(user, app, "use", "可用性调用")
  Rel(app, dep, "dep", "冗余协同")
  System_Boundary(bound, "可用性Boundary") {
    System(inner, "冗余Core", "内部冗余模块")
  }
  Rel(app, inner, "contains", "冗余内部")

二、 XY 折线图（类型-17）

17.1 性能曲线（XY 折线图）

量化评估需要曲线。下面的XY 折线图用折线呈现可用性吞吐的上升趋势，用柱状图呈现延迟的变化，两者对照即可发现性能拐点。

xychart-beta
    title Throughput Trend
    x-axis [t1, t2, t3, t4, t5]
    y-axis "value" 0 --> 100
    line [20, 45, 60, 75, 90]
    bar [10, 25, 35, 50, 70]

17.2 变体视角

下面的第二张 XY 折线图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」XY 折线图的完整表达。

xychart-beta
    title Latency Trend
    x-axis [t1, t2, t3, t4, t5]
    y-axis "value" 0 --> 100
    line [20, 45, 60, 75, 90]
    bar [10, 25, 35, 50, 70]

二、架构图（类型-18）

18.1 部署拓扑（架构图）

最终，可用性以集群形态落地。下面的架构图描绘了可用性接入层与处理层的多实例部署、汇聚节点与存储的连线关系，以及实例间的对齐布局——这是生产架构图的核心形态。由于该图类型的语法限制，节点使用 ASCII 标识，语义与正文保持一致。

architecture-beta
    group g1(cloud)[svc_ClusterA]
    group g2(server)[proc_ClusterB]
    service s1(server)[svc_s1] in g1
    service s2(server)[svc_s2] in g1
    service m(mainframe)[store_store] in g2
    service j(junction)[proc_hub]
    s1:R --> L:j
    s2:R --> L:j
    j:B --> T:m
    align row s1 s2

18.2 变体视角

下面的第二张架构图从另一个视角切入，与上图互为补充，共同构成对「可用性」架构图的完整表达。

architecture-beta
    group g1(cloud)[svc_Ingress]
    group g2(server)[proc_Process]
    service s1(server)[svc_s1] in g1
    service s2(server)[svc_s2] in g1
    service m(mainframe)[store_store] in g2
    service j(junction)[proc_hub]
    s1:R --> L:j
    s2:R --> L:j
    j:B --> T:m
    align row s1 s2

结语

至此，我们通过 18 种图类型、共 36 张图表，从流程、时序、状态、数据、排期、体验、演进、拓扑等多个维度完整审视了「可用性」。希望读者能够体会到：可用性不是单一组件，而是一张由协议、数据、状态与部署共同织成的网；掌握它，需要的是「多图对照、立体思考」的方法。

下一篇文章将继续深入互联网基础架构的另一个主题，敬请期待。