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使用 Amazon DynamoDB 全局表构建弹性应用程序：第 1 部分
示例应用程序
首先，让我们考虑一个示例应用程序，它使用 DynamoDB 实现持久性，使用 AWS Lambda 函数实施业务逻辑，并使用 Amazon API Gateway 向外部用户提供接口（如下图 1 所示）。在此示例中，您在 us-west-2 区域中部署应用程序。
图 1：部署在一个区域中的示例应用程序架构
该示例是一个简单的订单处理应用程序，提供了两个方法：用于创建订单的 POST 方法和用于检索订单的 GET 方法。要创建订单，应用程序必须验证下订单的客户存在，产品存在且有现货。
以下图 2 所示的基本架构基于 DynamoDB 事务示例。它包括三个表：一个用于客户，另一个用于订单，第三个用于产品目录。分区键分别是客户 ID、订单 ID 和产品 ID。创建订单时，您需要确认客户 ID 有效并且商品有现货，将商品标记为售出，最后创建订单。读取订单时，您从订单表中读取订单，并从产品目录表中读取相关产品详细信息。
图 2：基本架构
区、区域和全球服务
在讨论示例应用程序的理论可用性之前，我们先回顾一下区、区域和全球服务之间的差异。
有些 AWS 服务限定在区中，这意味着该服务提供的资源仅限于单个可用区。Amazon Elastic Compute Cloud（Amazon EC2）就是一个例子。EC2 运行在特定的区中。如果您的应用程序中使用了 EC2 实例，并且该区域发生了可用性事件，那么您的应用程序可能会受到影响，除非您在其他区中设置了资源。利用 Elastic Load Balancing 等 AWS 服务以及自动扩缩组等功能，应用程序可以更轻松地跨多个区域并承受单个区域中的可用性事件。另请注意，可用性事件很少意味着整个区出现故障；可用性事件可能更多地涉及到日常问题，例如服务中的错误率升高。
另一些 AWS 服务是区域性的，这意味着该服务提供的资源分布在一个区域内，这样单个可用区出现故障时它们可以继续运行。提供持久性的服务会跨多个区复制数据。
例如，DynamoDB 在一个区域的三个可用区之间复制数据。如果您的应用程序完全使用区域服务，则不必担心区故障。
还有一些 AWS 服务是全球性的。例如，如果您在 Amazon Route 53 中创建了一条 DNS 记录，该服务会自动使记录在全球范围内可用。Route 53 资源并未限定在单个区域。
计算可用性
务必需要明确，理论上的可用性计算会假定故障事件是相互独立的，而软件或操作错误通常不会遵守这种假设。而且静态稳定性实践同样也很重要。静态稳定性要求在故障事件期间，应用程序的工作方式与正常运行期间的运行方式相同。例如，如果应用程序在三个可用区中运行，您可能会将基础容量平均分配给所有三个可用区。如果其中一个可用区出现故障事件，您可以计划增加另外两个可用区的容量来补偿。但是该计划假定了底层控制面板 API 运行正常，可以预置额外的容量。在这种情况下，更具弹性的设计是在每个可用区预置 50% 的容量，尽管成本会增加。
在本文的其余部分中，我在计算理论可用性水平时，只考虑了示例应用程序使用的 AWS 服务。许多 AWS 服务提供可用性服务等级协议（SLA，Service Level Agreement），但这并不保证可用性，而是定义了这样一些条件，如果服务未能满足其 SLA，那么您就有资格享受服务抵扣金。
在单区域案例中，DynamoDB 为标准表提供 99.99% 的 SLA，API Gateway 和 Lambda 均提供 99.95% 的 SLA。您的应用程序使用的 AWS 服务，在单个区域中满足其 SLA 的概率如下所示：
为了进行比较，假设您使用 Amazon EC2 而不是 Lambda 进行计算，并且使用单个可用区。在这种情况下，Amazon EC2 SLA 为 99.5%。那么，应用程序的可用性如下所示：
通过使用区域服务而不是仅在单个可用区中提供的资源，应用程序的复合可用性从大约两个 9 提高到三个 9。如果您改为使用 DynamoDB 全局表并在多个区域中运行应用程序，会出现什么情况？ DynamoDB 全局表的 SLA 为五个 9。假设您使用 Route 53 将用户流量路由到最近的区域。Route 53 现在的 SLA 为 100%。
现在，在计算应用程序的复合可用性水平时，您的应用程序使用的 AWS 服务满足其 SLA 的概率如下所示：
请注意，这些联合概率计算中假设这三个概率是独立的。因为每个区域都是独立的，所以从 AWS 的角度来看，这是一个合理的假设。同样请注意，软件或操作故障很可能不遵守这些最初的假设。
您在至少一个区域中使用的 AWS 服务达到其 SLA 的概率是多少？ 首先，我们来定义 API Gateway 和 Lambda 在单个区域满足其 SLA 的概率：
如果您有两个区域，则至少有一个区域满足 SLA 的概率如下所示：
因此，在使用两个区域的情况下，您的应用程序可以使用所需 AWS 服务的概率如下所示：
按照相同的逻辑，在使用三个区域情况下的概率为 99.999%。可以合理地得出结论，使用两个区域可以获得非常接近五个 9 的概率，而三个区域则更接近于这一概率。实际上，选择使用哪个区域取决于分散在不同地理位置上用户群的弹性、成本和性能。本系列的第 3 部分中介绍的多区域模式可以扩展为涵盖两个以上的区域。
Amazon Builder’s Library 的文章 Minimizing correlated failures in distributed systems（最大限度减少分布式系统中的关联故障）深入分析了如何减少会影响多区域设计的关联故障类型。使用区域而不是单个可用区有助于防止单个区域中的基础设施问题，不过本文还讨论了减少非基础设施事件。我们将在第 4 部分中讨论部署管道时再次回到这一主题。
结论
在这篇文章中，您了解了区、区域和全球服务之间的区别，以及它们会如何影响简单的示例应用程序的可用性。在本系列的第 2 部分中，您将了解 DynamoDB 的一些重要特性以及它们与使用多区域的关系。
特别感谢为这篇文章做出了贡献的 Todd Moore、Parker Bradshaw 和 Kurt Tometich。
关于作者
Randy DeFauw 是 AWS 的高级首席解决方案架构师。他拥有密歇根大学电气工程硕士学位，其研究方向为自动驾驶汽车计算机视觉。他还拥有科罗拉多州立大学的工商管理硕士学位。Randy 曾在技术领域担任过各种职位，涉及的领域从软件工程直到产品管理。他于 2013 年进入大数据领域，不断探索该领域。他积极参与 ML 领域的项目，并在 Strata 和 GlueCon 等许多会议上发表演讲。