电商抢购秒杀系统的设计_1_应用场景分析
概述
所谓知已知彼，百战不殆，在开始详细介绍实战中的抢购秒杀系统时，我们了解一些抢购秒杀系统系统面临的尴尬与难点。另外需要说明一点，下面的内容都是在工作中慢慢总结得来，我们团队也是慢慢摸着石头过河，甚至最初的的架构设计并非是抢购秒杀系统。
评估系统处理能力
理论基础：LNMP的并发考虑与资源分配
虽然有基础去评估我们应用系统的处理能力，但是电商购买的业务流程挺复杂，从登录，商品详情，购物车，填写收货地址，选择支付方式，创建订单，完成支付，以及隐含的定时服务，限购策略，库存操作，排队机制等一系列的业务逻辑，每个请求的处理时间都不一样。那么根据木桶原理，一只水桶能将多少水取决于它最短的那块木板，分析整个业务流程中最耗系统资源的请求，以此为标准为评估系统处理能力。
场景
我们是一个做特卖秒杀抢购的电商平台，我们的商品异常火爆且价格低廉价，这就给网络黄牛带了巨大的利润空间。为了让真正的平台用户受益，改善用户体验，提高用户留存率，我们在产品业务、技术实现上尝试了很多方法，都没有完美解决黄牛刷单的问题。
目标
话说回来，让黄牛买不到商品，不是单纯技术能够解决的问题。我们要解决的问题是，由于黄牛大规模的请求登录接口、商品详情页接口、下单接口导致在抢购开始前后的流量峰值直接翻了上千倍，最终导致服务不可用。在不增加硬件成本的情况下，解决短时间内大流量导致的服务不可用。
产品特征
以H5应用为主站主要流量入口，支持QQ、微信、微博等平台用户登录购买，嵌入到某流行的资讯客户端。另外，也有单独的特卖安卓客户端、IOS客户端。
刷单特征
账号
黄牛每次抢购活动注册新用户，由于平台流量大部分来自某新闻客户端，客户端的账号体系为弱账号体系，可以绑定手机号也可以解除绑定，每次重新绑定都会生成新的用户ID。同时平台也允许非手机号注册的用户下单购买商品，用户的收货地址的联系电话可以和注册账号的手机号不一致。另一方面，黄牛在淘宝花钱可以购买大量的平台新注册账号，真是术业有专攻。
IP库
在云服务盛行的互联网时代，黄牛以很低的成本可以获得上万的IP及主机，IP分布在全球各地。
频次
黄牛刷单时访问频次不是很高，在拥有大量账号、IP的情况下，访问频次低也可以抢购到商品。
破解原生App
黄牛的技术很强，将混淆加密后的原生客户端破解，将其中的加密算法重写，升级抢购软件。
CC攻击
黄牛为了避免预约用户将商品提前抢光，联合全国的黄牛同时高频次的访问网站数据接口，导致网站由于大流量下不堪重负，从而服务不可用，在预约提前购买时间过去（黄牛的目的是堵住预约用户购买），全网用户均可购买时，慢慢的减少流量，任意下单购买商品。
产品与技术措施
产品业务角度
预约购买
全网用户提前预约，具有预约购买资格的用户可享受提前入场下单购买。预约需要绑定手机号，输入验证码（短信和图片）。
抢购排队
为了应对短时间内的大流量请求，采用排队购买机制，用户提交购买请求后立即返回，等待后端处理结果。
引流
在预知大流量不可控时，将H5主站流量引到原生的客户端APP内进行抢购。
技术防守角度
验证码
在抢购开始时，下单购买某商品必须输入验证码。在一定时间内，对于访问库存为0的用户请求，超过一定频次后要求输入验证码。打码云服务很多，理论上字符验证码均可识别，甚至人工打码，但是提高了刷单成本。
IP禁止策略
通过nginx的lua扩展，在单位时间内同用户相同IP请求同一URL进行计数，在nginx层面进行限流。IP级别下，控制不好，误杀太多或者起不了作用。
fastcgi请求计数
设定PHP可并发处理请求的最大值，nginx交给PHP的请求都进行计数+1，fastcgi完成后进行-1。由于nginx+php-fpm高并发情况下，做到原子的计数很难。
队列
引入消息队列和长连接服务，用户请求排队购买，后端进行流量控制，发放资格号，通过长连接通知用户的处理结果。
静态化
将商品详情页静态化，静态页面的请求直接由CDN返回。
建立黄牛账号库
经过几次大规模的抢购后，黄牛账号有限，将积累的黄牛账号入库，在下次抢购时，载入内存，降低购买优先级或者直接拒绝请求。
增加服务器
从原有的几台服务器，扩容到几十台服务器，每个服务都部署负载均衡、高可用。如多级缓存、nginx与php-fpm分离、长连接服务器集群等等。
可伸缩架构
抢购开始前准备上百倍的服务器数量，所有的服务均可横向扩展，提高处理能力。
上面交待了挺多的做抢购平台的一些场景、特征、措施，涉及的产品和技术的面广，我认为最重要的是解决网站服务不可用或者宕机的问题，我们在nginx层面做了很多努力与尝试，另外nginx在防CC攻击方面有一些成熟的方案，下面详述，下一阶段研究nginx源码。
nginx请求限制模块
ngx_http_limit_conn_module
限制连接数模块
通常用来限制同一IP地址的可并发连接数
指令说明：http://nginx.org/en/docs/http/ngx_http_limit_conn_module.html
需要注意的是$binary_remote_addr而不是$remote_addr，$remote_addr的长度为7到15个字节，它的会话信息的长度为32或64 bytes，$binary_remote_addr的长度为4字节，会话信息的长度为32字节，这样设置1M的一个zone时，用$binary_remote_addr方式，该zone将会存放32000个会话。
ngx_http_limit_req_module
限制请求数模块
通常用来限制同一IP地址单位时间可完成的请求数，限制的方法是采用漏桶算法(Leaky Bucket)，每秒处理固定请求数量，推迟过多请求，超过桶的阀值，请求直接终止返回503。
指令说明：http://nginx.org/en/docs/http/ngx_http_limit_req_module.html
基于nginx的Tengine分支ngx_http_limit_req_module
nginx类似，不过支持多个变量，并且支持多个limit_req_zone及forbid_action的设置。
指令说明：http://tengine.taobao.org/document_cn/http_limit_req_cn.html
基于nginx的Senginx分支的ngx_http_limit_req_module
称之为基于条件的限速功能，在Tenginer的limit_req模块基础上，增加condition参数，在条件为真时执行限制动作。
基于nginx的Senginx分支的ngx_http_ip_behavior
称之为行为识别模块，访问行为识别模块的作用是对用户访问网站的行为进行监控
基于nginx的Senginx分支的ngx_http_robot_mitigation
指令说明：http://www.senginx.org/cn/index.php/Robot_Mitigation%E6%A8%A1%E5%9D%97
称之为HTTP机器人缓解，Robot Mitigation模块采用了一种基于“挑战”的验证方法，即向客户端发送特定的、浏览器能解析的应答，如果客户端是真实的浏览器，则会重新触发请求， 并带有一个特定的Cookie值，Robot Mitigation模块会依据此Cookie的信息来决定是否放行此请求。
最后
基于上述的场景、特征、nginx限制模块的调研和分析，我们完全可以通过灵活的nginx配置来解决CC攻击威胁。使用了Senginx，灵活运用基于条件的限速功能，行为识别模块，机器人缓解模块。今天先聊到这儿，后续会总结出本文提到的很多技术细节。