原文 From Zero to 50 Million Uploads per Day: Scaling Media at Canva
作为一款设计工具，Canva 吸引人的一个重要特色就是拥有数以亿计的照片和图形资源，支持用户上传个人素材。
Canva 于 2013 年推出，设立了一个包含大量照片和图形的资源服务器托管库，并允许用户上传自己的素材以用于设计。从发布之日起，Canva 的用户群就迅速扩大：现在我们的月活用户已超过一亿，Canva 用户每天上传 5000 万个媒体素材。为了支持这种快速增长，同时让用户能够全天二十四小时使用 Canva，我们必须不断改进 Canva 的媒体存储方式。
Canva 的微服务和媒体服务
我们采用微服务架构来构建 Canva，大多数服务面向资源，管理 Canva 内部不同资源的操作，例如用户、文档、文件夹和媒体。服务提供公开的 API，具有独立的持久性，并且每个服务都由一个小型工程师团队负责。
媒体服务的简化架构概述
Canva 的媒体服务管理媒体资源的操作并封装媒体资源的状态。对于每个媒体，服务都会存储：
- 资源的唯一标识 ID。
- 它的所属用户。
- 是否属于 Canva 媒体库。
- 外部资源信息。
- 状态（激活、已销毁或待删除）。
- 有关其内容的大量元数据，包括标题、创作者、关键词和颜色信息。
- 它的媒体文件及其存储位置。
媒体服务的读取次数多于写入次数，而且大多数媒体在创建后很少被修改。大多数媒体读取的都是最近创建的媒体，但官方图片库中的媒体除外。
MySQL 在 Canva：成长的烦恼
在 Canva 发展史的大部分时间里，大多数面向资源的微服务都是围绕托管在 AWS RDS 上的 MySQL，除了最繁忙的服务外，这已经足够了。最初，我们通过使用大实例对数据库进行纵向扩展，后来又进行了横向扩展，引入了最终一致性的只读副本，由 MySQL 读取副本提供支持的某些服务。
当对我们最大的媒体表进行 schema 变更操作开始需要耗时数天，问题开始显现。然后，MySQL 的在线 DDL 操作导致性能严重下降，以至于我们无法在为用户流量提供服务的同时执行这些操作。
幸运的是，就在这个时候，gh-ost项目开始流行起来，使我们能够在不影响用户的情况下安全地执行在线 schema 变更。然而，很快就出现了更多问题，包括：
- MySQL 5.6 复制速度的硬限制使得我们可读副本的写入速度达到了上限。
- 即使使用 gh-ost，schema 变更最终也需要长达六周的时间，这阻碍了功能的发布。
- 当时，我们已经接近 RDS MySQL EBS 卷大小（16TB）的极限。
- 我们注意到，EBS 卷大小的每次增加都会导致 I/O 延迟的小幅增加，这极大地影响了用户请求的长尾延迟。
- 为我们的正常生产环境流量提供服务需要一个热缓冲池，因此，如果不接受一定的停机时间，就无法进行实例重启和版本升级。
- 由于我们使用 ext3 文件系统通过快照创建了 RDS 实例，因此 MySQL 表文件的容量限制在 2TB。
调研替代方案，缩小差距
自 2015 年 1 月以来每月媒体增长情况和累计创建媒体数
2017 年年中，随着 Canva 媒体数量接近 10 亿，并呈指数级增长，我们开始调研迁移路径，并强烈倾向于采用渐进式方法，使我们能够继续扩大规模，而不是将所有赌注押在单一未经验证的技术选择上。
在这一点上，我们采取了多项措施来延长现有 MySQL 解决方案的使用寿命，其中包括：
- 将媒体内容元数据（schema 中最常修改的部分）迁移到 JSON 列中，其 schema 由媒体服务管理。
- 对一些表 de-normalize，以减少锁争用和连接
- 删除重复内容（例如，s3 存储桶名称）或将其改为更短的形式。
- 删除了外键约束。
- 改变媒体导入方式，减少元数据更新次数。
在 MySQL 解决方案的生命周期即将结束时，为了避开 2TB ext3 表文件大小限制、避免复制吞吐量上限，并为用户提高性能，我们实施了一个简单的分片解决方案。我们针对最常见的请求（加载设计时使用的 ID 查找）优化了解决方案，但对于不太常见的请求（如列出用户拥有的所有媒体），则通过低效的分散查询来收集。
应用程序分片简化图
与此同时，我们还对不同的长期解决方案进行了调研和原型设计。由于时间紧迫，我们更倾向于托管的解决方案，Canva 之前有使用 DynamoDB 服务（不太复杂）的经验，而且我们已经能够对其进行原型设计，因此选择了 DynamoDB 作为暂定的目标。然而，我们还需要验证它在实际工作负荷的运行情况。此外，我们还需要一个迁移策略，能够在不影响用户的情况下进行迁移，并在零停机时间内完成切换。下表是我们在这一过程中的早期想法。
各种数据库解决方案的比较
实时迁移
在设计迁移流程时，我们需要将所有旧的、新创建的和更新的媒体迁移到 DynamoDB。但也希望尽快减轻 MySQL 集群的负载。我们考虑了多个把数据从 MySQL 复制到 DynamoDB 的方案，包括：
- 在处理创建或更新请求时同时写入到两个数据存储系统。
- 构建并重放所有创建或更新操作的有序日志。
- AWS DMS。
我们决定采用这样一种方法：
- 让我们能够完全控制将数据映射到 DynamoDB 的方法。
- 允许我们逐步进行实时迁移。
- 通过首先迁移最近创建、更新和最近读取的媒体，尽早减轻 MySQL 集群的负载。
我们避免了生成有序日志的困难，也避免了编写自定义 MySQL binlog 解析器的困难，通过向 AWS SQS 队列发送消息来标记特定媒体的创建、更新或读取状态，这些消息不包括更新内容。工作实例会处理这些消息，从 MySQL 主库中读取当前状态，并在必要时更新 DynamoDB。这样，消息可以任意重新排序或重试，消息处理也可以暂停或减慢。
为了最终能从 DynamoDB 提供一致的读取服务，我们将写入的复制优先于读取：创建和更新消息放在高优先级队列中，读取消息放在低优先级队列中。工作实例从高优先级队列中读取，直到队列耗尽，然后再从低优先级队列中读取。
迁移过程中的写入
迁移过程中的读取
为了迁移剩余的媒体，我们实施了一个扫描流程，该流程会根据媒体的访问模式，从最近创建的媒体开始，扫描所有媒体，然后在低优先级队列中放置一条消息，将媒体复制到 DynamoDB。我们使用了反压机制 (backpressure)，只有当低优先级队列大致为空时，同步进程才会向前推进。
在迁移过程中进行扫描
在生产中进行测试
在开始完全从 DynamoDB 提供最终一致性读取之前，我们实施了双重读取和比较流程来测试我们的复制流程，该流程将 MySQL 的结果与新 DynamoDB 媒体服务实现进行了比较。在解决了复制流程中发现的问题后，我们开始从 DynamoDB 提供个别媒体的最终一致读取，对于尚未复制完成的少数媒体，则暂时回退到 MySQL。
由于我们是逐个复制媒体，因此在所有媒体复制到 DynamoDB 之前，无法提供不通过 ID 识别媒体的读取请求，例如查找用户拥有的所有媒体。扫描过程完成后，我们采用相同的方法从两个数据存储系统中读取数据，直到从 DynamoDB 提供所有最终一致的读取数据。
零停机时间切换和快速回滚策略
将所有写入切换到 DynamoDB 是整个过程中风险最大的部分。这需要运行新的服务代码来处理创建和更新请求，其中包括使用事务性写入和条件写入，以保证与之前的实施具有相同的合约。为了降低风险，我们采取了以下措施：
- 把针对媒体更新请求的集成测试迁移到了同时支持在 DynamoDB 上迁移过的媒体和直接在 DynamoDB 上创建的媒体。
- 将其他的集成测试迁移到了基于 DynamoDB 服务的实施中，并与 MySQL 的测试同时进行。
- 在本地开发环境中测试新实现。
- 使用端到端测试套件测试新实施。
- 编写切换运行手册，使用我们的标记系统，以便在需要时在几秒钟内将读取切服务器托管换回 MySQL。
- 在我们通过开发和预发环境推出变更时，对运行手册进行演练。
如下图所示，我们在生产中进行了无缝切换，没有出现停机或错误，媒体服务延迟也得到了显著改善。
媒体服务延迟，显示迁移期间延迟的中位数和 95 百分位数
经验教训
在迁移过程中，我们总结了以下经验教训：
- 偷懒。了解你的访问模式，如果可以，先迁移经常被访问到的数据。
- 实地操作。通过在生产环境中直接迁移，我们能够收集更多信息，及早发现并修复错误，同时也加深了对技术的使用和操作的理解。
- 在生产环境中测试。生产环境中的数据总是比测试环境中的数据更具启发性，所以在可能的情况下，应在生产环境中进行测试和检查。
DynamoDB 是正确的选择吗？
自迁移以来，Canva 的月活跃用户数量增长了两倍多，而 DynamoDB 表现极为稳定，随着我们的成长而自动扩展，成本也低于它所取代的 AWS RDS 集群。在迁移过程中，我们牺牲了一些便利性：schema 变更和回填现在需要编写并严格测试并行扫描迁移代码，我们失去了在 MySQL 副本上运行临时 SQL 查询的能力，不过我们现在通过 CDC 来满足我们数据仓库的这一需求。与其他许多使用 DynamoDB 的用户一样，我们需要复合全局二级索引来支持现有的访问模式，但令人惊讶的是，我们仍然需要通过将属性连接在一起来手动创建二级索引。值得庆幸的是，在 Canva 发展的现阶段，核心媒体元数据的结构相对稳定，新的访问模式很少出现。
如果我们今天面临同样的问题，我们会再次大力考虑成熟的托管 「NewSQL」产品，如 Spanner 或 CockroachDB。
当前，Canva 的媒体服务已经存储了超过用户上传的 250 亿个媒体，每天还有 5000 万个媒体素材上传。
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