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张晓丹：新一代两地三中心多活系统实践
张晓丹，原中国工商银行总行科技部负责人，现恒丰银行科技部总经理，他于2000年开始参与了中国金融界第一代数据中心建设，随着第二代数据中心逐步稳定，已经进入到第三代数据中心建设。第三代数据中心到底该怎么建?新一代两地三中心多活系统规划设计从概念到落地，张晓丹的经验值得考究。
恒丰银行科技部总经理 张晓丹
张晓丹在恒丰银行新的两地三中心建设过程中对BAT等云数据中心建设的经验和想法进行了梳理，将传统金融行业的高可用性、高安全性、高一致性与数据中心进行了融合。张晓丹说：&金融行业做两地三中心建设首先是有监管要求。银行监管要求规定：一千亿资产的银行需要进行两地三中心的建设;超过一千亿以上资产的银行要建设异地数据中心;一千亿资产规模以下建立同城数据中心，满足异地灾难性的要求。&
可用性与连续性应并重
金融行业做两地三中心建设需要提高可用性，包括如何高效的利用容量和资源控制成本。但多活数据中心系统数量与高可用性并不存在直接的线性关系，应将连续性和可用性做出界定，在具体实践中，张晓丹建议：可把连续性界定为同城的园区级或者地域级大型灾备概念，可用性面对的是一个业务应用系统整个的可用性。也就是设计灾备的时候一定要进行数据的同步控制，因为一个相对独立的系统不会受另外一个系统的影响，如果两个系统做数据的高度同步复制，一定会耦合在一起，反而影响整体的可用性。所以，连续性的发展，过渡重视了灾备，强调了灾备的RTO、RPO时间，从而反过来影响可用性。
银行等金融机构的传统IT架构一直在强调提高可用性，为了提高可用性，就会从不同层次上不断的增加冗余，不断的增加冗余后，最后带来的问题是成本很高，冗余容量很大，可能10%的最终冗余容量都用不掉。此外，冗余点越多，每个系统的耦合点越多，本质上也降低了系统的可用性。所以，如何提高可用性，平衡连续性，高效利用容量资源控制成本，这些都是两地三中心建设中要考虑的问题。
三中心地位应有区别
建设两地三中心，而不是强调三个中心一定多活。在传统数据复制技术无法消除本身的技术缺陷之前，三个中心的地位应有区别。生产中心地位最为重要，同城数据中心相对次要，异地中心地位稍低一些。这样的两地三中心构成一个相对多活的架构。
消除中心与中心之间的耦合度
新一代两地三中心多活系统要尽可能消除各个数据中心与中心之间的网络、应用、数据等各方面的耦合度，避免一个中心的问题会影响到另外一个中心。同时，应对应用系统进行连续性和可用性分析，对于不同级别的要求，赋予不同的技术方案、运维方案，以提供不同成本的一解决方案。
连续性分为技术的连续性和业务的连续性，业务的连续性就是当你的技术无法解决，要通过业务人员手工补数据等进行解决。数据中心连续性特性是为了防止出现站点级或者地域级灾难，地域级灾难也就是当城市整体出现海啸、地震、大面积停电、停水等地域级的问题。
国家针对连续性的分级标准，一般分为0到5级一共6级的分类，其核心指标包括RTO以及RPO。也就是当出现灾难时，另外一个地方进行恢复的时候是否会有丢失，最高级别的RPO就是数据丢失为零，或者接近零，同城和异地方案均需满足上述要求。
基础设施架构如何提升高可用性?
从基础设施架构方面如何提升可用性?从水的制冷功能，电力的冗余，甚至上游的水源是不是来自两个不同的水库?供电是否来自两个不同的发电站?包括数据中心是否建设在飞机的主航线下等等细节。
从存储级别、服务器系统级别、数据库中间件级别，运营级别分别进行不同的高可用的保证，最终达到高可用的指标。如果一个系统运行达到5个9的可用性，一年停机时间只能5分钟，4个9的可用性，系统一年的停机时间50分钟。需要达到4个9和5个9这样的指标不是靠运维，必须靠系统的冗余设计来解决。
可用性的设计主要考虑不同的冗余时间， 7&24或者5&8，冗余资源越来越多，最后成本会难以控制。
如何平衡连续性、可用性和容量?
对于不同的连续性级别，主中心配多少容量，同城配多少容量，异地配多少容量，需要有一个总体的规划。其设计需要平衡连续性、可用性和容量。
数据同步有三种方式，一是最大保护模式，最大可用模式以及最大性能模式，最大性能模式是两个数据库异步;最大保护模式是每一笔交易写下来，还要同时写到异地的数据中心，这个数据中心是同城的几十公里，或者异地的上千公里，另外一个数据中心写完后才可以回复上层应用已完成。但存在的问题是如果距离跨度大，性能会急剧下降，所以不可能上千公里的进行部署。在同城50公里范围内可以勉强支持，如果一笔交易中间出现问题，两个系统的耦合点出现异常，造成一笔交易不成，后续交易全部停在那儿。所以，一般没人太敢用这种模式。
最大可用模式，则是平时是双写，一旦侦测到同步的数据库有问题，或者两边的耦合线路有问题，质量下降，就把这个同步停下来，现在金融行业大部分用这个技术。银行交易量极大，比如工商银行、建设银行，一天的交易量达到三亿笔，如果数据不一致，几乎无法保障。传统银行是柜面上依据凭条进行交易目录，出问题后可以重新录一遍。但现在全部通过系统，一旦数据丢失，如想保障非常困难。
如何实现数据多活?
所以，在现有数据库复制技术环节下，很难做到三个中心的同等地位，在同城的两个中心也无法保证同样的地位。阿里现有一些技术可以在同城之间实现数据多活，在应用层能实现应用的多写。同时在多写的过程中实现三写两同步，其概念就是在同城有三个数据中心，一笔交易下来，同时往三个中心写，只要任意两个中心回复，系统即认为交易完成。当三个中心之间的耦合，如果任意两个中心出现了互通的不稳定，或者一个中心出现问题，也不会波及到另外两个中心的对外业务。当然，如果三个中心的耦合共同出了问题，对外服务自然也会中断。
张晓丹说：&基于上述思路，恒丰银行用一个全球的负载均衡，靠DNS自动把流量和数据***到两个数据中心。根据需要，有些流量也可以***到异地的第三个中心，Web层面及APP都是负载均衡，外面用户的访问可以均衡的分在两个中心和三个中心，每个中心可以均衡的负载多个节点，写节点又可以分在两个相对独立的中心模块，数据库尽可能解决多可用性，但是同城之间是一个热备，到异地可以是冷备。&
从张晓丹的介绍可以看出，上述整体方案不仅平衡了连续性要求，可用性要求，在容量方面也做了充分考虑，为金融行业新一代两地三中心多活系统提供了很好的实践。
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中心地理论（Central Place Theory）
　　中心地理论是由德国城市地理学家（）和德国经济学家（）分别于 1933年和 1940年提出的， 50年代起开始流行于英语国家，之后传播到其它国家，被认为是本世纪最重要的贡献之一。德国城市地理学家绍勒尔（P. Scholler）甚至说：“没有克里斯塔勒的中心地学说，便没有城市地理学，没有居民点问题的研究”。自中心地理论流行于世界后，唤起世界各国数量众多的学者去实践应用它，修正发展它，目前它已成为城市地理学中一个重要的研究领域。
　　克里斯塔勒曾经敏锐地提出过这样的问题：“我们探索这个原因，为什么城市有大有小？我们相信，城市一定有什么安排它的原则在支配着，仅仅是我们仍然不知道而已！”由此，他开始探索城市的分布规律。通过对德国南部城镇的调查，克里斯塔勒于1933年发表了《德国南部的中心地》一书，系统地阐明了中心地的数量、规模和分布模式，建立起了中心地理论。
　　克里斯塔勒创建中心地理论深受和区位论的影响，故他的理论也建立在“理想地表”之上，其基本特征是每一点均有接受一个中心地的同等机会，一点与其它任一点的相对通达性只与距离成正比，而不管方向如何，均有一个统一的交通面。后来，克氏又引入的假设条件，即生产者和消费者都属于经济行为合理的人的概念。这一概念表示生产者为谋取最大利润，寻求掌握尽可能大的市场区，致使生产者之间的间隔距离尽可能地大；消费者为尽可能减少旅行费用，都自觉地到最近的中心地购买货物或取得服务。生产者和消费者都具备完成上述行为的完整知识。条件的补充对中心地六边形网络图形的形成是十分重要的。
克里斯塔勒还提出以下概念：
　　（l）中心地（Central Place），可以表述为向居住在它周围地域（尤指农村地域）的居民提供各种货物和服务的地方。
　　（2）中心货物与服务（Central Good and Service），分别指在中心地内生产的货物与提供的服务，亦可称为中心地职能（Central Place Function）。中心货物和服务是分等级的，即分为较高（低）级别的中心地生产的较高（低）级别的中心货物或提供较高（低）级别的服务。
　　在大多数中心地，每一种中心货物或服务一般要由一家以上的企事业单位承担。例如，一个，往往有二三家或饮食店。每个担负一种中心地职能的单位，称为一个职能单位（Functional Unit）。可以肯定，中心地的职能单位数量必定大于或等于中心地职能种类的数量，通常总是前者的数量超过后者的数量。
　　除了几家单位共同提供一种中心货物或服务之外，也可能有一家单位提供多种中心货物或服务的场合，从而包括了几个职能单位。这种情况多见于、等大型组织。
　　（3）中心性（Centrality）或“中心度”。一个地点的中心性可以理解为一个地点对围绕它周围地区的相对意义的总和。简单地说，是中心地所起的中心职能作用的大小。一般认为，城镇的人口规模不能用来测量城镇的中心性，因为城镇大多是多功能的，人口规模是一个城镇在区域中的地位的综合反映。克里斯塔勒用城镇的***门数作为衡量中心性的主要指标，因为当时***已广泛使用，***门数的多少，基本上可以反映城镇作用的大小。
　　（4）服务范围。克里斯塔勒认为中心地提供的每一种货物和服务都有其可变的服务范围。范围的上限是消费者愿意去一个中心地得到货物或服务的最远距离，超过这一距离他便可能去另一个较近的中心地。以最远距离r为半径，可得到一个圆形的互补区域，它表示中心地的最大腹地。服务范围的下限是保持一项中心地职能经营所必需的腹地的最短距离。以为半径，也可得到一个圆形的互补区域，它表示维持某一级中心地存在所必需的最小腹地， 亦称之为需求门槛距离（Threshold），即最低必需销售距离。
　　服务范围上下限之间存在着三种关系，它们对进一步的分析具有重要意义：①如果门槛距离大于货物的最大销售距离，那么这种货物在该地区就不可能以正常的方式提供。②如果货物的最大销售距离和门槛距离相等，那么，经营该种货物正好能得到利润。③如果货物的最大销售距离大于门槛距离，那么，该项货物不仅可被提供，而且经营者还可从为居住在两个腹地间的人口服务中得到。
　　从以上条件出发，克里斯塔勒推导了在理想地表上的聚落分布模式。由于克里斯塔勒关心的是，在农村市场服务中心演化基础上发展起来的聚落体系的特征，他又提出了构成市场原则的两个限制因素：一是各级供应点必须达到最低数量以使商人的；二是一个地区的所有人口都应得到每一种货物的提供或服务。为满足第一个条件，模式的概括中就必须采用货物的最大销售距离，因为这可以使供应点的数量达到最少化。于是，作为第一步，克里斯塔勒假设在理想地表上均匀分布着一系列的B级中心地，它们的最高级别货物的最大销售距离定为r。这样，B级中心地之间的距离为2r。如将所有的B级中心地联接，则可得到一张有规则的等边三角形的网。
　　但是，这样的一个系统将不能满足第二个限制因素。因为B级市场区都是圆形的，居住在三个圆形相切所形成的空角里的消费者将得不到供应。因此，对上图必须作一些修改，这就是将所有的圆形市场区重叠起来。重叠后，B级中心地仍按有规则的等边三角形网排列，只是间隔更紧凑，其距离为d。此外，由于重叠区被分割，圆形的市场区被六边形的市场区所替代，其理由是消费者应按“最近中心地购物”的假设，选择距离自己最近的中心地去得到货物或服务。
　　至此，我们讨论了一种货物供应时的情况。实际上，一个中心地能提供多种货物。由于克里斯塔勒采用的是B级中心地最高等级货物最大销售距离的概念，这就意味着B级中心地还提供一系列较低级别的货物或服务。这些货物和服务组成一个连续的、递降的等级序列，自高级向低级，它们的最大销售距离分别为r-1，r-2，r-3…，但是，由于它们的最大销售距离均小于r，因此不能服务于B级中心地市场区的所有地方。随着货物级别的降低，较低级货物市场区的范围与B级中心地市场区的范围的差距将越来越大。在此情况下，一个较低级别的中心地，克里斯塔勒称之为K级中心地的出现就顺理成章了，它可以为B级中心地中的较低级货物服务不到的地方的居民服务。K级中心地的位置处于三个B级中心地所构成的等边三角形的中央，即引力中心的位置，因而可与B级中心地展开最有效的竞争。K级中心地市场区的边界由它所提供的最高级货物的最大销售距离e所决定。
　　与K级中心地产生的过程类似，在某项更低级的货物的最大销售距离上可产生相应级别的A级和M级中心地。作为一个反过程，则可能出现高于B级中心地的G级中心地，较低一级的中心地的位置总是在高一级的三个中心地所形成的等边三角形的中央，由此形成克里斯塔勒命名为K=3的中心地网络。
　　克里斯塔勒认为，有三个条件或原则支配中心地体系的形成，它们是市场原则、交通原则和行政原则。在不同的原则支配下，中心地网络呈现不同的结构，而且中心地和市场区大小的等级顺序有着严格的规定，即按照所谓K值排列成有规则的、严密的系列。
1.市场原则
　　如上所述，克里斯塔勒首先关心的是在农村市场中心基础上发展起来的聚落体系，因此他首先论述的也是按市场原则建立起来的中心地模型。按照市场原则，低一级的中心地应位于高一级的三个中心地所形成的等边三角形的中央，从而最有利于低一级的中心地与高一级的中心地展开竞争，由此形成K=3的系统。
　　低一级市场区的数量总是高一级市场区数量的3倍。由于每个中心地包括了低级中心地的所有职能，即一级中心地同时也是二级乃至更低级的中心地，所以，一级中心地所属的3个二级市场区内，只需在原有的一个一级中心地之外再增加两个二级中心地即可满足3个二级市场区的需要。在9个三级市场区内，因已有了一个一级中心地、两个二级中心地，因此只增加了六个三级中心地。这样，在K=3的系统内，不同规模中心地出现的等级序列是：
　　　　1，2，6，18，…
　　由市场原则形成的中心地等级体系的交通系统，是以高等级中心地为中心，有6条放射状的主干道联接次一级的中心地，又有6条也成放射状的次干道联结再次一等级的中心地。由于此种运输系统联系两个高一等级中心地的道路不通过次一级中心地，因此，被认为是效率不高的运输系统。
2.交通原则
　　克里斯塔勒认识到，早期建立的道路系统对聚落体系的形成有深刻影响，这导致B级中心地不是以初始的、随机的方式分布在理想化的地表上，而是沿着交通线分布。在此情况下，次一级中心地的分布也不可能象K=3的系统那样，居于三个高一级的中心地的中间位置以取得最大的竞争效果，而是位于联接两个高一级中心地的道路干线上的中点位置。
　　和K=3的系统比较，在交通原则支配下的六边形网络的方向被改变。高级市场区的边界仍然通过6个次一级中心地，但次级中心地位于高级中心地市场区边界的中点，这样它的腹地被分割成两部分，分属两个较高级中心地的腹地内。而对较高级的中心地来说，除包含一个次级中心地的完整市场区外，还包括6个次级中心地的市场区的一半，即 包括4个次级市场区，由此形成K=4的系统。在这个系统内，市场区数量的等级序列是：
　　　　1，4，16，64，…
　　次级市场区的数量以4倍的速度递增。与K=3的系统类似，由于高级中心地也起低级中心地的功能，在K=4的系统内，中心地数量的等级序列是：
　　　　1， 3， 12， 48，…
　　依交通原则形成的交通网，因次一级中心地位于联系较高一级中心地的主要道路上，被认为是效率最高的交通网，而由交通原则形成的中心地体系被认为是最有可能在现实社会中出现的。
3.行政原则
　　在K=3和K=4的系统内，除高级中心地自身所辖的一个次级辖区是完整的外，其余的次级辖区都是被割裂的，显然，这不便于。为此，克里斯塔勒提出按行政原则组织的K=7的系统。在K=7的系统中，六边形的规模被扩大，以便使周围6个次级中心地完全处于高级中心地的管辖之下。这样，中心地体系的行政从属关系的界线和供应关系的界线相吻合。
根据行政原则形成的中心地体系，每七个低级中心地有一个高级中心地，任何等级的中心地数目为较高等级的7倍（最高等级除外），即：
　　　　1，6，42，294，…
市场区的等级序列则是：
　　　　l，7，49，343，…
在K=7的系统内，由于其运输系统显示出每位顾客为购买中心性商品或享受服务所需旅行的平均距离较另两个系统都长，因此，行政原则下的运输系统被认为是效率最差的一种。
　　以上三个原则共同导致了（Urban Hierachy）的形成。克里斯塔勒认为，在开放、便于通行的地区，的原则可能是主要的；在山间盆地地区，客观上与外界隔绝，行政管理更为重要；年轻的国家与新开发的地区，交通线对移民来讲是“先锋性”的工作，交通原则占优势。克里斯塔勒得出结论：在三个原则共同作用下，一个地区或国家，应当形成如下的城市等级体系：A级城市1个，B级城市2个，C级城市6至12个，D级城市42至54个，E级城市118个。
　　第一，克氏的中心地理论是地理学由传统的区域个性描述走向对空间规律和法则探讨的直接推动原因，是现代地理学发展的基础。克氏作为地理学者初次把演绎的引入地理学，研究空间法则和原理，无疑是对地理研究思维方法的一大革命。也正因为这样，他被后人尊称为“理论地理学之父”。
　　第二，中心地理论是和的理论基础。具体表现在如下几个方面：一是关于城市等级划分的研究；二是关于都市与农村区域相互作用的研究；三是关于城市内和城市间的社会和经济空间模型的研究；四是关于城市区位和规模，以及职能为媒介的城市时空分布的研究；五是关于零售业和服务业的区位布局、规模和空间模型的研究。
　　第三，中心地理论是研究的理论基础之一。中心地与市场区域（也可看作为腹地）间的关系，对研究区域结构具有重要的意义。在区域规划中，按照中心地理论可合理地布局区域的公共服务设施和其它经济和社会职能。在这方面德国的研究成果和实际经验可值得参考。
　　克里斯塔勒的中心地理论尽管对地理学、和作出了巨大的贡献，但仍然存在一些不足之处。当然这种缺陷是从现在的眼光来看的。
　　第一，克里斯塔勒只重视商品供给范围的上限分析，即中心地的布局是按照上限大小来决定。虽然他也提出了商品的供给下限，但缺乏详细分析。对各种商品得到怎样程度的超额利润论述也不明确。
　　第二，在克里斯塔勒的中心地系统中，K值在一个系统中是固定不变的。事实上，由于区域的各种条件作用，所形成的区域模型各等级的变化用一个固定的K值无法概括。
　　第三，克里斯塔勒把消费者看作为“”，认为消费者首先是利用离自己最近的中心地。但在现实中，消费者的行为是多目标的。因此，消费者更倾向于在高级中心地进行经济或社会行为活动。这样会导致高级中心地的市场区域范围扩大，使中心地系统结构发生变形。
　　第四，克里斯塔勒忽视了集聚利益，事实上，同一等级或不同等级的设施集中布局会产生出集聚利益。而克氏只重视各等级中心设施的出现，对出现的数量不感兴趣。
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科目：高中地理
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