Netflix 系统架构解析

Netflix 架构旨在高效可靠地同时为数百万用户提供内容。以下是其特性和组件的详细分析。

是否曾好奇 Netflix 如何让您目不转睛地享受无中断的流畅播放体验？幕后功臣正是 Netflix 架构，它负责提供吸引全球观众的无缝流媒体体验。Netflix 的系统架构强调了决定未来内容形态的重要性。让我们一起探索 Netflix 流媒体宇宙的幕后故事！

Netflix 已成为娱乐、追剧和尖端流媒体服务的代名词。其迅速崛起可归因于庞大的内容库、全球覆盖以及弹性创新的架构。

从 1997 年的 DVD 租赁服务发展为全球流媒体巨头，Netflix 始终运用前沿技术革新着媒体消费方式。

Netflix 架构旨在高效可靠地同时为数百万用户提供内容。鉴于其在 190 多个国家拥有超过 2 亿会员，基础设施的可扩展性至关重要。

让我们深入探究 Netflix 架构的复杂性，揭示其如何持续塑造我们享受喜爱节目的方式。

理解 Netflix 系统架构的重要性

理解 Netflix 系统架构至关重要，原因包括：

首先，它揭示了 Netflix 如何为全球数百万用户提供无瑕疵的流媒体体验。通过探索架构细节，我们能更好地理解其成功背后的技术与策略。

此外，其他行业可将 Netflix 设计作为开发可扩展、可靠且高效系统的蓝图。其设计原则和最佳实践为构建复杂分布式系统提供了重要经验。

理解 Netflix 架构还能让我们认识到推动数字媒体消费发展的持续创新。

理解系统设计需求

系统设计对开发复杂软件或技术基础设施至关重要。这些规范是构建整个系统的基础，驱动决策并塑造最终产品。那么系统设计的先决条件是什么？为何如此重要？让我们进行探讨。

功能性需求

功能性需求规定了系统必须包含的功能和能力。这些规范概述系统主要目标，并详述各部件如何交互。以 Netflix 为例的流媒体平台功能性需求包括但不限于：

1. 账户创建: 用户应能轻松创建账户，提供注册所需信息。

2. 用户登录: 注册用户应能通过认证凭证安全登录。

3. 内容推荐: 平台应根据用户偏好和观看历史提供个性化建议。

4. 视频播放: 用户应能无缝播放视频，支持播放控制功能。

非功能性需求

非功能性需求定义系统在不同场景下的行为，确保满足特定质量要求。涵盖性能、可扩展性、可靠性、安全性和合规性等方面。以 Netflix 为例包括但不限于：

1. 性能需求: 高负载时保持低延迟和高吞吐量。

2. 合规需求: 遵守数据保护法规标准。

3. 扩展性需求: 基础设施需支持用户增长而不影响性能。

4. 安全需求: 实施强认证和加密防止未授权访问。

5. 可靠性需求: 包含故障转移方法并保证高正常运行时间。

Netflix 架构：拥抱云原生

2008 年 8 月因数据库损坏遭遇重大挫折后，Netflix 得出关键结论：必须摆脱单点故障，转向高可靠、水平可扩展的云解决方案。Netflix 选择 AWS 作为云供应商，2015 年将多数服务迁移至云端。经过七年努力，2016 年 1 月初完成云迁移，关闭了最后的数据中心组件。

上云并非易事。Netflix 采用云原生策略，彻底改革运营模式和技术栈：采用 NoSQL 数据库、反规范化数据模型、从单体应用转向数百个微服务。文化变革也不可或缺，如采用 DevOps 流程、持续交付和自助式工程环境。尽管困难重重，此转型使 Netflix 成为云原生企业，为在线娱乐领域的未来扩展和创新奠定基础。

Netflix 架构三要素

由客户端、后端和内容分发网络(CDN)构成的强大架构三要素，共同保障无瑕疵用户体验。面对全球数百万观众，每个组件对内容交付都至关重要。

客户端

客户端架构是 Netflix 体验的核心，涵盖用户访问的各种设备(电脑、智能电视、智能手机)。Netflix 混合使用 Web 界面和原生应用确保跨平台一致体验。无论设备类型，这些客户端管理播放控制、用户交互与界面渲染，提供统一体验。得益于响应式优化，用户可轻松浏览内容库并享受连续播放。

后端架构

后端架构是幕后运营的支柱。用户账户管理、内容目录、推荐算法、计费系统等由复杂的服务器、数据库和微服务网络处理。

后端不仅处理用户数据与内容交付，还运用大数据分析和机器学习优化内容交付与个性化推荐，提升用户满意度。

Netflix 后端架构历经重大演变：2007 年迁移至云基础设施，2018 年采用 Spring Boot 作为主要 Java 框架。结合 AWS 的可扩展性和可靠性，Ribbon、Eureka 和 Hystrix 等专有技术有效协调后端运营。

内容分发网络(CDN)

CDN 完善架构三角。Netflix 运营名为 Open Connect 的 CDN，通过战略部署的全球服务器网络，以最高可靠性和最小延迟交付内容。

通过在靠近用户的站点缓存内容，减少缓冲并确保流畅播放。即使在高峰期，通过全球服务器分发内容减少拥塞并最大化带宽利用率。这种去中心化方式提升全球观看体验，降低缓冲时间并提高流媒体质量。

客户端组件

Web 界面

近年 Netflix Web 界面经历重大转型，从 Silverlight 转向 HTML5 流式传输视频内容。此举消除了浏览器插件需求，简化用户体验。自采用 HTML5 后，提升了对 Chrome、Safari、Firefox 等浏览器的兼容性。

Netflix 对 HTML5 的应用不仅限于基础播放，还借此支持行业标准与技术进步。

移动应用

通过 iOS 和 Android 应用将流媒体体验延伸至移动用户。结合原生开发与平台优化，为各类移动设备提供流畅界面。

凭借个性化推荐、无缝播放和离线下载等功能，满足移动观众需求。用户可随时随地观看喜爱的内容，Netflix 通过频繁升级提供引人入胜的移动体验。

智能电视应用

电视应用基于复杂架构，包含 Gibbon 渲染层、动态更新的 JavaScript 应用和原生 SDK。通过定制版 React-Gibbon 确保跨电视平台的流畅 UI 渲染与响应。

性能优化聚焦每秒帧数与输入响应等指标，通过减少属性迭代等方法提升渲染效率，样式优化与自定义组件开发进一步优化性能。

重塑播放体验：现代化之旅

过去十年 Netflix 彻底改变了数字媒体消费方式。尽管持续推出创新功能，但自 2013 年以来播放界面的视觉设计与用户控制鲜有变化。认识到需要更新后，Web UI 团队着手重新设计。

团队聚焦三大画布：播放前、视频播放和播放后，目标是提升客户满意度。通过 React.js 和 Redux 等技术加速开发与提升性能，革新了播放界面。

后端基础设施

内容分发网络(CDN)

Netflix 基础设施依赖 Open Connect CDN，轻松向全球数百万观众交付内容。全球分布的 CDN 对确保各地高质量流媒体至关重要。

通过名为 OCA 的服务器战略部署于 ISP 和用户附近，在高峰期降低延迟并保障性能。通过在 ISP 网络预置内容，最大化带宽利用率并减少对骨干网络的依赖。

可扩展性是 CDN 的核心特性。全球约 1000 个地点部署 OCA(包括偏远地区)，满足各地增长需求。

向合格 ISP 提供 OCA，使其直接从自身网络提供内容，既提升质量又降低 ISP 成本，建立双赢关系。

视频处理转型：微服务革命

通过实施微服务改造视频处理流水线，实现无与伦比的可扩展性和灵活性。从单体平台转向微服务平台开启了敏捷性和功能开发速度的新纪元。

视频处理流程的每一步由独立微服务代表，实现简化编排与解耦功能。从视频检测到编码，这些服务共同产出优质视频资产。微服务通过快速迭代适应业务需求变化，取得显著成效。

Open Connect 播放流程

全球客户能够享受丝滑无暇的观看体验得益于 Netflix Open Connect 的播放流程。其运作方式如下：

1. 健康状态报告: 开放连接设备(OCAs)定期向亚马逊云服务(AWS)中的缓存控制服务汇报其学习到的路由信息、内容可用性及整体运行状况。

2. 用户请求: 用户通过客户端设备上托管在 AWS 的 Netflix 应用程序请求播放电视剧或电影。

3. 授权与文件选择: 在验证用户授权和许可后，AWS 播放应用程序服务会精确选择处理播放请求所需的文件。

4. 导向服务: AWS 导向服务根据缓存控制服务保存的数据，选择用于提供文件的 OCA 设备。播放应用程序服务从导向服务获取这些 OCA 设备信息并构建其 URL 地址。

5. 内容传输: 播放应用程序服务将相关 OCA 的 URL 发送至客户端设备。当请求的文件通过 HTTP/HTTPS 协议传输至客户端时，选定的 OCA 设备即开始提供服务。

下方图示展示了完整的播放流程：

数据库架构

利用 Amazon S3 实现无缝媒体存储

Netflix 在 2022 年 4 月 21 日 AWS 服务中断期间的表现，充分证明了其云基础设施的价值，特别是对 Amazon S3 数据存储服务的依赖。通过整合 SimpleDB、S3 和 Cassandra 等服务，Netflix 构建了能够承受此类中断的健壮系统。

作为基础设施的核心支柱，Netflix 采用 Amazon S3（简单存储服务）存储海量影视内容与原创作品。为服务全球数亿用户，平台需要管理 PB 级数据，而 S3 提供的可扩展、高可靠且易访问的存储特性成为理想选择。

内容库持续扩张时，S3 使 Netflix 无需担忧硬件扩容或复杂存储架构维护，完美契合其"不牺牲用户体验"的扩展需求。

拥抱 NoSQL 实现弹性扩展

面对分布式架构的结构化存储需求，Netflix 在发现传统关系型数据库的局限性后，全面转向 NoSQL 分布式数据库。技术栈中 Cassandra, Hadoop/HBase, 和 SimpleDB 三大核心方案各具优势。

Amazon SimpleDB

迁移至 AWS 云时，SimpleDB 凭借强大的查询能力、跨可用区自动复制和高持久性成为首选。其托管特性有效降低了运维成本，符合 Netflix 将非核心业务外包给云服务商的策略。

Apache HBase

作为 Hadoop 生态的高性能解决方案，HBase 通过动态分区策略实现负载均衡与集群扩展，完美应对 Netflix 的数据增长挑战。分布式计数器、范围查询和数据压缩等功能，进一步强化了其一致性架构的健壮性。

Apache Cassandra

这款开源 NoSQL 数据库以性能、弹性和灵活性见长。动态集群扩展能力满足 Netflix 无限扩容需求，自适应一致性机制与灵活数据模型使其成为跨区域部署、避免单点故障的理想选择。

虽然需要面对学习曲线和运维成本，但 NoSQL 在可扩展性、可用性和性能方面的优势，使其成为 Netflix 长期云战略的关键支柱。

计费系统中的 MySQL 实践

Netflix 计费系统作为向 AWS 云原生架构全面迁移的一部分经历了重大转型。由于 Netflix 运营高度依赖计费系统，此次迁移被谨慎处理以确保对会员体验的影响最小化，同时严格遵守严格的财务标准。

跟踪计费周期、监控支付状态以及向财务系统提供报告数据只是 Netflix 计费基础设施处理的众多任务中的几项。计费工程团队管理着一个包含批处理任务、API、与其他服务的连接器以及数据管理的复杂生态系统来实现这些功能。

数据库技术的选择是迁移过程中最重要的决策之一。由于支付处理需要可扩展性和 ACID 事务支持，MySQL 被选为数据库解决方案。

构建健壮的工具链、优化代码和清理不必要数据都是迁移过程的一部分，以适应新的云架构。在转移现有会员数据前，团队使用代理和重定向器处理流量重定向，并采用干净数据集进行了全面测试流程。

将计费系统迁移至 AWS 上的 MySQL 是个复杂过程，需要周密规划、系统实施以及持续测试和迭代。尽管存在困难，迁移最终顺利完成，使 Netflix 能够利用 AWS 云服务的可扩展性和可靠性来支持其计费系统。

总之，将 Netflix 计费系统切换至 AWS 上的 MySQL 涉及大量工程工作并产生广泛影响。Netflix 的系统架构已更新其计费系统，并采用基于云的解决方案为数字领域的未来发展做好准备。

以下是 Netflix 迁移后的架构：

Netflix 架构中的内容处理流水线

Netflix 内容处理流水线是处理内容合作伙伴提供的数字资产的系统化方法。主要包含三个阶段：内容摄取、转码和封装。

内容摄取

在摄取阶段，音频、定时文本或视频等源文件会经过严格的准确性和合规性检查。这些验证包括：语义信号域检查、文件格式验证、压缩码流可解码性验证、符合 Netflix 交付标准以及数据传输完整性检查。

转码与封装

通过摄取阶段的源文件会进行转码处理，生成输出基本流。随后这些流会被加密并封装至可分发的流式容器中。

通过 Netflix 金丝雀模型确保无缝流媒体体验

由于客户端应用是用户与品牌互动的主要方式，它们必须保持卓越品质。Netflix 系统架构投入大量资源确保对更新版本进行全面评估。然而，由于 Netflix 需要在数千种设备上运行，并依赖数百个独立部署的微服务，全面内部测试变得困难。因此，必须依靠更新过程中获取的可靠现场数据来支持发布决策。

为加速客户端应用更新评估，Netflix 系统架构组建了专门团队从现场挖掘健康信号。这项系统投资提高了开发速度，改善了应用质量和开发流程。

1. 客户端应用: Netflix 通过两种方式更新客户端应用：直接下载和应用商店部署。直接下载提高了分发控制力。

2. 部署策略: 虽然定期增量发布的优势众所周知，但软件更新仍存在挑战。由于每个用户设备都以流形式传输数据，高效信号采样至关重要。Netflix 采用定制部署策略应对各类设备和复杂微服务的独特挑战。策略因客户端类型而异（如智能电视与移动应用）。新版本通过分阶段发布逐步推出，提供快速故障处理和智能后端服务扩展。发布过程中监控客户端错误率和采用率可确保部署的一致性和有效性。

3. 分阶段发布: 为降低风险并合理扩展后端服务，分阶段发布需要逐步部署新版本。

4. AB 测试/客户端金丝雀: Netflix 采用强化的 A/B 测试变体"客户端金丝雀"，通过完整应用测试确保数小时内完成及时更新。

5. 编排: 编排减少了频繁部署和分析的工作量，有效管理 A/B 测试和客户端金丝雀。

总之，得益于 Netflix 采用客户端金丝雀模型，数百万用户能享受无瑕疵的流媒体体验，该模型确保了应用的频繁更新。

Netflix 架构图示

Netflix 系统架构是一个复杂生态系统：后端服务采用 Python 和 Java（Spring Boot），数据处理和实时事件流使用 Apache Kafka 和 Flink。前端采用 Redux、React.js 和 HTML5 提供沉浸式用户体验。多种数据库（包括 Cassandra、HBase、SimpleDB、MySQL 和 Amazon S3）提供实时分析并处理海量媒体内容。Jenkins 和 Spinnaker 实现持续集成和部署，AWS 为整个基础设施提供可扩展性、可靠性和全球覆盖能力。

这些技术仅占 Netflix 庞大技术栈的一小部分，体现了其为全球观众提供完美娱乐体验的决心。

Netflix 架构总结

Netflix 系统架构彻底改变了娱乐行业。从 DVD 租赁服务发展为全球流媒体巨头，其技术基础设施是成功的关键。

依托 AWS 支持的 Netflix 架构确保全球用户的无中断流媒体体验，通过客户端、后端和内容分发网络(CDN)实现跨设备的无瑕疵内容传输。

HTML5 的创新应用和个性化推荐提升了用户体验。

尽管面临挑战，向云原生架构的转型使 Netflix 更加强大。通过采用微服务、NoSQL 数据库和云解决方案，Netflix 在快速发展的在线娱乐领域为未来创新做好准备。任何技术企业都能从理解 Netflix 系统中获益。

简而言之，Netflix 系统架构不仅关乎技术，更旨在改变我们的媒体消费方式。当观众追剧时，这套架构在幕后确保一切顺畅运行，提升每个人的娱乐享受。

【注】本文译自： A Look Into Netflix System Architecture