Hành Trình Phát Triển Hạ Tầng Kỹ Thuật của Facebook: Từ Khởi Nguồn Đến Hệ Thống Phân Tán Toàn Cầu

Bài viết này khám phá hành trình phát triển hạ tầng kỹ thuật của Facebook từ những ngày đầu khi còn là một hệ thống tập trung đơn giản, đến khi trở thành một nền tảng phân tán toàn cầu với hệ thống NoSQL hiện đại. Ta sẽ cùng tìm hiểu cách Facebook ứng dụng các công nghệ tiên tiến trong quản lý cơ sở dữ liệu, cân bằng tải và bảo mật để phục vụ hàng tỷ người dùng, cũng như những thách thức mà nền tảng mạng xã hội lớn nhất thế giới đã vượt qua để duy trì hiệu suất, tốc độ và an toàn cho thông tin người dùng 💪👮.

Kiến trúc Hạ Tầng Mạng của Facebook Qua Các Giai Đoạn: Từ Tập Trung đến Phân Tán và Hướng Tới Tương Lai

Facebook đã trải qua một quá trình phát triển liên tục trong hạ tầng hệ thống và cơ sở dữ liệu để đáp ứng quy mô và yêu cầu ngày càng lớn của hàng tỷ người dùng trên toàn thế giới. Trong quá trình này, từ kiến trúc tập trung ban đầu, Facebook chuyển sang phân tán để hỗ trợ xử lý và lưu trữ khối lượng dữ liệu khổng lồ, và cuối cùng áp dụng các công nghệ tiên tiến để mở rộng hệ thống và bảo vệ an toàn dữ liệu.

Giai Đoạn Đầu: Kiến Trúc Tập Trung và Quản Lý Đơn Giản

Khi mới ra mắt tại Đại học Harvard, Facebook chỉ là một nền tảng nhỏ với lượng người dùng chủ yếu là sinh viên. Trong thời gian này, Facebook sử dụng một cấu trúc tập trung đơn giản dựa trên MySQL để quản lý cơ sở dữ liệu, nơi tất cả thông tin cá nhân, danh sách bạn bè và các bài viết đều được lưu trữ trên một vài máy chủ trung tâm. Kiến trúc này cho phép Facebook vận hành hệ thống dễ dàng, với toàn bộ truy vấn và yêu cầu được xử lý trực tiếp trên một số ít server, mang lại hiệu suất cao và đơn giản trong quản lý. Khi người dùng thực hiện thao tác như đăng bài hay kết bạn, yêu cầu sẽ được xử lý ngay lập tức mà không gặp độ trễ đáng kể, tạo nên trải nghiệm nhanh chóng và hiệu quả.

Tuy nhiên, khi Facebook mở rộng đến các trường đại học khác và bắt đầu thu hút thêm nhiều người dùng, cấu trúc tập trung đơn giản này bộc lộ giới hạn của mình. Hệ thống gặp khó khăn khi phải xử lý đồng thời nhiều yêu cầu truy cập từ số lượng lớn người dùng, dẫn đến tình trạng quá tải và giảm hiệu suất. Với mỗi hành động từ người dùng đều tạo ra dữ liệu mới – từ các bài đăng, hình ảnh đến danh sách bạn bè – khối lượng dữ liệu nhanh chóng gia tăng. Điều này đặt ra một bài toán mở rộng hệ thống, và Facebook cần chuyển sang cấu trúc phân tán hơn để quản lý lượng dữ liệu ngày càng lớn.

Giai Đoạn Mở Rộng: Kiến Trúc Phân Tán và Cải Tiến Tìm Kiếm

Vào giai đoạn 2008-2010, Facebook bắt đầu phát triển mạnh mẽ và số lượng người dùng tăng trưởng với tốc độ bùng nổ, đẩy hệ thống cũ đến giới hạn. Để đáp ứng nhu cầu này, Facebook đã triển khai một kiến trúc phân tán với nhiều máy chủ và dịch vụ backend chuyên biệt. Họ tiếp tục sử dụng MySQL nhưng đã áp dụng các kỹ thuật phân tán dữ liệu để quản lý lưu lượng truy cập lớn. Dữ liệu người dùng được chia nhỏ và lưu trữ trên nhiều máy chủ khác nhau, giúp Facebook có thể xử lý đồng thời nhiều truy vấn và tăng tốc độ phản hồi.

Một phần quan trọng của quá trình này là việc triển khai Memcached – một bộ nhớ đệm giúp lưu trữ tạm thời những dữ liệu thường xuyên được truy xuất. Điều này cho phép Facebook giảm tải cho cơ sở dữ liệu MySQL, nhờ đó tăng tốc độ phản hồi khi người dùng tìm kiếm bạn bè hoặc xem các bài đăng mới. Facebook còn cải tiến thêm các tính năng tìm kiếm với Typeahead và Personalized People Search (PPS). Typeahead giúp hiển thị gợi ý tìm kiếm ngay khi người dùng bắt đầu gõ từ khóa, còn PPS cung cấp khả năng tìm kiếm dựa trên các từ khóa cá nhân hóa, giúp người dùng tìm kiếm bạn bè và nội dung một cách nhanh chóng. Những tính năng này đều tận dụng kết hợp bộ nhớ đệm và MySQL phân tán để đảm bảo hiệu suất cao nhất.

Tuy nhiên, dù hệ thống phân tán và bộ nhớ đệm đã cải thiện hiệu suất, nhưng việc mở rộng hơn nữa vẫn gặp khó khăn. Với lượng truy vấn tăng lên liên tục và yêu cầu độ trễ thấp, Facebook bắt đầu nghiên cứu và triển khai các hệ thống mới mạnh mẽ hơn để đáp ứng nhu cầu của người dùng và cải thiện khả năng quản lý dữ liệu phức tạp.

Giai Đoạn Hiện Tại: Kiến Trúc NoSQL và Bảo Mật Nâng Cao

Khi Facebook mở rộng quy mô với hàng tỷ người dùng và khối lượng dữ liệu tăng nhanh, công ty đã chuyển sang sử dụng các hệ thống NoSQL hiện đại như TAO, Unicorn, RocksDB và Haystack để quản lý và xử lý dữ liệu. TAO là hệ thống cơ sở dữ liệu đồ thị nội bộ của Facebook, được tối ưu hóa để xử lý các truy vấn liên quan đến mối quan hệ xã hội, từ tình bạn đến lượt thích và chia sẻ. Hệ thống Tao cho phép Facebook dễ dàng quản lý và truy vấn các mối quan hệ xã hội phức tạp trong thời gian thực, từ đó đảm bảo trải nghiệm liền mạch cho người dùng. Ta có thể hiểu TAO như sau

Unicorn, hệ thống chỉ mục đảo ngược, hỗ trợ tính năng Graph Search, cho phép người dùng thực hiện các truy vấn phức tạp dựa trên mối quan hệ giữa các thực thể trong mạng lưới xã hội. Hệ thống này cho phép tìm kiếm theo các yêu cầu chi tiết như “những nhà hàng mà bạn bè của tôi yêu thích,” giúp người dùng có thể dễ dàng khám phá và kết nối với những thông tin và bạn bè quan tâm. Trong khi đó, RocksDB là cơ sở dữ liệu dạng key-value được tối ưu hóa cho việc đọc/ghi nhanh, sử dụng trong các tính năng yêu cầu độ trễ thấp như News Feed.

Haystack lại là hệ thống lưu trữ ảnh đặc biệt, giúp Facebook quản lý hàng tỷ ảnh được tải lên mỗi ngày với dung lượng lưu trữ tối ưu và cho phép truy xuất ảnh nhanh

Trong khi mở rộng về quy mô và hiệu suất, Facebook cũng tăng cường bảo mật để đảm bảo an toàn cho dữ liệu người dùng. Họ triển khai các hệ thống bảo mật đa lớp, bao gồm mã hóa dữ liệu và hệ thống phát hiện xâm nhập (IDS) để phát hiện và ngăn chặn các cuộc tấn công tiềm tàng. Facebook cũng sử dụng trí tuệ nhân tạo để giám sát và phát hiện các hành vi đáng ngờ, cùng với việc áp dụng các công nghệ xác thực hai yếu tố và mã hóa dữ liệu trong quá trình truyền tải. Công ty còn mở chương trình “bug bounty,” kêu gọi các chuyên gia bảo mật từ bên ngoài tìm kiếm và báo cáo lỗi, giúp tăng cường an ninh toàn diện cho hệ thống.

Những nỗ lực này duy trì hiệu suất hệ thống và đảm bảo sự an toàn và trải nghiệm liền mạch cho người dùng trên toàn cầu. + 1 Respect Facebook 👍

Công Nghệ Cơ Sở Dữ Liệu Qua Các Giai Đoạn Phát Triển Của Facebook

• Unicorn: Hệ thống chỉ mục đảo ngược hỗ trợ Graph Search, cho phép thực hiện các truy vấn phức tạp và nhiều bước.- RocksDB: Cơ sở dữ liệu key-value tối ưu hóa cho đọc/ghi nhanh, sử dụng cho các tác vụ như News Feed.- Haystack: Hệ thống lưu trữ ảnh, tối ưu dung lượng và cho phép truy xuất ảnh nhanh chóng. |

Nhu Cầu Về Mạng Lớn Cho Dữ Liệu Lớn của Facebook

Facebook là nền tảng mạng xã hội hàng đầu với hàng tỷ người dùng toàn cầu. Mỗi khi người dùng gửi một yêu cầu HTTP (chẳng hạn như khi tải một trang), hệ thống phải thực hiện nhiều tác vụ bên trong, từ việc truy cập bộ nhớ đệm, kết nối cơ sở dữ liệu, đến backend. Từ một yêu cầu duy nhất, lượng truy cập nội bộ có thể gấp tới 930 lần dữ liệu gửi về cho người dùng.

Để đáp ứng điều này, Facebook đã thiết lập một mạng nội bộ cực kỳ mạnh mẽ, kết nối đến hàng loạt server, đảm bảo khả năng xử lý và truyền tải dữ liệu nhanh nhất có thể.

Kiến Trúc “4-post” Hiện Tại của Facebook và đánh giá

Hiện tại, Facebook triển khai kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu 4-post, một hệ thống với các tầng switch được thiết kế nhằm tối ưu hóa độ dự phòng và giảm thiểu lỗi mạng. Hệ thống 4-post sử dụng các switch lớn như Cluster Switch (CSW) và FatCat Aggregation Switch (FC). Với cấu trúc kết nối dạng ring (vòng), hệ thống có thể tự điều hướng lại dữ liệu khi một đường truyền gặp sự cố, giúp tránh tình trạng mất dữ liệu giữa các server trong cùng cụm. Nhờ đó, mạng vận hành ổn định, hạn chế tối đa gián đoạn dịch vụ.

Tuy nhiên, hệ thống 4-post cũng có những hạn chế đáng kể. Vì sử dụng các switch lớn từ ít nhà sản xuất, chi phí đầu tư và vận hành cao. Các switch này thường có độ phức tạp cao, dễ dẫn đến tình trạng phụ thuộc và khó mở rộng linh hoạt. Điều này tạo ra một bài toán về chi phí và tính hiệu quả trong dài hạn, đặc biệt khi hệ thống yêu cầu nâng cấp để phục vụ số lượng người dùng ngày càng tăng.

Facebook đã trải qua những giai đoạn phát triển quan trọng trong hạ tầng cơ sở dữ liệu và hệ thống của mình nhằm đáp ứng sự gia tăng nhanh chóng của người dùng và khối lượng dữ liệu khổng lồ. Mỗi giai đoạn đều đánh dấu những bước tiến trong việc cân bằng tải, mở rộng quy mô và đảm bảo an ninh, nhằm duy trì hiệu suất và bảo vệ thông tin của người dùng một cách tối ưu.

Tham khảo

• Brügger, N. (2015). A brief history of Facebook as a media text: The development of an empty structure. First Monday, 20(5). https://doi.org/10.5210/fm.v20i5.5423
• Baskaran, P. (2020, February 14). Facebook tech stack. Medium. https://medium.com/@pratishabaskaran/facebook-tech-stack-2aadee041626
• Brandwatch. (2021, April 12). The History of Facebook: From BASIC to Global Giant. https://www.brandwatch.com/blog/history-of-facebook/
• Facebook Engineering. (2023). Facebook’s Data Center Network Architecture. https://research.facebook.com/publications/facebooks-data-center-network-architecture/
• Facebook Engineering. (2024, July 10). Tail utilization in ads inference at Meta. https://engineering.fb.com/2024/07/10/production-engineering/tail-utilization-ads-inference-meta/
• Facebook Engineering. (n.d.). Engineering at Facebook. https://engineering.fb.com/
• History of Facebook. (2023, May 9). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_Facebook
• Fincher, D. (Director). (2010). The Social Network [Film]. Columbia Pictures.