网络爬虫是一种自动化程序，它遍历互联网，收集和索引网页内容。架构设计旨在实现高并发处理和去重，并确保爬虫的健壮性和可维护性。本文将详细解析爬虫系统的各个组件和它们之间的交互关系。
1. 总览
整个系统组件按顺序如下：
- URL Seeder
- Bloom Filter Storage
- Bloom Filter Search
- URL Populator
- URL Storage
- URL Supplier Service
- URL Queue
- DNS Resolution Service
- HTML Fetcher and Renderer
- HTML Cached Storage
- HTML Permanent Storage
-
AWS Step Functions Workflow
- URL Filter
- URL Extractor
- Duplicate Detection
- Failed Message Queue
2. 组件解析
2.1 URL Seeder
URL Seeder 负责向系统提供初始URL。这些URL进入系统后会被进行处理以便进一步爬取。URL Seeder的作用相当于网络爬虫的启动引擎。它可能从某个文件、数据库或者API中读取初始的URL集。
2.2 Bloom Filter Storage 和 Bloom Filter Search
布鲁姆过滤器(Bloom Filter)是一个概率性数据结构，用于判断一个元素是否已经存在。布鲁姆过滤器能够高效判断URL是否已经被爬取，从而避免重复爬取。这部分包括两个组件：
- Bloom Filter Storage：存储布鲁姆过滤器的数据。
- Bloom Filter Search：通过查找布鲁姆过滤器的数据来判断URL是否已经处理。
2.3 URL Populator
如果URL通过了布鲁姆过滤器的检查，URL Populator会将这些URL封装并准备好供后续处理。这个组件的作用是清洗和预处理URL，确保格式规范且无重复。
2.4 URL Storage
已清洗后的URL会被存入URL Storage。这是一个临时存储区域，等待进一步处理或者被从队列中取出。
2.5 URL Supplier Service
URL Supplier Service负责从URL Storage中提取准备处理的URL，并将它们推送到URL 队列中。这一过程通过轮询实现，确保URLs以合适的速率进入系统的后续步骤。
2.6 URL Queue
URL Queue是一个消息队列系统，用于存放待处理的URL。这种设计使整个系统具有很好的解耦性，并能够实现负载均衡和按需扩展。
2.7 DNS Resolution Service
在爬取网页前，需要将域名解析为具体的IP地址，这就是DNS Resolution Service的作用。该服务将解析失败的消息发送到URL DLQ（死信队列），从而保证系统的鲁棒性。
2.8 HTML Fetcher and Renderer
HTML Fetcher and Renderer组件负责从互联网获取HTML内容，并将其渲染。这一过程中，它会处理所有网络请求和响应，并将获取到的HTML文档存储到缓存或持久存储中。
2.9 HTML Cached Storage 和 HTML Permanent Storage
HTML文档被分为两种存储方式：
- HTML Cached Storage：用于存储临时和短期使用的HTML文档，提高访问速度。
- HTML Permanent Storage：用于长期存储HTML文档，确保数据持久性和后续可用性。
2.10 AWS Step Functions Workflow
这部分是系统的核心工作流程，包括以下几个步骤：
- URL Filter：对URLs进行过滤，筛选出有价值的URL。
- URL Extractor：从HTML中提取新的URLs并加入爬取队列。
- Duplicate Detection：检测并去除重复的URLs，确保爬取工作高效、不浪费资源。
- Failed Message Queue：存储处理失败的URLs供后续处理。
3. 工作流程
整个爬虫系统的工作流程如下：
- URL Seeder初始化提供一组URL。
- 这些URL通过Bloom Filter Search检查，判断是否已经爬取过。
- 未爬取过的URL由URL Populator进行封装，并存入URL Storage。
- URL Supplier Service轮询URL Storage，将URL推送到URL Queue。
- URL从URL Queue中出列，进入DNS Resolution Service进行域名解析。
- 成功解析的URL由HTML Fetcher and Renderer进行HTML抓取并渲染。
- 抓取到的HTML文档存入HTML Cached Storage或HTML Permanent Storage。
- AWS Step Functions Workflow对抓取的HTML进行处理，提取新URL、过滤和去重，并将有效URL重新推送到URL Queue。
4. 系统优点
- 高效性：通过布鲁姆过滤器和消息队列系统，最大限度地提高处理效率和并发能力。
- 可扩展性：模块化设计和消息队列确保系统能够按需扩展。
- 容错性：处理失败的URL会记录在失败队列中，确保系统鲁棒性。
- 去重性：通过布鲁姆过滤器和重复检测，确保URL不被重复爬取。
5. 结论
这个网络爬虫架构设计非常注重高效性、可扩展性和容错性。通过使用布鲁姆过滤器、消息队列和AWS Step Functions Workflow，每个阶段都能独立运行且高效协同。这个系统适用于对大量网页进行爬取和数据采集的场景，确保高效稳定地获取和处理数据。
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