要想在系統設計領域中脫穎而出，深入理解一些基礎的系統設計概念是必不可少的，這些概念包括負載均衡、緩存、分區、復制、數據庫和代理等。

依據我自己的經驗，我總結出了18個關鍵概念，如果能掌握這些，將極大地提升你處理系統設計問題的能力。這些概念包含了：理解API網關的微妙之處、熟練掌握負載均衡技術、領會CDN的重要性，以及認識到緩存在現代分布式系統中所扮演的角色。讀完這篇博客后，你將對這些核心理念有全面的理解，并有足夠的信心在下一次面試中運用這些知識。

系統設計面試通常并無固定結構。在面試過程中，跟蹤所有內容并確保你已經覆蓋到設計的所有重要環節可能會有些挑戰。為了簡化這個過程，我制定了一份系統設計大綱，這份大綱可以幫助你回答任何系統設計面試問題。你可以查看附圖，以獲取關于可能涉及的系統設計關鍵組件的啟示。

牢記這份大綱，我們來討論一下這18個關鍵的系統設計概念，每個概念的簡要描述如下：

1、域名系統（DNS）

域名系統（DNS）是互聯網基礎設施的基本組成部分，它負責將用戶友好的域名轉換為相應的IP地址。它就像互聯網的電話簿，讓用戶通過輸入容易記憶的域名，例如https://minorstone.com/，而不是計算機用來識別彼此的數字IP地址，如"192.0.2.1"，就能訪問網站和服務。

當你在瀏覽器中輸入一個域名時，DNS負責找到相關的IP地址，并將你的請求指向適當的服務器。這個過程從你的電腦發送一個查詢到遞歸解析器開始，然后通過一系列的DNS服務器，從根服務器開始，然后到頂級域（TLD）服務器，最后到權威名稱服務器。一旦找到IP地址，遞歸解析器將其返回給你的電腦，從而讓你的瀏覽器能夠與目標服務器建立連接并訪問想要的內容。

2、負載均衡器

負載均衡器是一種網絡設備或軟件，設計用于將傳入的網絡流量分發到多個服務器，以確保資源的最優使用，降低延遲，并保持高可用性。它在擴展應用程序和有效管理服務器工作負載方面起著關鍵作用，特別是在流量突然激增或服務器之間請求分配不均的情況下。

負載均衡器采用各種算法來確定傳入流量的分配。一些常見的算法包括：

• 輪詢法：請求以循環方式依次均勻地分發到所有可用服務器。
• 最少連接法：負載均衡器將請求分配給活動連接最少的服務器，優先考慮較不繁忙的服務器。
• IP哈希法：對客戶端的IP地址進行哈希，結果值用于確定請求應被指向哪個服務器。此方法確保特定客戶端的請求始終路由到同一臺服務器，有助于保持會話的持久性。

3、API網關

API網關是作為服務器或服務的角色，充當外部客戶端與應用程序內部微服務或基于API的后端服務之間的中介。在現代架構中，特別是在基于微服務的系統中，它是一個重要的組成部分，它簡化了通信過程，并為客戶端提供了一個訪問各種服務的單一入口。

API網關的主要功能包括：

• 請求路由：根據預定義的規則和配置，API網關將來自客戶端的API請求指向適當的后端服務或微服務。
• 身份驗證和授權：API網關管理用戶身份驗證和授權，確保只有經過授權的客戶端能夠訪問服務。它在將請求路由到后端服務之前，會驗證API密鑰、令牌或其他憑證。
• 限速和節流：為了保護后端服務免受過度負載或濫用，API網關會根據預定義的策略對客戶端的請求進行限速或節流。
• 緩存：為了最小化延遲和后端負載，API網關會緩存經常使用的響應，并直接服務于客戶端，無需查詢后端服務。
• 請求和響應轉換：API網關可以修改請求和響應，如轉換數據格式、添加或刪除頭部，或改變查詢參數，以確保客戶端和服務之間的兼容性。

4、CDN

內容分發網絡（CDN）是一個分布式服務器網絡，它將內容（如圖片、視頻、樣式表和腳本）存儲并從地理位置上離用戶更近的地方傳送給用戶。CDN的設計目的是提高向終端用戶傳輸內容的性能、速度和可靠性，無論他們相對于源服務器的位置如何。以下是CDN的工作方式：

1. 當用戶從網站或應用程序請求內容時，請求會被指向最近的CDN服務器，也稱為邊緣服務器。
2. 如果邊緣服務器已經緩存了請求的內容，它會直接將內容提供給用戶。這個過程減少了延遲并提高了用戶體驗，因為內容傳輸的距離更短。
3. 如果邊緣服務器上沒有緩存內容，CDN會從源服務器或另一個近在咫尺的CDN服務器上獲取它。一旦獲取了內容，它就會被緩存在邊緣服務器上并提供給用戶。
4. 為了確保內容保持最新狀態，CDN會定期檢查源服務器的變化，并相應地更新其緩存。

5、正向代理與反向代理

正向代理，也被稱為"代理服務器"或簡單的"代理"，是放置在一個或多個客戶端機器前的服務器，充當客戶端和互聯網之間的中介。當客戶端機器請求互聯網上的資源時，請求首先發送到正向代理。然后，正向代理代表客戶端機器將請求轉發到互聯網，并將響應返回給客戶端機器。

另一方面，反向代理是放置在一個或多個Web服務器前的服務器，作為Web服務器和互聯網之間的中介。當客戶端請求互聯網上的資源時，請求首先發送到反向代理。然后，反向代理將請求轉發到其中一臺Web服務器，該服務器將響應返回給反向代理。最后，反向代理將響應返回給客戶端。

6、緩存

緩存是位于應用程序和原始數據源（如數據庫、文件系統或遠程網絡服務）之間的高速存儲層。當應用程序請求數據時，首先檢查緩存。如果數據存在于緩存中，它就會被返回給應用程序。如果在緩存中找不到數據，那么數據就會從原始源獲取，存儲在緩存中以備將來使用，然后返回給應用程序。在分布式系統中，緩存可以出現在多個位置，包括客戶端、DNS、CDN、負載均衡器、API網關、服務器、數據庫等。

7、數據分區

在數據庫中，水平分區常被稱為分片，它包括將表的行分割成更小的表，并將它們存儲在不同的服務器或數據庫實例上。這種方法被用來將數據庫負載分散到多個服務器，從而提高性能。

相反，垂直分區涉及到將表的列分割成獨立的表。這種技術旨在減少表中的列數，并提高只訪問有限數目列的查詢的性能。

8、數據庫復制

數據庫復制是一種用于在各種服務器或位置上維護相同數據庫的多份副本的方法。數據庫復制的主要目標是提高數據的可用性、冗余度和容錯性，確保在硬件故障或其他問題發生時系統仍能保持運行。

在復制的數據庫配置中，一個服務器作為主（或主）數據庫，其他的則作為副本（或從）。此過程涉及同步主數據庫和副本之間的數據，確保所有服務器都擁有相同的最新信息。數據庫復制提供了多種優點，包括：

• 提高性能：通過在多個副本間分發讀取查詢，可以減輕主數據庫的負載，從而提高查詢響應時間。
• 高可用性：如果主數據庫遇到故障或停機，副本可以繼續提供數據，確保應用程序的訪問不間斷。
• 增強數據保護：在不同位置維護數據庫的多份副本有助于防止由于硬件故障或其他災難導致的數據丟失。
• 負載均衡：副本可以處理讀取查詢，從而實現更好的負載分配并減少對主數據庫的整體壓力。

9、分布式消息系統

分布式消息系統為眾多可能地理分散的應用、服務或組件之間的消息交換提供了一種可靠、可擴展且容錯性強的方式。這些系統通過解耦發送者和接收者組件來促進通信，使它們能夠獨立地開發和運行。在大規模或復雜系統中，如微服務架構或分布式計算環境中，分布式消息系統顯得尤為重要。這些系統的例子包括Apache Kafka和RabbitMQ。

10、微服務

微服務代表了一種架構風格，其中應用程序被組織成一組小型、松散耦合且能自主部署的服務。每個微服務負責應用程序中的一個特定功能或領域，并通過定義明確的API與其他微服務進行通信。這種方法與傳統的單體架構有所不同，后者將應用程序構建為一個緊密耦合的單一單位。

微服務的主要特性包括：

• 單一職責：遵循單一職責原則，每個微服務專注于特定的功能或領域，使服務更易于理解、開發和維護。
• 獨立性：微服務可以獨立開發、部署和擴展，為開發過程提供了更大的靈活性和敏捷性。團隊可以同時開發各種服務，而不會影響整個系統。
• 分散化：通常，微服務是分散的，每個服務都有自己的數據和業務邏輯。這種方法促進了關注點分離，使團隊能夠根據自己的特殊需求做出決策并選擇技術。
• 通信：微服務使用輕量級協議（如HTTP/REST、gRPC或消息隊列）進行交互。這有助于互操作性，并便于集成新服務或替換現有服務。
• 容錯性：由于微服務是獨立的，一個服務的失敗不一定導致整個系統崩潰，從而提高了應用程序的整體彈性。

11、NoSQL 數據庫

NoSQL數據庫，或稱為“非僅僅是SQL”的數據庫，是非關系型數據庫，設計用于存儲、管理和檢索非結構化或半結構化數據。它們提供了對傳統關系型數據庫的替代，后者依賴于結構化數據和預定義的模式。由于NoSQL數據庫的靈活性、可擴展性以及處理大量數據的能力，使其在現代應用程序、大數據處理和實時分析中越來越受歡迎。

NoSQL數據庫可以分為四種主要類型：

• 文檔型：這類數據庫將數據存儲在類似于文檔的結構中，如JSON或BSON。每個文檔都是自包含的，可以有自己獨特的結構，使其適合處理異構數據。文檔型NoSQL數據庫的例子包括MongoDB和Couchbase。
• 鍵值對：這類數據庫將數據以鍵值對形式存儲，其中鍵作為唯一標識符，值則保存相關的數據。鍵值對數據庫對于簡單的讀寫操作非常高效，并且它們可以容易地進行分區并水平擴展。鍵值對NoSQL數據庫的例子包括Redis和亞馬遜的DynamoDB。
• 列族型：這類數據庫將數據存儲在列族中，列族是相關列的集合。它們設計用來處理寫入密集型的工作負載，對于已知行和列鍵的數據查詢非常高效。列族型NoSQL數據庫的例子包括Apache Cassandra和HBase。
• 圖形型：這類數據庫設計用于存儲和查詢具有復雜關系和互聯結構的數據，例如社交網絡或推薦系統。圖數據庫使用節點、邊和屬性來表示和存儲數據，從而更易于執行復雜的遍歷和基于關系的查詢。圖形型NoSQL數據庫的例子包括Neo4j和亞馬遜的Neptune。

12、數據庫索引

數據庫索引是一種數據結構，能提高數據庫查詢操作的速度和效率。它們的功能類似于書籍中的索引，使數據庫管理系統（DBMS）能迅速定位與特定值或值組相關的數據，無需搜索表中的每一行。通過提供更直接的數據查找路徑，索引可以顯著減少從數據庫檢索信息所需的時間。

索引通常建立在數據庫表的一個或多個列上。B樹索引是最常見的類型，它以分層樹狀結構組織數據，允許快速的搜索、插入和刪除操作。其他類型的索引，如位圖索引和哈希索引，也存在各自的使用場景和優勢。

盡管索引可以顯著提高查詢性能，但也涉及到一定的權衡：

• 存儲空間：索引需要額外的存儲空間，因為它們在原始表數據旁邊生成和維護獨立的數據結構。
• 寫性能：當在表中插入、更新或刪除數據時，相應的索引也必須被更新，這可能會減慢寫操作的速度。

13、分布式文件系統

分布式文件系統是一種設計用來在多個服務器、節點或機器（經常是跨網絡分布）之間管理和授權訪問文件和目錄的存儲系統。它們讓用戶和應用程序可以訪問和修改文件，就像這些文件是位于本地文件系統上一樣，盡管實際的文件可能物理上位于各種遠程服務器上。分布式文件系統常用于大規模或分布式計算環境，以提供容錯能力、高可用性和增強性能。

14、通知系統

這些功能用于向用戶發送通知或警報，比如電子郵件、推送通知或短信。

15、全文檢索

全文搜索允許用戶在應用程序或網站中搜索特定的單詞或短語。當接收到用戶查詢時，應用程序或網站會提供最相關的結果。為了快速有效地完成這個過程，全文搜索使用了一種稱為倒排索引的數據結構，該結構將單詞或短語與出現它們的文檔進行關聯。Elastic Search就是這樣一種系統的例子。

16、分布式協調服務

分布式協調服務是一種旨在以可靠、高效和容錯的方式調控和同步分布式應用、服務或節點行為的系統。它們幫助維護一致性，處理分布式同步，并在分布式環境中監控各種組件的配置和狀態。在大規模或復雜的系統中，例如微服務架構、分布式計算環境或集群數據庫，分布式協調服務尤其有價值。Apache ZooKeeper、etcd和Consul就是這樣服務的例子。

17、心跳

在分布式環境中，工作/數據在服務器之間分布。為了在這樣的設置中高效地路由請求，服務器需要知道系統中的其他服務器。此外，服務器應該知道其他服務器是否還在正常運作。在去中心化系統中，每當一個請求到達服務器時，該服務器應該有足夠的信息來決定哪個服務器應負責處理該請求。這使得及時檢測服務器故障成為一項重要任務，它還使系統能夠采取糾正行動，將數據/工作移至另一臺健康的服務器，阻止環境進一步惡化。

為了解決這個問題，每個服務器會定期向中心監控服務器或系統中的其他服務器發送心跳消息，以顯示它仍然存活并正常工作。

心跳是檢測分布式系統中故障的一種機制。如果有一個中心服務器，所有服務器會定期向它發送心跳消息。如果沒有中心服務器，所有服務器會隨機選擇一組服務器，并每隔幾秒鐘向它們發送一條心跳消息。這樣，如果一段時間沒有收到來自某臺服務器的心跳消息，系統就會懷疑該服務器可能已經崩潰。如果在配置的超時期內沒有心跳，系統可以得出服務器不再存活的結論，并停止向其發送請求，并開始替換工作。

18、校驗和

在一個分布式系統中，在組件之間傳輸數據時，從節點獲取的數據可能會出現損壞的情況。這種損壞可能是由于存儲設備、網絡、軟件等方面的故障導致的。分布式系統如何確保數據完整性，以便客戶端接收到錯誤而不是損壞的數據？

為了解決這個問題，我們可以計算一個校驗和并將其與數據一起存儲。

為了計算校驗和，我們使用了一種加密哈希函數，例如MD5、SHA-1、SHA-256或SHA-512。哈希函數接受輸入數據并產生一個固定長度的字符串（包含字母和數字），這個字符串被稱為校驗和。

當系統存儲某些數據時，它計算數據的校驗和并將校驗和與數據一起存儲。當客戶端檢索數據時，它驗證從服務器接收到的數據是否與存儲的校驗和相匹配。如果不匹配，客戶端可以選擇從另一個副本中檢索該數據。

結論

通過使用上述系統設計概念和模板，最大限度地提高您的系統設計方案。