一、簡介

這份綜合指南將引導你掌握在系統設計中取得成功所需的基本概念。

二、垂直和水平擴展

1. 垂直擴展

系統擴展的最直接方式是通過垂直擴展。這涉及升級現有服務器，例如增加更多的RAM或更快的CPU。

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垂直擴展通常是處理用戶負載增加的快速解決方案。然而，從長遠來看，這并不是最有效的擴展方式。

2. 水平擴展

更高效的方法是水平擴展。在這種情況下，會添加服務器的副本，使每個副本處理一部分請求。

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這比垂直擴展更為健壯，它帶來兩個關鍵的好處：

• 無限擴展性：你可以不斷添加服務器。
• 可靠性：如果一個服務器失敗，其他服務器可以繼續處理請求，減輕單點故障問題。

3. 負載均衡

為了防止服務器超載并有效地分發流量，負載均衡至關重要。

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負載均衡器將入站用戶請求分配到多個服務器上，防止任何一個服務器成為瓶頸。

(1) 算法

負載均衡器使用各種算法來分發流量：

• 最少連接：將流量發送到具有最少打開連接的服務器。
• 基于資源：根據可用資源選擇服務器。
• IP哈希：根據源和目標IP地址的哈希將流量分配給服務器。
• 輪詢：按順序在服務器列表上分發流量。
• 自定義腳本：你還可以編寫根據需要定制的自定義算法。

(2) 技術

負載均衡的常見方法包括：

• 專業軟件：你可以使用像 Nginx 這樣的軟件，或者使用 AWS Elastic Load Balancing 等服務來實現負載均衡。
• 基于DNS：通過為域分配多個IP，使用DNS本身作為簡單的負載均衡器。然而，這種方法提供的定制性較少。

4.緩存

在系統中瓶頸通常不是Web服務器而是數據庫服務器。緩存涉及臨時存儲數據，通常在計算機的RAM中，以便在減輕數據庫負載的同時更快地服務未來的請求。

(1) 技術

為了實施緩存，你需要根據特定要求從一系列可用的軟件選項中進行選擇，例如 Redis、Nginx、Memcached 或 Cassandra。

(2) 緩存失效

為了保持緩存和數據庫同步，可以使用各種緩存失效策略。選擇正確的算法確保你的緩存既有效又高效。常見的算法有：

• 寫穿透緩存： 先更新緩存，然后更新數據庫。
• 寫回緩存： 先更新緩存，然后與數據庫同步。

(3) 但緩存在哪里？

緩存可以存在于應用程序架構的不同級別，包括：

• 客戶端： 在瀏覽器的緩存中。
• 服務器端： 使用像Redis或Memcached這樣的軟件。
• 數據庫： 通過在諸如MySQL的數據庫中進行查詢緩存。

5. 內容交付網絡（CDN）

通過內容交付網絡，可以實現另一層次的緩存。CDN是分布在多個地理位置的服務器網絡，用于存儲和提供Web內容，如圖像和視頻。它們在多個地理位置存儲您內容的緩存副本。

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CDN通常以以下幾種方式設置：

• 拉取式： CDN在首次用戶請求時從源服務器獲取數據并緩存。
• 推送式： 源服務器事先將數據推送到CDN。

知名的CDN提供商包括 Cloudflare、Google Cloud CDN、Amazon CloudFront 和 Microsoft Azure CDN。

6. API設計

(1) API設計充

當客戶端和服務器之間的契約。在設計API時，考慮以下關鍵因素：

• API類型：在設計API時，首先決定類型：RESTful、GraphQL或gRPC。
• 通信協議：HTTP、WebSockets等。
• 數據傳輸機制：JSON、XML或協議緩沖區。
• 安全性：考慮采取措施防范字典攻擊、XSS、CSRF、HPP攻擊，并使用速率限制。
• 查詢和排序：如何檢索和排序數據？
• 分頁：不要在一個請求中獲取所有數據，你需要分頁。
• 性能：優化應用程序的初始加載時間。
• 錯誤處理：確保錯誤是一致且信息豐富的。

(2) 服務器驅動和客戶端驅動設計

根據你的應用程序，你可能會選擇服務器驅動或客戶端驅動的API設計，每種設計都提供一套自己的優勢。

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• 服務器驅動：適用于需要應用商店批準的移動應用程序發布的情況。
• 客戶端驅動：在客戶端方面提供更大的靈活性。

三、結論

從擴展策略和負載均衡技術到緩存和API設計的微妙之處，掌握這些領域可以讓你在競爭中具備強大的優勢。