计算机在多层次系统中运行。每个层次都经过优化，以执行特定的任务，确保整个机器的高效运行。

从比特到大字节：理解计算机内存单元

在最基本的层面上，计算机使用二进制运行，只包含 0 和 1，被称为比特。以下是一个细分：

1 比特： 这是计算机中的基本数据单元，表示为 0 或 1。

1 字节： 包含 8 个比特，字节用于表示单个字符（例如，“A”）或数字（例如，1）。

Sharding（分片）是一种将数据和负载分布到多个独立的数据库实例的技术。这种方法通过将原始数据集分割为分片来利用水平可扩展性，然后将这些分片分布到多个数据库实例中。

但是，尽管”分布”一词出现在分片的定义中，但分片数据库并不是分布式数据库。

在你使用的每个完美应用程序背后，都有一整套的架构、测试、监控和安全措施。今天，让我们来看看一个生产就绪应用程序的非常高层次的架构。

CI/CD 管道

我们的第一个关键领域是持续集成和持续部署——CI/CD 管道。

这确保我们的代码从存储库经过一系列测试和管道检查，无需任何手动干预就进入生产服务器。

它配置了像 Jenkins 或 GitHub Actions 这样的平台，用于自动化我们的部署流程。

Kafka 最初是为大规模日志处理而构建的。它会保留消息直到过期，并允许消费者以自己的速度拉取消息。与其前身不同，Kafka 不仅仅是一个消息队列，它是一个适用于各种情况的开源事件流平台。让我们回顾一下流行的 Kafka 使用案例。

1. 日志处理和分析

• 下图显示了一个典型的 ELK（Elastic-Logstash-Kibana）堆栈。Kafka高效地收集来自每个实例的日志流。
• ElasticSearch 从 Kafka 消耗日志并对其进行索引。Kibana 在 ElasticSearch 之上提供了搜索和可视化界面。

要在系统设计中脱颖而出，深刻理解诸如负载均衡、缓存、分区、复制、数据库和代理等基本系统设计概念至关重要。

在掌握这个主模板的基础上，我们将讨论18个重要的系统设计概念。以下是每个概念的简要描述：

1. 域名系统 (DNS)

域名系统（DNS）是互联网基础设施的一个基本组成部分，将用户友好的域名转换为其相应的IP地址。它充当了互联网的电话簿，允许用户通过输入易于记忆的域名而不是计算机用于识别彼此的数值IP地址（如“192.0.2.1”）来访问网站和服务。

当您在Web浏览器中输入域名时，DNS负责查找相关的IP地址并将您的请求发送到适当的服务器。这个过程从您的计算机向递归解析器发送查询开始，然后递归解析器搜索一系列DNS服务器，从根服务器开始，然后是顶级域（TLD）服务器，最终是权威域名服务器。一旦找到IP地址，递归解析器将其返回给您的计算机，允许您的浏览器与目标服务器建立连接并访问所需的内容。

内容交付网络（Content Delivery Network，CDN）是一种分布式服务器系统，旨在根据用户的地理位置提供网络内容。CDN的目标是减少加载时间、提高网站和在线应用程序性能。

当用户请求网页时，内容将通过距离最近的CDN服务器提供，而不是源服务器，即使源服务器可能位于用户数千英里之外。这样做可以显著加快加载时间，改善用户体验，并有助于提高搜索引擎排名，同时减少跳失率。此外，CDN还有助于减轻服务器过载风险，降低源服务器的负载。它通过在CDN服务器上缓存和存储经常访问的内容来实现。当源服务器面临高流量时，CDN服务器可提供缓存内容，防止源服务器超负荷和崩溃。此外，CDN还提供强化安全性，CDN提供商会提供DDoS防护和SSL加密，以保护内容交付过程并防止网络攻击对网站的威胁。

CDN对搜索引擎优化（SEO）至关重要。因为CDN提高了网站性能，因此页面加载速度更快，而这是搜索引擎排名的重要因素。例如，谷歌在对搜索结果页面排名时会考虑网站速度。

CDN速查表

在数据库复制中，我们创建相同数据库的副本，并将其分布在多个节点（副本）上。然而，在拥有多个副本的情况下，一个问题出现了：如何确保每次写操作后所有数据都传播到所有副本？最常见的解决方案是主从复制，也称为主动/被动或单主复制。

什么是主从复制？

主从复制中有两种类型的节点：主节点和从节点。单个主节点（Leader）作为主数据库，而一个或多个从节点（Follower）维护主节点数据的副本。

• 主节点负责处理写查询，而从节点负责处理读查询。注意：如果需要，主节点也可以执行读查询。
• 每当主节点上进行写操作时，它将复制所有数据更改到所有从节点，以保持整个系统中数据的一致性。

在当今以数据为驱动的世界中，企业面临着一个挑战，即在保证应用程序的最佳性能的同时，管理迅速增长的数据量。扩展数据库服务器在满足这些需求方面起着至关重要的作用。本篇博客将探讨各种策略，以有效地扩展数据库服务器，以处理不断增加的工作量，提升性能并确保数据可用性。

什么是数据库服务器扩展？

数据库服务器扩展是增加数据库服务器的容量和性能，以处理不断增长的数据量、用户请求和系统负载的过程。通过升级硬件组件，如 CPU、内存或存储，可以实现垂直扩展，这允许数据库服务器利用升级后硬件的改进能力来处理更大的工作量。垂直扩展通常受限于单个服务器的最大容量。

连接导向、可靠和比特流导向

在网络层的IP协议是不可靠的。它负责将数据包从一个IP地址传递到另一个IP地址，但不对传递的数据包的交付、顺序或完整性做任何保证。这就是TCP发挥作用的地方，它确保数据传输的可靠性。

TCP具有以下三个重要特点：

1. TCP是连接导向的。与将数据从一个服务器发送到多个服务器的UDP不同，TCP在两个特定服务器之间建立连接。
2. TCP是可靠的。TCP保证分段的传递，无论网络条件如何。
3. TCP是比特流导向的。使用TCP时，应用层数据被分段处理，传输层对消息的边界不可见。此外，这些分段必须按顺序处理，并且重复的分段将被丢弃。

为了标识唯一的TCP连接，我们使用以下字段，通常称为四元组：

• 源IP地址和目标IP地址：位于IP头中，用于指导IP协议进行数据路由。
• 源端口和目标端口：位于TCP头中，用于指示TCP协议将分段传递给哪个进程。

在分布式系统中，数据通过各种网络协议在网络中传输。作为应用程序开发者，这往往在问题出现之前似乎是一个黑盒子。

在本文中，我们将解释常见网络协议的工作原理，它们在分布式系统中的应用以及我们如何解决常见问题。后续还会介绍一些常见的面试问题，例如：

• 在输入网址到浏览器时会发生什么？
• 什么是TCP三次握手？
• TCP的time_wait状态是什么意思？
• HTTP 1/2/3是什么？
• 为什么HTTP 3使用UDP？
• HTTPS是如何工作的？
• 为什么UDP被认为是“不可靠”的？

让我们首先了解网络协议的使用情况。