System Design Lab

System design 面试必备的 networking 基础

IP 地址在系统设计里的三个实际问题：CIDR 怎么切子网、私网地址怎么经 NAT 出公网、VPC 子网为什么经常不够用。含 RFC 1918 私网段、AWS 每子网保留 5 个地址、NAT 网关 55,000 并发连接上限、公网 IPv4 计费和 IPv6 的算例与翻车表。

OSI 七层在系统设计面试里真正用到的地方：L4 和 L7 负载均衡各能看到什么、能做什么；按层排障的命令（ping、nc、openssl s_client、curl）；OSI 与 TCP/IP 四层的对应和 TLS 放哪层的争议。含 Nginx stream 与 http 两种代理配置、MTU/MSS 数字和翻车表。

Latency 看单个请求多久完成，throughput 看单位时间完成多少。用 p50/p99 分布而不是平均值描述 latency，用 Little's law 把并发、吞吐和延迟连成一个式子，再讲 batch、排队、fan-out 怎么让两者此消彼长，附算例、翻车表和面试答法。

CAP 讲的是网络分区那一刻的取舍：被切开的少数派一侧，是拒绝请求保证不分叉（CP），还是继续服务、接受读到旧值和写冲突（AP）。讲清 Gilbert–Lynch 的严格定义、为什么单机 PostgreSQL 不叫 CA、etcd / MongoDB / Cassandra 分区时各自发生什么，以及面试答法。

Availability 怎么算、怎么提高：几个 9 对应多少停机时间，串联与并联公式及其独立性前提，一条结账链路的逐项算例；active-passive 与 active-active 的切换过程，健康检查、DNS、数据库故障切换各花多少秒（ALB、Route 53、RDS Multi-AZ、Patroni 的真实参数），脑裂与 fencing，常见翻车和面试答法。

把 Web 层、应用层（平台层）和后台 worker 拆开：每层各自扩缩什么指标、状态放在哪、怎么做健康检查和优雅下线。含 Kubernetes readiness 探针与 HPA 公式、SQS visibility timeout 默认值、按层扩容算例、翻车表和面试答法。注意本章讲的是服务架构里的应用层，不是 OSI 第 7 层。

比较经 API 中转、S3 预签名 PUT 直传与预签名分片上传三种拓扑：文件字节走哪条路、谁签名、S3 验证什么，以及过期签名、header 不匹配和 CORS 这些真实故障怎么恢复。

Relational vs NoSQL 与选型要点

关系型数据库在系统设计里真正替你做的三件事：用约束守住数据、用 join 和 materialized view 回答没预先设计过的查询、用连接和副本扛住读。讲清外键索引在 PostgreSQL 与 InnoDB 的差别、REFRESH MATERIALIZED VIEW CONCURRENTLY 的前提、N+1 查询的算例和四种修法、max_connections 与连接池，以及面试答法。

NoSQL 建模从访问模式出发：先列出要回答的查询，再推出 partition key、sort key 和二级索引。用 DynamoDB 单表设计走一遍订单系统，讲清 400 KB item 上限、每分区 3,000 RCU / 1,000 WCU、Query 1 MB 分页、filter 不省容量；再逐类说明 document、key-value、graph、time-series、wide-column、multi-model 各自答不了什么查询，附面试答法。

比较 Range Sharding with Auto Split、Hash Slots、Directory by Tenant 与 Write Sharding of Hot Keys 四种分片拓扑：哪个值决定行落在哪个 shard、请求怎么找到那个 shard、加减 shard 时数据怎么搬、一个 key 或一段区间变热时会发生什么、路由的真相归谁，以及一次打错 shard 或一次广播能波及多远、怎么收住。

SQL 调优按三步走：先用 slow query log、pg_stat_statements、performance_schema 找出总耗时最高的语句，再用 EXPLAIN ANALYZE 看它慢在哪，最后改写、加索引或调内存并复测。讲清深分页 OFFSET 改 keyset 的算例、MySQL 行构造器比较用不全索引的坑、work_mem 与 buffer pool 的文档建议值、已删除的 query cache，以及面试答法。

NoSQL 类型与特性

选数据库不是在 SQL 和 NoSQL 之间二选一，而是按每类数据的主访问路径和不能拆开的约束，给它指定一个 canonical owner。比较关系型、key-value、document、wide-column、graph、time-series 六种模型的状态归属、扩展单位、命名故障和恢复方式，附电商平台的完整落位、算例和面试答法。

正则化与反正则化

ACID 四个字母各由数据库里的哪个机制兑现：atomicity 靠日志回滚、consistency 靠约束、durability 靠 WAL 刷盘，以及 PostgreSQL synchronous_commit、InnoDB innodb_flush_log_at_trx_commit、Redis appendfsync、MongoDB write concern 分别让你丢多少数据。BASE 系统怎么用幂等和补偿收敛，附丢数据算例和面试答法。

cache层级与更新策略概览

批处理与流处理怎么选：有界与无界输入、事件时间与处理时间、窗口与 watermark、迟到数据、重放和回填、micro-batch，以及 Lambda 与 Kappa 两种混合做法；附一个交易风控加日报的算例、翻车表和面试答法。

比较 Cache-aside、应用托管 Write-through、Write-behind 与 CDC 驱动失效四种缓存拓扑：数据由谁放进缓存、写在什么时候算成功、旧值由谁清掉，以及每种架构的故障与恢复。

比较 Stateless Consumer Group、Keyed State with Changelog、Event-time Windows with Checkpoints 与 Retained Shard Log with Independent Consumers 四种流处理拓扑：并行的单位是什么、处理进度记在哪、每个 key 的状态放在哪并怎么重建、按哪个时钟判断窗口完整以及迟到事件去哪、崩溃后从哪里重放、状态归谁，以及一次 worker 崩溃或一个卡住的 watermark 能波及多远、怎么收住。

TCP 和 UDP 怎么选：三次握手和 TLS 各占几个 RTT、丢包重传为什么会让延迟跳到秒级、TIME_WAIT 和临时端口耗尽、队头阻塞，以及 QUIC / HTTP/3 如何在 UDP 上重做可靠传输。带跨洲 RTT 算例、翻车表和面试答法。

RPC 与 REST 的设计与对比

API 风格对比

Message Queue 怎么分发工作、怎么保证不丢不重：visibility timeout 与 ack 的时序、competing consumers、重投次数与死信队列、顺序与去重，配 SQS、RabbitMQ、Kafka 的真实默认值，外加一个邮件发送队列的算例、翻车表和面试答法。

比较 Gateway Aggregation、Backend for Frontend、GraphQL Federation 与 CQRS Read View 四种组合拓扑：合并发生在哪、谁拥有这段代码因此改屏幕时谁被卡住、某个服务超时时客户端得到失败、部分答案还是过期答案、每个请求付一次合并还是视图提前付、状态归谁，以及一路超时或一个丢失的事件能波及多远、怎么收住。

比较 Single-region Multi-zone、Active-passive with Warm Standby、Active-active Read Local / Write Global 与 Active-active Write Local 四种区域拓扑：不用人干预能扛住什么故障、一条写要落到哪才算提交、第二个区域会不会落后、谁来切流量、客户端在死掉的区域上停留多久、远方用户读写是本地还是跨越世界、状态归谁，以及一次主区域故障或一份过期的 DNS 答案能波及多远、怎么收住。

比较 Password with Verified Email、Passkey Registration、Federated Identity with Account Linking 与 Directory Provisioning with Invitations 四种注册与开户拓扑：账户创建时证明了什么、哪条记录是账户而哪些只是登录方式、第二种方式怎么挂到已有账户上而不让同邮箱的人接管、除了本人谁能建、停用和删除账户、状态归谁，以及一句泄露存在性的回复或一次按邮箱的自动合并能波及多远、怎么收住。

System Design Handbook 的导读：这本手册怎么组织、每个模块读完应该能回答什么问题、按面试时间线（短期 / 中期 / 长期）分别读哪些章节，以及和「如何处理 System Design 面试题」「System Design Interviews」两章的分工。

比较 Gateways with Pub/Sub Fan-out、Per-conversation Log with Cursor Sync、Per-device Inbox Fan-out on Write 与 Presence-routed Delivery with Store-and-forward Push 四种聊天拓扑：连接落在哪个网关、消息怎么找到另一台机器上的收件人、会话的持久记录是什么、cursor 归谁、扇出发生在写入时还是读取时、离线设备怎么知道有消息在等、状态归谁，以及一次网关重启或一份过期的在线状态能波及多远、怎么收住。

比较 Transactional Outbox with Channel Workers、Preference-gated Service with Per-user Inbox、Digest with Scheduled Flush 与 Provider-tracked Delivery with Feedback Loop 四种通知拓扑：通知记录在哪里出生、会不会在业务写入和发送之间丢、谁决定渠道、决定存在哪、事件一条一发还是攒成一条、供应商的退信、投诉、过期或退订改变下一次发送的什么、状态归谁，以及一次 relay 崩溃或一个处理错的回调能波及多远、怎么收住。

比较 Naive、Advanced、GraphRAG、Agentic 四种可互动的 RAG 拓扑，以及 Modular 与 Multimodal 两个家族：检索路径怎么走、证据存在哪个节点、谁决定 prompt 里放什么、每种架构最常在哪里出错。

比较 Sequential、Concurrent、Group Chat、Handoff 与 Magentic 五种多 Agent 编排：谁决定下一步、状态存在哪个节点、结果怎样收敛、一个 Agent 出错波及多远，以及每种架构的故障与恢复。

比较模型直连工具、Tool Gateway、Sandbox Worker 与 Human Approval Queue 四种执行架构：谁验证参数、谁持有 credential、动作在哪里执行、怎样避免同一个副作用做两次、批准怎样和最终参数绑定，以及每种边界失守时用户看到什么、怎么恢复。

比较按 Key 单写者、乐观多写者 + CAS、事件日志 + 物化视图与 CRDT 复制记忆的拓扑、写入权、一致性与故障边界。

比较 Static Alias、Policy Router、Quality Cascade 与 Race / Ensemble 四种模型路由拓扑：选模型的决定在哪个节点做、读的是什么状态、什么时候允许换模型、选错之后波及多远。

比较离线回归、Shadow、在线实验与 Production Feedback 四种 evaluation topology：每种回答什么问题、要多少样本才看得出差异（带误差范围的算例）、LLM judge 的已知偏差怎么校准、版本和 join key 怎么记，以及回归门禁、影子流量和用户反馈各自怎样出错、怎么恢复。

比较内存循环、Checkpointed Graph、Queue Workers 与 Durable Workflow 四种长任务执行拓扑：进度存在哪个节点、故障后从哪个单位恢复、副作用怎样避免做两次、等人批准时进程要不要活着。

比较 ACL in the Index、Search then Check、Tenant Namespace 与 Policy-compiled Filter 四种带权限的 RAG 拓扑：权限判断发生在搜索前还是搜索后、读的是哪份状态、这份状态有多新，以及判断错了会泄露多远、怎么收住。

比较 Shared Service Credential、User-delegated Token、Short-lived Capability 与 Approval-scoped Grant 四种 Agent 身份拓扑：凭证由谁签发、写的是谁替谁、有多窄多短、人有没有在执行前看过这一笔，以及凭证用错时事故有多大、怎么收住。

比较 Session Transcript、Background Consolidation、Agent-managed Memory Files 与 Governed Lifecycle 四种 Agent 记忆拓扑：记忆由谁写、存在哪个节点、新记忆什么时候对下一轮或下一个会话可见，以及记错、记漏、删不干净时波及多远、怎么收住。

比较 In-app Provider SDK、Central AI Gateway、Federated Gateways 与 Provider-managed Aggregator 四种拓扑：格式翻译和策略在哪个节点执行、凭证和配额归谁所有、一个组件挂了波及多少消费者，以及配错或选错 provider 时怎么收住。

比较 Embedded stdio Server、Remote Stateless Server、Gateway-managed Server 与 Per-tool Authorised Server 四种 MCP 拓扑：server 跑在哪、服务几个客户端、认证和按工具的授权在哪个节点做、状态归谁，以及一条被注入或被劫持的调用能碰到多远、怎么收住。

比较 Policy-sandboxed Local Process、Hardened Container per Task、MicroVM Ephemeral Workspace 与 Computer-use VM 四种沙箱拓扑：Agent 的动作在哪里执行、哪一层边界在拦、网络能到哪、任务结束后什么还留着、状态归谁，以及一条被注入的命令或一张被投毒的截图能碰到多远、怎么收住。

比较 In-process Handoff、Agent-as-tool Delegation、Shared Queue/Blackboard 与 Federated A2A 四种代理间协作拓扑：控制权转移之后归谁、两个代理共不共享上下文和记忆、交换是同步的还是要扛得住断线、调用前怎么知道对方能做什么，以及转错人、专家答不全、写入没幂等、往已终态任务发消息这几种情况能波及多远、怎么收住。

学习路径建议

参考资料

2 的次方表与latency数速查

真实架构、公司架构与工程博客