Networking Essentials

Networking 是 system design 的基础：你几乎总是在设计一堆独立的 devices，通过 network 互相通信。Networking 这个领域又大又深，面试里不会考到“电压层面”的细节，但需要你能清晰地讲出 层次模型、关键协议、以及在架构里如何选型。

这章会从基础原理开始，快速覆盖 network stack 的关键层与主流协议，然后通过一个简单 web request 例子串起来，再延伸到 API 协议、实时通信、load balancing、以及常见 failure 处理。

Networking 101

Networking 的核心是 连接设备、让它们能沟通。我们一般用分层架构（OSI model / TCP/IP model）来理解网络，这让 application developer 不需要知道电信号细节，只要用下一层提供的 abstraction。

Networking Layers

面试里最常出现的三层：

• Network Layer (L3)：IP 负责 routing / addressing，把 data 切成 packets 并在网络中转发。
• Transport Layer (L4)：TCP / UDP / QUIC 提供 end-to-end 通信能力，负责可靠性、顺序、flow control 等。
• Application Layer (L7)：DNS、HTTP、WebSocket、WebRTC 等协议，直接服务于应用层的通信需求。

Example: A Simple Web Request

当你在 browser 里输入 URL，网络大致按下面流程工作：

1. DNS Resolution：把 domain name 转成 IP address。
2. TCP Handshake：三次握手建立连接（SYN → SYN-ACK → ACK）。
3. HTTP Request：发送 HTTP GET 请求。
4. Server Processing：服务端处理请求并生成 response。
5. HTTP Response：把响应返回给 client。
6. TCP Teardown：四次挥手关闭连接（FIN / ACK）。

几个关键观察：

• 应用层只看到 request/response，但底层发生了更多 packets 与 handshake。
• TCP 提供可靠性与顺序保障，简化了 application 的心智负担。
• 连接是 stateful 的，频繁建连会带来额外 latency；HTTP keep-alive / HTTP2 多路复用能缓解这个问题。

Network Layer Protocols

这一层由 IP 主导，负责 routing 与 addressing。服务器通常通过 DHCP 获取 IP。你可以在 private network 中自定义 IP，但对外服务需要 public IP（由 RIR 分配、可在全球路由）。

面试里你不需要深入 BGP 细节，但要知道：internet routing 基于 public IP，流量会被送到对应 ISP / backbone 的 routers。

Transport Layer Protocols

这一层提供 end-to-end 可靠通信。主要是 TCP / UDP / QUIC：

• TCP：可靠、有序、流控、拥塞控制。
• UDP：低 overhead、低 latency，但不保证送达/顺序。
• QUIC：基于 UDP 的现代化协议（HTTP/3），更低延迟、更快建连，但面试里通常只需要知道它是 “更现代的 TCP”。

UDP: Fast but Unreliable

UDP 是 “spray and pray”。适合对 latency 极敏感且可容忍丢包的场景。

Key characteristics:

• Connectionless：不需要 handshake
• No guarantee of delivery
• No ordering guarantees
• Lower latency

典型 use cases：

• live video streaming
• online gaming
• VoIP
• DNS queries

Browser 对 UDP 的支持有限（主要通过 WebRTC）。如果需要 browser 客户端，通常要有 HTTP fallback。

TCP: Reliable but with Overhead

TCP 提供可靠、按序、error-checked 的传输，建立在 connection（stream）之上。它通过 ACK 与重传确保数据到达。

Key characteristics:

• Connection-oriented
• Reliable delivery
• Flow control
• Congestion control

TCP 是默认选择，除非你有明确的理由选 UDP。

When to Choose Each Protocol

通常默认 TCP。你可能选择 UDP 的情形：

• Low latency 极其关键（实时应用、gaming）
• 可以容忍丢包（media streaming）
• 高吞吐 telemetry/logs，偶尔丢包 OK
• 不需要 browser 支持

Application Layer Protocols

Application layer 运行在 user space，灵活、易改；L4/L3 多在 kernel space，性能高但难改。

HTTP/HTTPS: The Web's Foundation

HTTP 是 request-response 协议，stateless。这是 system design 里很好的默认：尽量让服务 stateless。

核心概念：

• Methods：GET / POST / PUT / PATCH / DELETE
• Status Codes：200 / 201 / 301 / 302 / 401 / 403 / 404 / 429 / 500 / 502
• Headers：metadata
• Body：payload

HTTP headers 是 “flexible interface” 的好例子，比如 Accept-Encoding 与 Content-Encoding 让 server/client 自由协商 gzip / brotli。

HTTPS 在 HTTP 上增加 TLS/SSL，确保传输加密，但 不等于信任请求体。不要直接信任 request body 里的 userId，一定要 server-side validate。

REST: Simple and Flexible

REST 把 API 设计成 “resources + verbs”。常见 pattern：

GET /users/{id} -> User
PUT /users/{id} -> User
POST /users -> User
GET /users/{id}/posts -> [Post]

REST 好理解、好扩展，是面试里的默认选择。但 JSON 序列化成本高，在高吞吐系统里不是最优。

Where to use it：大多数 public APIs、CRUD 型服务。

GraphQL: Flexible Data Fetching

GraphQL 允许 client 精确指定需要的数据，解决 under-fetching 与 over-fetching：

query GetUsersWithProfilesAndGroups($limit: Int = 10, $offset: Int = 0) {
	users(limit: $limit, offset: $offset) {
		id
		username
		profile {
			id
			fullName
			avatar
		}
		groups {
			id
			name
			description
			category {
				id
				name
				icon
			}
		}
		status {
			isActive
			lastActiveAt
		}
	}
	_metadata {
		totalCount
		hasNextPage
	}
}

GraphQL 适合 需求变化快、client 复杂 的场景，但 server 复杂度高、执行成本高。面试里如果需求明确，GraphQL 的优势不一定明显。

gRPC: Efficient Service Communication

gRPC 使用 HTTP/2 + Protocol Buffers，binary 序列化效率高，适合 internal service-to-service 通信。

message User { string id = 1; string name = 2; }
message GetUserRequest { string id = 1; }
message GetUserResponse { User user = 1; }
service UserService { rpc GetUser (GetUserRequest) returns (GetUserResponse); }

Where to use it：microservices 内部调用、性能敏感、低 latency。 Avoid for public APIs（browser/tooling 支持弱）。常见组合：internal gRPC + external REST。

Server-Sent Events (SSE)

SSE 基于 HTTP 的单向 streaming（server -> client），适合通知类实时更新，比如价格/状态推送。

WebSockets

WebSocket 提供 bidirectional realtime connection：

• Client 通过 HTTP handshake
• 升级到 WebSocket protocol
• 双向发送 binary message
• 连接保持直到显式关闭

WebRTC

WebRTC 用于 peer-to-peer，常配合 STUN/TURN：

• STUN：获取 public IP/port，解决 NAT traversal
• TURN：中继服务器，NAT 无法直连时兜底

常见流程：

1. Client 连接 signaling server 交换信息
2. STUN 获取 public IP/port
3. 通过 signaling server 交换信息
4. 建立 P2P 连接并传输数据

Load Balancing

Types of Load Balancing

Client-Side Load Balancing

• Example: Redis Cluster
• Example: DNS-based

Dedicated Load Balancers

• Layer 4 (L4)：高性能、低开销，不看请求内容
• Layer 7 (L7)：可基于 URL/header/cookie routing，功能强但更耗 CPU

Health Checks and Fault Tolerance

Load balancer 通过 health checks 剔除 unhealthy instances，提升可用性。

Algorithms

• Round Robin
• Random
• Least Connections
• Least Response Time
• IP Hash（session persistence）

Real-World Implementations

• Hardware: F5 BIG-IP
• Software: HAProxy, NGINX, Envoy
• Cloud: AWS ELB/ALB/NLB, GCP LB, Azure LB

Common Deep Dives and Challenges

Regionalization and Latency

• CDN：把 static content 推近用户
• Regional Partitioning：数据与服务按 region 分片

Handling Failures and Fault Modes

Timeouts & Retries

需要 exponential backoff，避免放大流量。配合 idempotency 防止重复写入。

Circuit Breaker

• 失败次数超阈值后 “trip”
• open 状态直接 fail fast
• timeout 后进入 half-open，试探恢复

好处：

• Fail Fast
• Reduce Load
• Self-Healing
• Improve UX
• Prevent cascading failures

适用场景：

• third-party APIs
• DB connections
• service-to-service calls
• 任何可能 timeout 的 network call

Wrapping Up

• Understand basics: IP addressing, DNS, TCP/IP model
• Know protocols: TCP vs UDP, HTTP/HTTPS, WebSockets, gRPC
• Master load balancing: client-side + dedicated LB
• Plan for reality: regionalization, retries, circuit breakers

如果你想自测，可以用一些 networking quiz 检查理解（面试里经常是“概念 + 选型 + trade-off”组合问法）。