如何设计一个短网址服务

2023-11-17 chensoul

如何生成一个短网址服务，参考 Design a URL Shortening Service / TinyURL 和 Designing a URL Shortening service like TinyURL 两篇文章，整理如下笔记。

其中主要包括以下内容：

设计一个系统有哪些步骤
- 需求
- 预估
- 设计
  - 高层次设计
  - API 设计
  - 细节设计
- 评估
设计一个短网址服务的细节

设计步骤

Requirements 需求
- 功能性需求
  - 短 URL 生成：我们的服务应该能够为给定 URL 生成唯一的较短别名。
  - 重定向：给定一个短链接，我们的系统应该能够将用户重定向到原始 URL。
  - 自定义短链接：用户应该能够使用我们的系统为其 URL 生成自定义短链接。
  - 删除：在赋予权限的情况下，用户应该能够删除我们系统生成的短链接。
  - 更新：如果有适当的权限，用户应该能够更新与短链接关联的长 URL。
  - 过期时间：短链接必须有一个默认的过期时间，但用户应该可以根据自己的需求设置过期时间。
- 分功能性需求：可用性、可靠性、扩展性、可维护性、容错性
  - 可用性：我们的系统应该具有高可用性，因为即使是第二次停机的一小部分也会导致 URL 重定向失败。由于我们系统的域位于 URL 中，因此我们没有停机时间的优势，并且我们的设计必须灌输容错条件。
  - 可扩展性：我们的系统应该能够随着需求的增加而水平扩展。
  - 可读性：我们的系统生成的短链接应该易于阅读、区分和输入。
  - 延迟：系统应以低延迟执行，以便为用户提供流畅的体验。
  - 不可预测性：从安全角度来看，我们的系统生成的短链接应该是高度不可预测的。这确保了下一个短 URL 不会连续生成，从而消除了有人猜测我们的系统已经生成或将生成的所有短 URL 的可能性。
Estimation 估计
- 流量
  - 读写比：1:100
  - 每月请求数：2 亿
  - 单条记录占用空间：500B
  - 记录保存多长时间：5 年
  - 每日活跃用户 (DAU) ：1 亿
- 存储
  - 5 年记录数：2 亿 x 5 x 12 =120 亿
  - 总存储：120 亿 x 500B= 120 亿 x 0.5KB=6TB
- 带宽
  - 每秒写请求：2 亿 / 30 /24 /60 /60 = 77次/s
  - 写入带宽：77 x 500B =38KB/s
  - 读带宽：38 x 100 =3.8MB/s
- 内存：存储的 20%
  - 每天缓存内存：77 x 100 x 24 x 3600 x 20% x 500B = 66GB
- 服务器：
  - 数据量：1亿 /8000=12500
    - 为什么按单台服务器处理并发请求 8000 计算？
Design 设计
- High-Level design 高层次设计
  - 组件
    - 数据库：需要数据库来存储长 URL 和相应的短 URL 的映射。
    - 序列器：Sequencer 将提供唯一的 ID，作为每个短 URL 生成的起点。
    - 负载均衡：各个层的负载均衡器将确保可用服务器之间的请求平稳分配。
    - 缓存：缓存将用于存储最频繁的短 URL 相关请求。
    - 限流器：将使用速率限制器来避免系统被利用。
    - 服务器：用于处理和导航服务请求以及运行应用程序逻辑。
    - Base-58 编码器：用于将序列器的数字输出转换为更可读和更可用的字母数字形式。
  - 设计图
- Application Programming Interfaces (APIs) API 设计
  - REST API
    - 创建短网址
      - shortURL(api_dev_key, original_url, custom_alias=None, expiry_date=None)
    - 重定向短网址
      - redirectURL(api_dev_key, url_key)
    - 删除短网址
      - deleteURL(api_dev_key, url_key)
- Detailed design 详细设计
  - 组件
    - 数据库：
      - 存储
        用户表
        ID、name
        URL 的映射
        ID、url、createDate、expireDate、userId
      - 选择 NoSQL：
        选择 MongoDB：
        它使用领导者-跟随者协议，使得使用副本进行大量读取成为可能。
        MongoDB 确保并发写入操作的原子性，并通过针对记录重复问题返回重复键错误来避免冲突。
        为什么不选择 Cassandra、Riak 和 DynamoDB 等 NoSQL 数据库？
        Cassandra、Riak 和 DynamoDB 等 NoSQL 数据库在读取阶段需要读取修复，因此读取写入性能较慢。
        它们是无领导者的 NoSQL 数据库，在并发写入时提供较弱的数据一致性保证。
    - 序列器：
      - 用于生成唯一 ID 的序列器
        序列器生成 64 位的整数 ID，大小限制为从 1 亿到 2^63-1，最大位数为 20
        表示一个十进制数字所需的位数 log2(10) ≈ 3.32
        64位数值ID中的十进制数字的总位数 64/3.32 ≈ 20
        将生成的 ID 转换为 58 进制，最大位数为 11
        表示一个58进制数字所需的位数 log2(58) ≈ 5.8585
        64位数值ID中的58进制数字的总位数 64/5.8585 ≈ 11
        生命周期
        可用的 ID 数量 2^64 -10^9= 18446644 亿
        可以使用多少年 18446644 亿 / 24亿=7686143363.63年
      - Base-58 编码器
        从 64 字符（包括 A-Z、a-z、0-9、 + 和 / ）删除 6 个（+、/、0 、 O 、 I 和 l）以增强可读性
    - 负载均衡
      - 本地负载均衡
        客户端和应用服务器之间
        应用服务器和数据库服务器之间
        应用服务器和缓存服务器之间
      - 全局负载均衡
        数据库地理位置一致
        如果使用数据中心，则可以在短地址中添加字符表示数据中心：http://service.com/x/short123
    - 缓存
      - 限制每个用户的配额
      - 读密集型，选择 Memcached
      - 使用 LRU 缓存来淘汰不经常访问的网址
    - 限流器：固定窗口计数器算法
  - 设计图
  - 工作流
    - 创建短网址
      - 自定义非必填，别名长度不能大于 11，不能小于 3
    - 重定向短网址
      - 使用 302 重定向：可以对短网址进行统计
        301 永久重定向：第一次请求拿到长链接后，下次浏览器再去请求短链的话，不会向短网址服务器请求了，而是直接从浏览器的缓存里拿，减少对服务器的压力
        302 临时重定向：每次去请求短链都会去请求短网址服务器（除非响应中用 Cache-Control 或 Expired 暗示浏览器进行缓存）
    - 删除短网址
      - 用户通过 Rest API 删除
      - 用户访问过期的短网址时，删除
      - 运行定时任务，先删数据库记录，再删缓存。如果需要再保险一点，再启用延时双删，或者直接同步数据库的 binlog 来删缓存
Evaluation 评估
- 高可用
  - 每天备份存储和缓存服务器，最好一天两次
  - 全局服务器负载平衡来处理系统的流量。
  - 速率限制器限制每个用户的资源分配。
- 扩展性
  - 数据库的水平分片。
  - MongoDB - 作为 NoSQL 数据库。
  - 基于一致性哈希的数据分布。
- 可读性
  - 引入 Base-58 编码器来生成短 URL。
  - 删除非字母数字字符。
  - 删除相似的字符。
- 延迟
  - MongoDB 低延迟和高吞吐量。
  - 分布式缓存，最大限度减少服务延迟。
- 不可预计性
  - ID 唯一且不可预测

参考文章

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