本周系统设计复习：

  • 扩展数据库的 7 个必知策略
  • 我们如何在失败时重试？
  • Reddit 的核心架构
  • 关于跨站脚本（XSS）你需要知道的一切

扩展数据库的 7 个策略

1. 索引（Indexing）

检查应用的查询模式并创建正确的索引。

  • 为常用查询列创建索引
  • 避免过度索引（写入开销）
  • 使用复合索引用于多列查询

2. 物化视图（Materialized Views）

预计算复杂查询结果并存储它们以更快速访问。

  • 适合复杂聚合查询
  • 需要定期刷新

3. 去规范化（Denormalization）

减少复杂连接以提高查询性能。

  • 用读取空间换时间
  • 增加数据冗余

4. 垂直扩展（Vertical Scaling）

通过添加更多 CPU、RAM 或存储提升数据库服务器。

  • 简单直接
  • 有硬件上限
  • 单点故障风险

5. 缓存（Caching）

将频繁访问的数据存储在更快的存储层以减少数据库负载。

  • Redis、Memcached
  • 应用层缓存
  • 查询结果缓存

6. 复制（Replication）

在不同服务器上创建主数据库的副本以扩展读取。

  • 主从复制
  • 读写分离
  • 提高可用性

7. 分片（Sharding）

将数据库表分成更小的片段并将它们分布在服务器上。用于扩展写入和读取。

  • 基于范围分片
  • 基于哈希分片
  • 一致性哈希

重试策略

在分布式系统和网络应用中，重试策略对有效处理瞬时错误和网络不稳定至关重要。下图显示了 4 种常见重试策略。

1. 线性回退（Linear Backoff）

线性回退涉及在重试尝试之间等待逐渐增加的固定间隔。

优点：

  • 实现和理解简单

缺点：

  • 在高负载或高并发环境下可能不理想，可能导致资源竞争或”重试风暴”

2. 线性抖动回退（Linear Jitter Backoff）

线性抖动回退通过向重试间隔引入随机性修改线性回退策略。此策略仍然线性增加延迟但为每个间隔添加随机”抖动”。

优点：

  • 随机性帮助将重试尝试在时间上分散，减少跨实例同步重试的机会

缺点：

  • 虽然比简单线性回退好，此策略仍可能导致同步重试的潜在问题，因为基础间隔仅线性增加

3. 指数回退（Exponential Backoff）

指数回退涉及指数增加重试之间的延迟。间隔可能从 1 秒开始，然后增加到 2 秒、4 秒、8 秒，依此类推，通常到最大延迟。这种方法比线性回退在间隔重试方面更激进。

优点：

  • 显著减少系统负载和重试尝试碰撞或重叠的可能性，使其适用于高负载环境

缺点：

  • 在快速重试可能解决问题的情况下，此方法可能不必要地延迟解决

4. 指数抖动回退（Exponential Jitter Backoff）

指数抖动回退结合指数回退与随机性。每次重试后，回退间隔指数增加，然后应用随机抖动。抖动可以是加法的（向指数延迟添加随机量）或乘法的（将指数延迟乘以随机因子）。

优点：

  • 提供指数回退的所有好处，由于引入抖动，进一步减少重试碰撞的机会

缺点：

  • 随机性有时可能导致比必要更长的延迟，特别是如果抖动很大

Reddit 核心架构

快速看看 Reddit 的核心架构，帮助它每月服务超过 10 亿用户。

此信息基于许多 Reddit 工程博客的研究。但由于架构不断演变，某些方面可能已变化。

Reddit 架构要点

  • Reddit 使用 Fastly 的内容分发网络（CDN）作为应用的前端
  • Reddit 在 2009 年初开始使用 jQuery。后来，他们开始使用 TypeScript，现在已转向现代 Node.js 框架。多年来，Reddit 也为 Android 和 iOS 构建了移动应用
  • 在应用栈内，负载均衡器坐在前面并将传入请求路由到适当的服务
  • Reddit 开始是基于 Python 的单体应用，但已开始转向使用 Go 构建的微服务
  • Reddit 大量使用 GraphQL 作为其 API 层。2021 年初，他们开始转向 GraphQL Federation，这是一种组合多个较小 GraphQL API（称为 Domain Graph Services，DGS）的方式。2022 年，Reddit 的 GraphQL 团队为核心 Reddit 实体添加了几个新的 Go 子图，从而拆分了 GraphQL 单体
  • 从数据存储角度看，Reddit 依赖 Postgres 作为其核心数据模型。为减少数据库负载，他们在 Postgres 前面使用 memcached。此外，他们大量使用 Cassandra 用于新功能，主要因为其弹性和可用性特性
  • 为支持数据复制和维护缓存一致性，Reddit 使用 Debezium 运行变更数据捕获（CDC）流程
  • 昂贵操作如用户投票或提交链接通过 RabbitMQ 延迟到异步作业队列并由作业 worker 处理。对于内容安全检查和审核，他们使用 Kafka 实时传输数据以运行规则
  • Reddit 使用 AWS 和 Kubernetes 作为其各种应用和内部服务的托管平台
  • 对于部署和基础设施，他们使用 Spinnaker、Drone CI 和 Terraform

跨站脚本（XSS）

XSS 是一种普遍存在的漏洞，发生在恶意脚本注入到网页时，通常通过输入字段。下图深入探讨了当用户输入处理不当并随后返回给客户端时，这种漏洞如何出现，使系统容易受到利用。

理解反射型和存储型 XSS 之间的区别至关重要。反射型 XSS 涉及注入脚本的立即执行，而存储型 XSS 随时间持续，构成长期威胁。深入图表以全面比较这些攻击向量。

想象这个场景：一个狡猾的黑客利用 XSS 秘密从用户浏览器收获用户凭据，如 cookie，可能导致未经授权的访问和数据泄露。这是一个可怕的现实。

但别担心！我们的传单还深入探讨了有效的缓解策略，使你能够加强系统抵御 XSS 攻击。从输入验证和输出编码到实施严格的内容安全策略（CSP），我们已覆盖。

本文为学习目的的个人翻译，译文仅供参考。

原文链接：EP114: 7 Must-know Strategies to Scale Your Database。

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