第四章：透明多级分流系统_《凤凰架构：构建可靠的大型分布式系统》

第四章：透明多级分流系统

---

一、客户端缓存

核心目标：减少重复请求，降低服务端压力。

1. 强制缓存

• 定义：客户端直接根据缓存规则决定是否使用本地缓存，无需与服务端交互。
• 关键HTTP头：
  • Cache-Control：优先级最高，如 max-age=3600（缓存1小时）。
  • Expires：绝对时间戳（HTTP/1.0遗留字段）。
• 缓存策略：
  • 资源未过期时直接使用本地缓存（状态码200，标记为from cache）。
  • 资源过期后重新请求服务端。

2. 协商缓存

• 定义：客户端需携带验证信息（如时间戳、哈希值）到服务端，由服务端决定是否使用缓存。
• 关键HTTP头：
  • Last-Modified（服务端返回）与 If-Modified-Since（客户端发送）：基于时间戳验证。
  • ETag（服务端返回）与 If-None-Match（客户端发送）：基于哈希值验证。
• 状态码：若资源未修改，返回304 Not Modified，客户端使用本地缓存。

难点：

• 强制缓存与协商缓存的优先级关系（强制缓存优先）。
• ETag的生成算法对性能的影响（如使用强校验还是弱校验）。

---

二、域名解析（DNS）

核心目标：将域名映射为IP地址，实现流量初步分流。

1. DNS解析流程

1. 浏览器缓存 → 本地Host文件 → 本地DNS服务器 → 根DNS → 权威DNS。
2. 递归查询与迭代查询的区别。

2. DNS负载均衡

• 轮询策略：将同一域名解析为多个IP地址，实现简单负载均衡。
• 智能DNS：基于地理位置、网络质量动态返回最优IP。

3. 安全问题

• DNS劫持：篡改解析结果，需通过HTTPS或DNS over HTTPS（DoH）防范。
• TTL设置：过短的TTL增加DNS查询压力，过长的TTL降低灵活性。

---

三、传输链路优化

核心目标：提升网络传输效率与可靠性。

1. 连接数优化

• HTTP/1.1 Keep-Alive：复用TCP连接，减少握手开销。
• HTTP/2多路复用：单连接上并行传输多个请求，解决队头阻塞问题。
• HTTP/3 QUIC：基于UDP，解决TCP队头阻塞，支持0-RTT握手。

2. 传输压缩

• 内容编码：gzip、brotli等算法压缩响应体。
• 传输编码：分块传输（Transfer-Encoding: chunked）支持流式传输。
• 头部压缩：HTTP/2使用HPACK算法压缩头部字段。

3. QUIC协议优势

• 0-RTT连接建立：减少握手延迟。
• 前向纠错（FEC）：降低数据包重传概率。
• 连接迁移：IP变化时仍保持连接（适用于移动端）。

---

四、内容分发网络（CDN）

核心目标：将资源缓存到边缘节点，就近响应用户请求。

1. CDN路由解析

• DNS调度：根据用户IP返回最近的边缘节点IP。
• Anycast技术：同一IP地址广播到多个节点，路由选择最优路径。

2. 缓存策略

• 缓存预热：提前将资源推送到CDN节点。
• 缓存淘汰：基于LRU、TTL等算法更新资源。
• 动态内容加速：通过边缘计算处理动态请求（如API Gateway）。

3. CDN应用场景

• 静态资源加速：图片、CSS、JavaScript等。
• 流媒体分发：视频切片（HLS/DASH）、直播推流。
• 安全防护：DDoS防御、WAF集成。

---

五、负载均衡

核心目标：将请求分发到多个服务实例，提升系统吞吐与可用性。

1. 负载均衡层级

• 四层（L4）：基于IP+端口（如Nginx的stream模块）。
• 七层（L7）：基于HTTP头部、URL路径（如Nginx的http模块）。

2. 负载均衡算法

• 轮询（Round Robin）：简单轮转，适用于实例性能均等。
• 加权轮询（Weighted RR）：根据实例权重分配流量。
• 最少连接（Least Connections）：优先选择连接数少的实例。
• 一致性哈希：相同请求路由到固定实例，适合有状态服务。

3. 会话保持（Session Affinity）

• Cookie注入：在响应中插入会话标识（如JSESSIONID）。
• IP哈希：基于客户端IP计算哈希值，固定路由。

---

六、服务端缓存

核心目标：减少数据库或计算密集型操作的压力。

1. 缓存分类

• 本地缓存：如Guava Cache、Caffeine（单机使用，无一致性保证）。
• 分布式缓存：如Redis、Memcached（多节点共享，需解决一致性）。

2. 缓存策略

• 过期策略：
  • TTL（Time-To-Live）：固定时间后失效。
  • 惰性过期：访问时检查是否过期。
  • 定期清理：后台线程扫描过期键。
• 淘汰策略：LRU、LFU、FIFO等。

3. 缓存问题与解决方案

• 缓存穿透：大量请求不存在的Key → 布隆过滤器拦截非法请求。
• 缓存雪崩：大量Key同时失效 → 随机化TTL或熔断降级。
• 缓存击穿：热点Key失效 → 互斥锁（如Redis的SETNX）或永不过期。

---

七、总结与设计要点

1. 多级分流协同：客户端缓存 → CDN → 负载均衡 → 服务端缓存，逐级减少请求压力。
2. 性能与一致性的权衡：缓存时间越长，性能越好，但可能牺牲数据一致性。
3. 动态内容处理：边缘计算（如CDN的Lambda@Edge）支持动态请求加速。
4. 协议选择：HTTP/2/3的普及对连接管理和传输效率有显著提升。
5. 容灾设计：DNS故障切换、负载均衡健康检查、缓存降级策略。

---

多选题

---

一、客户端缓存相关

1. 关于协商缓存机制的描述，正确的是：
   A. 通过Cache-Control: max-age=3600控制
   B. 使用ETag和Last-Modified验证资源新鲜度
   C. 响应状态码为200 (from cache)时触发
   D. 需要服务器验证资源是否过期
   答案：B、D
   解析：协商缓存通过ETag/Last-Modified与服务端验证资源是否更新，状态码为304 Not Modified。Cache-Control属于强制缓存，200 (from cache)是强制缓存命中。

2. 强制缓存可能导致的问题包括：
   A. 客户端无法及时获取更新后的资源
   B. 服务器负载增加
   C. 浏览器重复发送验证请求
   D. CDN边缘节点缓存过期不一致
   答案：A、D
   解析：强制缓存跳过服务端验证，可能导致客户端资源过期（A）。CDN节点缓存时间不一致会导致用户获取不同版本资源（D）。B错误（强制缓存减少服务端负载），C是协商缓存的特点。

---

二、域名解析与传输链路

3. DNS负载均衡的局限性包括：
   A. 无法感知后端服务器的实时状态
   B. 不支持基于地理位置的解析
   C. 仅支持A记录类型
   D. DNS记录TTL影响灵活性
   答案：A、D
   解析：DNS负载均衡无法动态感知服务器状态（A），且TTL过长会导致解析延迟（D）。B错误（支持地理位置解析），C错误（支持CNAME、SRV等）。

4. 关于QUIC协议，正确的说法是：
   A. 基于TCP实现可靠传输
   B. 默认启用TLS 1.3加密
   C. 解决队头阻塞问题
   D. 握手延迟低于HTTP/2
   答案：B、C、D
   解析：QUIC基于UDP（A错误），默认加密（B），多路复用无队头阻塞（C），0-RTT握手降低延迟（D）。

---

三、CDN与负载均衡

5. CDN路由解析可能采用的技术包括：
   A. DNS解析返回最优边缘节点IP
   B. Anycast IP地址广播
   C. HTTP重定向到最近节点
   D. 客户端IP地理数据库匹配
   答案：A、B、C
   解析：DNS解析（A）、Anycast（B）、HTTP 302重定向（C）均为CDN路由策略。D是客户端自主行为，非CDN实现。

6. 应用层负载均衡（如Nginx）的优势包括：
   A. 支持基于HTTP头的路由规则
   B. 可解析SSL/TLS加密流量
   C. 高性能，仅依赖IP和端口转发
   D. 实现会话保持（Session Persistence）
   答案：A、B、D
   解析：应用层负载均衡可解析HTTP头（A）、解密SSL（B）、会话保持（D）。C是网络层负载均衡的特点。

---

四、服务端缓存与风险

7. 缓存击穿的解决方案包括：
   A. 设置随机过期时间
   B. 使用互斥锁（Mutex Lock）重建缓存
   C. 布隆过滤器拦截无效查询
   D. 缓存空值（Null Object）
   答案：B、D
   解析：缓存击穿指热点key失效后高并发请求穿透到DB。互斥锁（B）和缓存空值（D）可缓解。A是缓存雪崩方案，C是缓存穿透方案。

8. 关于缓存一致性的描述，正确的是：
   A. 强一致性可通过同步更新DB和缓存实现
   B. 最终一致性模型中可能存在短暂脏数据
   C. 写穿透（Write-Through）策略优先更新缓存
   D. 延迟双删策略可解决并发写问题
   答案：A、B、C
   解析：强一致性需同步更新（A），最终一致性允许短暂不一致（B），写穿透先更新缓存（C）。D错误（延迟双删解决缓存失效后重建问题）。

---

五、综合设计

9. 设计高可用传输链路时，必要的措施包括：
   A. 启用HTTP/2多路复用减少连接数
   B. 使用Brotli压缩替代Gzip
   C. 配置TCP Fast Open（TFO）
   D. 开启TLS会话恢复（Session Resumption）
   答案：A、C、D
   解析：HTTP/2多路复用（A）、TFO减少握手（C）、TLS会话恢复（D）提升性能。B是可选项，非必要。

10. 在微服务架构中，服务端缓存设计需考虑：
    A. 分布式锁实现原子性操作
    B. 缓存分区避免单点故障
    C. 本地缓存与远程缓存的多级分层
    D. 使用一致性哈希均衡负载
    答案：A、B、C、D
    解析：分布式锁（A）、缓存分区（B）、多级缓存（C）、一致性哈希（D）均为微服务缓存设计要点。

---

答案与解析总结

1. 客户端缓存：区分强制缓存（状态码200）与协商缓存（304），ETag/Last-Modified用于验证。
2. 域名解析：DNS负载均衡依赖TTL和记录类型，无法动态感知服务器状态。
3. 传输链路：QUIC基于UDP，解决队头阻塞，0-RTT握手；HTTP/2多路复用减少连接数。
4. CDN：路由策略包括DNS、Anycast、HTTP重定向；负载均衡需考虑应用层规则。
5. 服务端缓存：缓存击穿（互斥锁）、雪崩（随机过期）、穿透（布隆过滤器）；一致性模型需权衡强一致与最终一致。
6. 系统设计：多级缓存、分布式锁、一致性哈希是微服务缓存核心设计模式。

通过以上题目可全面覆盖第四章的核心技术点，重点考察对缓存策略、传输协议、负载均衡机制及分布式系统设计原则的理解深度。