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本文內容的章節是來自內行人才知道的系統設計面試指南 vol2

確立問題與設計範疇

摘要:

• 高吞吐量 (TPS)： 系統需要支援每秒 1,000,000 次交易 (1,000,000 TPS)。

• 為了達到這個目標，後端估算可能需要約 2,000 個資料庫節點來處理每秒 1 百萬次轉帳（因為每次轉帳涉及兩條指令，相當於 2 百萬次操作）。

• 可靠性： 系統的可靠性必須至少達到 99.99%。

• 事務與一致性： 必須支援交易 (transactions)，以確保資料的正確性。

• 可重現性 (Reproducibility)： 系統需要具備從頭開始重放資料來重建歷史餘額的能力

Step 1 粗略估算

1. 估算的前提與假設

• 背景： 討論 TPS 時，通常假設系統將使用事務型資料庫 (transactional database)。

• 性能基準： 來源指出，現今運行在典型資料中心節點上的關係型資料庫，大約可以支援每秒幾千次事務。

• 單節點假設： 為了進行估算，假設一個資料庫節點可以支援 1,000 TPS（每秒 1,000 次事務）。

• 目標負載： 系統必須支援 1,000,000 TPS（每秒 1 百萬次交易）。

2. 初始計算與修正

這個估算過程的關鍵點在於，交易數（轉帳次數）並不等同於實際的資料庫操作數。

1. 初始（不準確的）計算： 如果系統需要 1,000,000 TPS，而每個資料庫節點能處理 1,000 TPS，那麼初始估算需要 1,000 個資料庫節點（1,000,000 / 1,000 = 1,000）。

2. 關鍵修正（實際操作數）： 這個計算被認為是稍微不準確的。這是因為每個轉帳指令 (transfer command) 需要兩個操作：

◦ 從一個帳戶扣除資金 (deducting money)。

◦ 向另一個帳戶存入資金 (depositing money)。

3. 最終所需的節點數量： 為了支援每秒 1 百萬次的轉帳，系統實際上需要處理高達 2 百萬次 TPS（2,000,000 TPS，即 2 百萬次操作）。 因此，根據每個節點 1,000 TPS 的假設，系統需要 2,000 個節點（2,000,000 / 1,000 = 2,000 節點）來支援此負載。

3. 對設計的影響

這個粗略估算直接影響了設計目標，因為所需節點的總數與單節點可處理的事務次數成反比：

• 設計目標： 降低所需的總節點數量是設計目標之一，這意味著必須增加單一節點可以處理的事務數量 (per-node TPS)。單節點的 TPS 越高，所需的硬體成本就越低。

來源提供了 TPS 與所需節點數量的映射表（Table 12.1），進一步說明了這種關係：

總結來說，粗略估算確定了數位錢包系統為了處理 1 百萬次轉帳的負載，需要數千個資料庫節點，這為後續討論分區 (sharding)、分佈式事務 (distributed transactions) 以及如何提高單節點效率奠定了基礎。