原文链接：
https://www.educative.io/courses/grokking-the-system-design-interview/m2ygV4E81AR
编者注：本文以一道经典的系统设计面试题：《如何设计TinyURL》的参考答案和解析为例，帮助读者更深入地了解在系统需求分析和设计中，需要考虑的各个方面的细节。
本文将为大家详细讲解如何设计一个类似于TinyURL的URL缩短服务。URL缩短服务提供一个非常短小的URL以代替原来的可能较长的URL，将长的URL地址缩短。
类似的服务有：bit.ly，goo.gl，qlink.me,等等。
一、为什么需要URL缩短服务？
URL缩短服务是用来为长URL创建简短别名的。我们称这些缩短的别名为“短网址”。当用户点击这些短网址时，能够重定向到原始的URL。相较于原始URL，短网址在显示、打印、发送消息或微博时能够节省大量空间。另外，用户输错短网址的可能性也比较小。
举个例子，如果我们通过TinyURL来缩短下面这个网址：
https://www.educative.io/collection/page/5668639101419520/5649050225344512/5668600916475904/
我们可以得到以下的短网址：
http://tinyurl.com/jlg8zpc
上面这个短网址的长度几乎只有实际URL的三分之一。
URL缩短用于优化跨设备的链接，通过跟踪单个链接来分析受众和活动性能，并隐藏关联的原始URL。
如果你以前没有使用过http://tinyurl.com/这个网站，请尝试设计并创建一个新的网址缩短系统，然后，花一些时间浏览它们提供的各种服务选项。这会帮助你更好地理解本章节的内容。
二、系统的需求和目标
设计的URL缩短系统应符合以下需求：
功能性需求：
１、给定一个原始URL，该系统能够生成一个较短且唯一的短网址。这个短网址的长度应该足够短，以便轻松复制和粘贴到应用程序中。
２、当用户访问一个短网址时，该系统应该将它们重定向到原始链接。
３、用户可以为他们的URL选择一个自定义的短网址。
４、在标准的默认时间间隔后，对应的短网址过期。过期时间允许用户设置。
非功能性需求：
１、该系统必须是高度可用的。因为一旦我们的服务宕机，那么所有的URL重定向都会失败。
２、URL重定向应该在最小延迟的情况下实时进行。
３、短网址应该是不可预测
扩展需求：
１、能够进行分析；例如，重定向发生了多少次。
２、其他系统可以通过REST API访问我们的服务。
三、容量估计及限制
设计的系统将包含大量读取操作。与新的URL缩短相比，将会有大量的重定向请求。假设读和写的比率为100：1。
流量估计：
假设每个月将有5亿个新的短网址产生，读／写比率为100：1的话，预计在同一时期将有500亿个重定向请求：
100 * 5 亿 ≥ 500 亿
对于我们设计的系统，每秒查询数（QPS）又是多少呢？每秒新的短网址数：
5 亿 / (30 天 * 24 小时 * 3600 秒 ) ≌ 200 URLs/s
考虑到100：1的读/写比例，每秒URL重定向请求数将是：
100 * 200 URLs/s = 20 K/s
存储估计：
假设将每个短网址请求存储５年，每个月将有5 亿个新的短网址产生，由此可以得出，预计存储的对象总数将达到300亿个：
5 亿 * 5 年 * 12 月 = 300 亿
假设每个存储对象的大小大约是500 字节（这只是一个大致的估计——我们稍后将深入研究它）。那我们需要15 TB 的总存储：
300 亿 * 500 字节 = 15 TB
带宽估计：
对于写请求，前面我们计算出，预计每秒有200个新短网址产生，由此得出，总输入数据将为100 KB/s：
200 * 500 字节 ≌ 100 KB/s
对于读请求，前面我们计算出，预计每秒URL重定向请求是2 万个，由此得出，总输出数据为10MB/s：
2 万 * 500 字节 ≌10 MB/s
内存估计：
如果想缓存一些经常访问的热门URL，那需要多少内存来存储它们呢？
这里，我们遵循80-20规则，也就是说20%的URL产生80%的流量，我们想要缓存这20%的热门URL。
由于每秒有2万个重定向请求，那么每天收到的重定向请求有17亿个：
2 万 * 3600 秒 * 24 小时 ≌ 17 亿
缓存其中20%的请求所需要的内存则为170 GB：
0.2 * 17 亿 * 500 字节 ≌ 170GB
这里需要注意一点，由于会有许多重复的请求（也就是相同的URL），因此，实际内存使用量将少于170 GB。
高级别估计：
假设每月有5亿个新URL，读／写比例100：1，下面是对此服务的估计概要：
四、系统API
一旦确定了系统的需求，那么定义系统API总是一个好主意。它应该明确地说明我们对系统的期望。
我们可以使用SOAP或REST API来公开服务的功能。以下是用于创建和删除URL的API的定义：
<section style="margin-top: 10px;margin-bottom: 20px;"><code class=""><span style="font-size: 15px;">createURL(api_dev_key, original_url, custom_alias=None, user_name=None, expire_date=None)</span></code></section>
相关参数：
api_dev_key(字符串)：注册账户的API开发人员密钥。除此之外，它还将用于根据分配的配额限制用户。
original_url(字符串)：要缩短的原始URL。
custom_alias(字符串)：URL的可选自定义键。
user_name(字符串)：可选的用户名，用于编码。
expire_date(字符串)：可选过期日期的缩短URL。
返回：（字符串）
成功插入将返回短网址；否则，将返回错误代码。
<section style="margin-top: 10px;margin-bottom: 20px;"><code class=""><span style="font-size: 15px;">deleteURL(api_dev_key, url_key)</span></code></section>
其中“url_key”表示的是要检索的缩短URL的字符串。成功删除将返回“URL Removed”。
那我们要如何发现和防止滥用呢？恶意用户可以通过使用当前设计中的所有URL密钥让我们失去业务。为了防止滥用，我们可以通过api_dev_key来限制用户。每个api_dev_key可以在某个时间段内限制URL创建和重定向的数量（每个开发人员密钥可以设置为不同的持续时间）。
五、数据库设计
对于我们将要存储的数据，对其性质做一些观察：
1、需要存储数十亿的记录。
2、存储的每个对象都很小（小于1K）。
3、除了存储创建URL的用户之外，记录之间没有任何关系。
4、需要大量的读取操作。
数据库架构：
我们需要两个表：一个用于存储有关URL映射的信息，另一个用于存储创建短网址的用户数据。
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那我们应该使用什么样的数据库呢？因为我们预计存储数十亿的数据，而且我们不需要使用对象之间的关系，所以像DynamoDB，Cassandra或者Riak这样的通过key-value形式存储的NoSQL是更好的选择。选择NoSQL也更容易进行扩展。
（未完待续）