System Design Crashkurs

Lektion 1 • Abschätzen von Skalierung und Kapazität

Vermittelt Überschlagsrechnungen, um Systeme vor dem Entwurf zu dimensionieren. Genaue Schätzungen verhindern Over-Engineering und Unterversorgung.

Lektion 2 • Kernkonzepte verteilter Systeme

Führt Latenz, Durchsatz, Verfügbarkeit und Konsistenz als die vier Säulen des verteilten Denkens ein. Diese Konzepte untermauern jeden später diskutierten Zielkonflikt.

Lektion 3 • Definieren von Systemanforderungen

Behandelt die strukturierte Anforderungserhebung mithilfe klärender Fragen und der Abbildung von Beschränkungen. Erzeugt eine klare Problemstellung, die alle nachfolgenden Designentscheidungen leitet.

Lektion 1 • Techniken für Echtzeitkommunikation

Untersucht WebSockets und Streaming-Protokolle für latenzarme, bidirektionale Datenflüsse. Bereitet Studierende darauf vor, Chat-, Gaming- und Live-Feed-Systeme zu entwerfen.

Lektion 2 • Wie das Internet funktioniert

Behandelt DNS-Auflösung, TCP/IP und HTTP als das Rückgrat der Webkommunikation. Bietet den Netzwerkkontext, der für das Verständnis von Latenz und Zuverlässigkeit erforderlich ist.

Lektion 3 • Synchrone vs. asynchrone Kommunikation

Unterscheidet Anforderungs-Antwort-Muster von ereignisgesteuerten Mustern und deren Auswirkungen auf die Kopplung. Asynchrones Design ist grundlegend für skalierbare, resiliente Architekturen.

Lektion 1 • NoSQL-Datenbankkategorien

Bietet einen Überblick über Key-Value-, Dokument-, spaltenorientierte und Graphdatenbanken mit ihren idealen Anwendungsfällen. Die zentrale Fähigkeit dieses Abschnitts ist die Abstimmung des Datenmodells auf den Speichertyp.

Lektion 2 • Strategien zur Datenbankskalierung

Behandelt Replikation, Sharding und Read Replicas als die primären Werkzeuge zur Skalierung von Speichern. Jede Strategie bringt spezifische Konsistenz- und Betriebskompromisse mit sich.

Lektion 3 • Grundlagen relationaler Datenbanken

Bespricht ACID-Eigenschaften, Normalisierung und Indizierung als Kern der relationalen Speicherung. Diese Konzepte sind Voraussetzungen für das Verständnis, wann über SQL hinausgegangen werden sollte.

Lektion 1 • Strategien zur Cache-Invalidierung

Behandelt Write-Through-, Write-Behind- und Cache-Aside-Muster als die drei Kernansätze zur Invalidierung. Fehlerhafte Invalidierung ist die Hauptursache für Fehler durch veraltete Daten.

Lektion 2 • Caching-Grundlagen

Definiert Cache Hits, Misses, Räumungsrichtlinien und TTL als das Vokabular des Caching. Das Verständnis dieser Mechanismen ist erforderlich, bevor ein Caching-Muster angewendet wird.

Lektion 3 • Fortgeschrittene Caching-Herausforderungen

Behandelt Thundering Herd, Cache Stampede und Hotspot-Probleme, die in großem Maßstab auftreten. Die Lösung dieser Probleme erfordert probabilistische Techniken und ein sorgfältiges Schlüsseldesign.

Lektion 1 • Vertikale vs. horizontale Skalierung

Stellt die Skalierung einer einzelnen Maschine der Skalierung über viele Knoten gegenüber. Horizontale Skalierung ist die Grundlage moderner Cloud-nativer Architektur.

Lektion 2 • Auto-Scaling und Elastizität

Behandelt reaktive und prädiktive Auto-Scaling-Richtlinien, die an Metriken und Zeitpläne gebunden sind. Korrekte Skalierungsrichtlinien verhindern sowohl Überversorgung als auch verkehrsbedingte Ausfälle.

Lektion 3 • Globale Datenverkehrsverteilung

Führt GeoDNS, Anycast-Routing und Active-Active-Bereitstellungen in mehreren Regionen ein. Globale Verteilung reduziert die Latenz für internationale Benutzer und verbessert die Ausfallsicherheit.

Lektion 1 • Event-Streaming-Plattformen

Behandelt logbasiertes Streaming als dauerhafte, wiederholbare Alternative zu traditionellen Queues. Streaming ermöglicht Echtzeitanalysen, Event Sourcing und Audit Trails.

Lektion 2 • Muster für ereignisgesteuerte Architektur

Wendet Event Sourcing, CQRS und Saga-Muster auf komplexe verteilte Workflows an. Diese Muster lösen Konsistenzprobleme, die Zwei-Phasen-Commit in großem Maßstab nicht bewältigen kann.

Lektion 3 • Zustellgarantien und Reihenfolge

Unterscheidet At-Most-Once-, At-Least-Once- und Exactly-Once-Zustellsemantiken. Reihenfolgegarantien beeinflussen die Korrektheit in Finanz-, Inventar- und Auditsystemen.

Lektion 1 • Chaos Engineering und SLO-Management

Wendet kontrollierte Fehlerinjektion an, um Resilienzannahmen zu validieren, bevor Produktionsvorfälle auftreten. SLOs übersetzen Zuverlässigkeitsziele in messbare, umsetzbare Ziele.

Lektion 2 • Ausfallmodi in verteilten Systemen

Katalogisiert Netzwerkpartitionen, Knotenabstürze und byzantinische Fehler als die primären Ausfallklassen. Das Erkennen von Ausfallmodi ist die Voraussetzung, um gegen sie zu entwerfen.

Lektion 3 • Circuit Breaker und Bulkheads

Führt Circuit Breaker und Bulkhead-Isolation als die beiden primären Muster zur Fehlereingrenzung ein. Diese verhindern, dass eine einzelne fehlschlagende Abhängigkeit das gesamte System zum Einsturz bringt.

Lektion 1 • Entwurf eines URL-Shorteners

Wendet das Framework auf ein klassisches, gut abgegrenztes Problem an, das Hashing, Weiterleitung und Analytik umfasst. Demonstriert, wie einfache Anforderungen tiefgreifende Speicher- und Caching-Entscheidungen offenbaren.

Lektion 2 • Entwurf eines verteilten Rate Limiters

Erstellt einen Token-Bucket- und Sliding-Window-Rate-Limiter, der über mehrere Knoten hinweg funktioniert. Demonstriert, wie verteiltes Zustandsmanagement scheinbar einfache Algorithmen verkompliziert.

Lektion 3 • Entwurf eines Benachrichtigungssystems

Behandelt Mehrkanalzustellung, Prioritäts-Queuing und Deduplizierung für Push, E-Mail und SMS. Integriert Messaging, Speicher- und Zuverlässigkeitsmuster aus allen vorherigen Kapiteln.

Lektion 4 • Entwurf eines Social-Media-Feeds

Behandelt Fan-out on Write vs. Fan-out on Read für die Generierung von News Feeds in großem Maßstab. Zeigt die Spannung zwischen Schreibverstärkung und Leselatenz in Szenarien mit vielen Followern auf.