《深入高可用系统原理与设计》王伟峰

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《深入高可用系统原理与设计》王伟峰【文字版_PDF电子书_】

内容简介：

本书围绕“构建高可用系统”(更可靠、更敏捷、更低成本)的主题，系统阐述近年来的技术演进路径与底层原理。第1章为概论，从业务需求出发，回顾近年技术架构演进趋势，帮读者快速建立全局认知。第2~4章讲网络，以网络请求链路为线索，深入操作系统内核、负载均衡原理，讲解“快”背后的系统设计。第5、6章讲分布式系统，聚焦一致性与容错，拆解CAP定理、分布式事务与共识算法等核心机制。第7、8章解析Kubernetes架构与服务网格技术，理解云原生基础设施的设计逻辑。第9章讲系统观测，构建统一观测体系，掌握指标、日志、链路追踪的集成与分析方法。第10章为软件交付，剖析声明式管理理念，讲解Kustomize、Helm、Operator、OAM等主流交付模型。本书融合技术理论与一线实践，适合后端工程师、系统架构师、技术团队负责人及关注底层原理的高级开发者阅读。

作者简介：

王伟峰爱奇艺架构师，有17年软件研发经验。擅长云计算、大规模分布式系统的架构设计与工程实现，对人工智能领域已有涉猎。开源图书《创造智慧》作者。

目  录：

第1 章 云原生技术概论

1.1 云计算的演进变革

1.1.1 物理机时代

1.1.2 虚拟化技术成熟

1.1.3 云计算技术成熟

1.1.4 容器技术兴起

1.1.5 云计算形态演进总结

1.2 云原生出现的背景

1.2.1 软件正在吞噬世界

1.2.2 移动互联网在加剧变化

1.2.3 云原生的诞生

1.3 云原生的定义

1.3.1 Pivotal 对云原生的定义

1.3.2 CNCF 对云原生的定义

1.3.3 云原生定义之外

1.4 云原生技术的目标

1.5 云原生代表技术

1.5.1 容器技术

1.5.2 微服务

1.5.3 服务网格

1.5.4 可变基础设施与不可变基础设施

1.5.5 声明式设计

1.5.6 DevOps

1.6 云原生架构的演进

1.7 云原生架构技术栈

1.8 小结

第 2 章 构建“足够快”的网络服务

2.1 了解各类延迟指标

2.2 HTTPS 请求优化分析

2.2.1 请求阶段分析

2.2.2 各阶段耗时分析

2.2.3 HTTPS 的优化总结

2.3 域名解析的原理与实践

2.3.1 域名解析的原理

2.3.2 排查域名解析故障

2.3.3 Facebook 故障分析与总结

2.3.4 使用 HTTPDNS 解决“中间商”问题

2.4 使用 Brotli 压缩传输内容

2.5 HTTPS 加密原理及优化实践

2.5.1 HTTPS 加密原理

2.5.2 HTTPS 优化实践

2.6 网络拥塞控制原理与实践

2.6.1 网络拥塞控制原理

2.6.2 早期拥塞控制旨在收敛

2.6.3 现代拥塞控制旨在效能最大化

2.6.4 BBR 的设计原理

2.6.5 BBR 的性能表现

2.7 对请求进行“动态加速”

2.8 QUIC 设计原理与实践

2.8.1 QUIC 出现的背景

2.8.2 QUIC 的特点

2.8.3 QUIC 实践

2.9 小结

第 3 章 深入 Linux 内核网络技术

3.1 OSI 网络分层模型

3.2 Linux 系统收包流程

3.3 Linux 内核网络框架

3.3.1 Netfilter 的 5 个钩子

3.3.2 数据包过滤工具 iptables

3.3.3 连接跟踪模块 conntrack

3.4 内核旁路技术

3.4.1 数据平面开发套件DPDK

3.4.2 eBPF 和快速数据路径XDP

3.4.3 远程直接内存访问RDMA

3.5 Linux 网络虚拟化

3.5.1 网络命名空间

3.5.2 虚拟网络设备 TUN 和TAP

3.5.3 虚拟网卡 Veth

3.5.4 虚拟交换机 Linux Bridge

3.5.5 虚拟网络通信技术

3.6 小结

第 4 章 负载均衡与代理技术

4.1 负载均衡与代理的分类

4.1.1 四层负载均衡

4.1.2 七层负载均衡

4.2 负载均衡器总体功能

4.2.1 服务发现

4.2.2 健康检查

4.2.3 黏性会话

4.2.4 TLS 卸载

4.2.5 安全和 DDoS 防御

4.2.6 观测

4.2.7 负载均衡

4.3 负载均衡部署拓扑

4.3.1 中间代理型

4.3.2 边缘代理型

4.3.3 客户端内嵌型

4.3.4 边车代理型

4.4 四层负载均衡技术

4.4.1 直接路由模式

4.4.2 隧道模式

4.4.3 网络地址转换模式

4.4.4 主备模式

4.4.5 基于集群和一致性哈希的容错和可扩展模式

4.5 从七层负载均衡到网关

4.6 全局负载均衡设计

4.7 小结

第 5 章 数据一致性与分布式事务

5.1 数据一致性

5.2 一致性与可用性的权衡

5.3 分布式事务模型

5.3.1 可靠事件队列

5.3.2 TCC

5.3.3 Saga

5.4 服务幂等性设计

5.4.1 全局优质 ID 方案

5.4.2 乐观锁方案

5.5 小结

第 6 章 分布式共识及算法

6.1 什么是共识

6.2 日志与复制状态机

6.3 Paxos 算法

6.3.1 Paxos 算法起源

6.3.2 Paxos 算法详述

6.4 Raft 算法

6.4.1 者选举

6.4.2 日志复制

6.4.3 成员变更

6.5 小结

第 7 章 容器编排技术

7.1 容器编排系统的演进

7.1.1 Borg 系统

7.1.2 Omega 系统

7.1.3 Kubernetes 系统

7.1.4 以应用为中心的转变

7.2 容器技术的原理与演进

7.2.1 文件系统隔离

7.2.2 资源全方位隔离

7.2.3 资源全方位限制

7.2.4 设计容器协作的方式

7.2.5 超亲密容器组 Pod

7.2.6 Pod 是 Kubernetes 的基本单位

7.2.7 Pod 是调度的原子单元

7.2.8 容器边车模式

7.3 容器镜像的原理与应用

7.3.1 什么是容器镜像

7.3.2 容器镜像分层设计原理

7.3.3 构建足够小的容器镜像

7.3.4 加速容器镜像下载

7.3.5 加速容器镜像启动

7.4 容器运行时与 CRI 接口

7.4.1 Docker 与 Kubernetes

7.4.2 容器运行时接口 CRI

7.4.3 Kubernetes 专用容器运行时

7.4.4 Containerd 与 CRI

7.4.5 安全容器运行时

7.4.6 容器运行时生态

7.5 容器持久化存储设计

7.5.1 Docker 的存储设计

7.5.2 Kubernetes 的存储设计

7.5.3 普通的 Volume

7.5.4 持久化的 Volume

7.5.5 PV 的使用：从手动到自动

7.5.6 Kubernetes 存储系统设计

7.5.7 存储分类：块存储、文件存储和对象存储

7.6 容器间通信的原理

7.6.1 Overlay 覆盖网络模式

7.6.2 三层路由模式

7.6.3 Underlay 底层网络模式

7.6.4 CNI 插件及生态

7.7 资源模型及编排调度

7.7.1 资源模型与资源管理

7.7.2 扩展资源与设备插件

7.7.3 默认调度器及扩展设计

7.8 资源弹性伸缩

7.8.1 Pod 水平自动伸缩

7.8.2 Pod 垂直自动伸缩

7.8.3 基于事件驱动的伸缩

7.8.4 节点自动伸缩

7.9 小结

第 8 章 服务网格技术

8.1 什么是服务网格

8.2 服务间通信的演化

8.2.1 原始的通信时代

8.2.2 优质代微服务

8.2.3 第二代微服务

8.2.4 微服务框架的痛点

8.2.5 思考服务间通信的本质

8.2.6 代理模式的探索

8.2.7 优质代服务网格

8.2.8 第二代服务网格

8.3 数据平面的设计

8.3.1 Sidecar 自动注入

8.3.2 流量透明劫持

8.3.3 实现可靠通信

8.4 控制面的设计

8.5 服务网格的产品与生态

8.5.1 Linkerd2 出击

8.5.2 其他参与者

8.5.3 Istio 与 Linkerd2 性能对比

8.6 服务网格的未来

8.6.1 Proxyless 模式

8.6.2 Sidecarless 模式

8.6.3 Ambient Mesh 模式

8.7 小结

第 9 章 系统可观测性

9.1 什么是可观测性

9.2 可观测性与传统监控的区别

9.3 遥测数据的分类与处理

9.3.1 指标的处理

9.3.2 日志的索引与存储

9.3.3 分布式链路追踪

9.3.4 性能剖析

9.3.5 核心转储

9.4 可观测标准的演进

9.5 小结

第 10 章 应用封装与交付

10.1 “以应用为中心”的设计思想

10.2 声明式管理的本质

10.2.1 控制器模式

10.2.2 基础设施即数据思想

10.3 从“封装配置”到“应用模型”

10.3.1 Kustomize

10.3.2 Helm 与 Chart

10.3.3 Operator

10.3.4 OAM 与 KubeVela

10.4 小结

附录 A 术语缩写与释义

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云原生 高可用 分布式系统

摘要：本文以王伟峰所著《深入高可用系统原理与设计》为中心，对高可用系统的理论基础、工程方法与实践价值进行系统梳理。文章首先概括全书的核心思想，指出其在分布式系统与互联网架构中的重要意义；随后从设计理念、关键技术、架构方法以及工程实践四个方面展开深入阐述，全面呈现高可用系统从原则到落地的全过程。通过对书中思想的解析，可以看到作者如何将复杂的系统问题拆解为可理解、可实施的工程方案，并为技术人员提供一套可复制、可演进的设计思路。全文旨在帮助读者理解高可用系统的本质价值，同时体会该书在理论深度与实践指导上的独特贡献。

1、高可用设计理念

《深入高可用系统原理与设计》首先从理念层面阐述了高可用系统存在的必然性。在互联网和企业级应用环境中，系统不可避免会出现故障，而高可用并不是追求“永不出错”，而是通过合理设计，将故障的影响降到最低。这种理念为读者建立了正确的工程认知基础。

作者在书中强调，高可用设计并非某个单一技术点，而是一种系统性的思维方式。从需求分析开始，就要明确系统的可用性目标，并围绕业务连续性进行取舍与权衡。这种以业务为导向的设计理念，使技术方案始终服务于实际价值。

在理念层面，书中还反复提到“冗余”“隔离”“降级”等关键词。这些并不是简单的技术手段，而是贯穿系统全生命周期的设计原则。通过对这些理念的深入讲解，读者能够理解高可用系统背后的逻辑框架。

2、核心技术原理

在技术原理部分，王伟峰系统性地讲解了实现高可用所依赖的关键技术，如负载均衡、故障检测与自动恢复机制。这些技术是高可用系统的基石，缺一不可。作者通过通俗的语言，将复杂的原理拆解为清晰的逻辑步骤。

书中对分布式一致性、数据复制与容灾机制也进行了深入剖析。作者并未停留在概念层面，而是结合实际场景说明这些技术在真实系统中的应用方式，使读者能够将抽象原理与工程实践联系起来。

此外，作者还对常见的高可用技术误区进行了反思。例如，过度依赖某种技术手段反而可能引入新的风险。这种批判性的分析，使读者在学习技术原理的同时，建立起更加理性的工程判断能力。

3、系统架构方法

在系统架构层面，《深入高可用系统原理与设计》提出了一套循序渐进的设计方法。作者强调，架构设计应当随着业务规模和复杂度的变化不断演进，而不是一次性完成。这种渐进式架构思想非常契合实际工程环境。

书中详细讨论了单体架构向分布式架构演进过程中，高可用能力如何逐步增强。通过拆分服务、引入中间件以及合理划分边界，系统能够在复杂性增加的同时保持稳定运行。

作者还从整体视角分析了架构中各个层次的高可用策略，包括接入层、服务层和数据层。不同层次面对的风险各不相同，因此需要采用差异化的设计方法，这种分层思考对读者具有很强的启发意义。

4、工程实践价值

相比纯理论书籍，《深入高可用系统原理与设计》最大的价值在于其浓厚的工程实践色彩。作者结合自身经验，给出了大量可操作的设计建议，使读者能够在实际项目中直接应用。

书中通过案例分析的方式，展示了高可用系统在真实场景中的运行状态。这些案例不仅说明了设计的成功之处，也坦诚地分析了系统在压力和故障面前暴露的问题，为读者提供了宝贵的经验教训。

在工程实践层面，作者还强调团队协作和流程建设的重要性。高可用系统并非单个工程师的成果，而是技术、流程与文化共同作用的结果，这一观点拓宽了读者对高可用建设的认知边界。

总结：

总体来看，《深入高可用系统原理与设计》以清晰的结构和扎实的内容，系统呈现了高可用系统从理念到落地的完整路径。王伟峰通过深入浅出的方式，将复杂的系统工程问题转化为可理解、可实践的设计思想，为读者提供了一本兼具理论深度与实践价值的参考书。

通过对全书内容的梳理可以发现，高可用并不是孤立的技术目标，而是一种贯穿系统设计、架构演进和团队协作的综合能力。这本书不仅适合架构师和高级工程师阅读，也能帮助初中级技术人员建立正确的系统设计观。

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