Вопросы на собеседовании по дизайну систем и ответы на них + список обучающих материалов

Это вторая часть перевода статьи автора Сома с портала Dev.to с комментариями экспертов. В этот раз тема — вопросы по проектированию систем, которые могут поджидать на собеседовании.

Какой алгоритм балансировки нагрузки вы будете использовать для обработки запросов в масштабе крупной инфраструктуры?

Для крупномасштабной инфраструктуры можно выбрать Weighted Round Robin.

Почему:

• Этот алгоритм сочетает простоту классического Round Robin с возможностью учитывать разные мощности серверов.
• Он особенно полезен в гетерогенных кластерах, где сервера отличаются по вычислительным ресурсам, пропускной способности и производительности.

Как это работает:

1. Каждому серверу назначается вес — числовой коэффициент, отражающий его производительность. Пример: Сервер A — вес 5, Сервер B — вес 3, Сервер C — вес 2. Виктор Карпов, Software Engineer & Educator, автор канала coding_interviews, отмечает, что в реальной жизни веса часто определяются либо по CPU/памяти, либо по результатам бенчмарков.
2. Алгоритм формирует очередь распределения запросов пропорционально весам: A, A, A, A, A, B, B, B, C, C.
3. Запросы распределяются по этой очереди в цикле.
4. После последнего сервера очередь повторяется.

Плюсы:

• Простая реализация и настройка.
• Эффективное распределение нагрузки с учётом мощности серверов.

Минусы:

• Не учитывает текущую загрузку серверов, поэтому в динамических сценариях его лучше комбинировать с мониторингом и адаптивными алгоритмами.

Однако выбор алгоритма балансировки нагрузки всегда определяется спецификой архитектуры, типом трафика и целями системы.

Например, Least Connections отлично подходит, если важно учитывать текущую активность серверов и избегать перегрузки отдельных узлов, а адаптивные алгоритмы на основе метрик в реальном времени позволяют динамически перераспределять нагрузку, реагируя на изменения в производительности.

На практике, в крупных инфраструктурах часто применяется гибридный подход:

• Глобальная балансировка нагрузки (Global Load Balancing) используется для распределения трафика по географическим регионам и дата-центрам.
• На следующем уровне — локальные балансировщики с алгоритмами вроде Weighted Round Robin, Least Connections, Consistent Hashing или наименьшего времени отклика для распределения запросов внутри конкретного кластера.

Такой многоуровневый дизайн позволяет объединить производительность, устойчивость и масштабируемость, а также снизить риск единичных точек отказа.

В чём разница между методом наименьшего количества соединений и циклическим алгоритмом? В каких случаях следует выбрать один из них?

Методы Least Connections и Round Robin — два популярных подхода к балансировке нагрузки, но они решают задачу по-разному.

Round Robin распределяет входящие запросы по серверам поочередно, циклически проходя весь пул. Он предполагает, что все серверы обладают одинаковой производительностью, а запросы требуют примерно одинакового времени на обработку. Такой алгоритм прост, предсказуем, и отлично подходит для однородных инфраструктур.

Least Connections, напротив, направляет новый запрос на сервер с наименьшим количеством активных соединений в данный момент. Это позволяет более гибко реагировать на неравномерную нагрузку, и особенно полезно, если время обработки запросов сильно варьируется или есть длительные соединения.

Виктор Карпов, Software Engineer & Educator, автор канала coding_interviews, комментирует: «Least Connections хуже работает при очень коротких запросах и высокой скорости создания/закрытия соединений».

Когда использовать:

• Если нагрузка и мощности серверов однородны — выбирайте Round Robin.
• Если нагрузка переменная или есть долгоживущие соединения — лучше подойдёт Least Connections, так как он помогает избежать перегрузки отдельных серверов.

Что такое липкие сессии (sticky sessions) в балансировке нагрузки? Каковы их преимущества и недостатки?

Липкие сессии или sticky sessions (также известные как привязка сессий), — это метод балансировки нагрузки, при котором все запросы от конкретного клиента направляются на один и тот же сервер, обрабатывающий его первый запрос.

Виктор Карпов, Software Engineer & Educator, автор канала coding_interviews, советует не забывать о cookie-based stickiness и IP hash: «sticky sessions плохо работают при использовании auto-scaling — новые ноды не получают трафик от существующих пользователей».

Обычно это реализуется с помощью уникального идентификатора сеанса, который связывается с конкретным сервером. Таким образом, сервер «запоминает» пользователя и обслуживает его до завершения сессии.

Преимущества:

• Поддержка состояния для приложений, которые не рассчитаны на работу в stateless-режиме.
• Стабильный и предсказуемый пользовательский опыт для сеансов, которые полагаются на серверные данные.
• Особенно полезно, если данные сеанса хранятся в памяти сервера, а не в общей базе данных.

Недостатки:

• Возможность неравномерного распределения нагрузки, если у некоторых пользователей сеансы длительные или ресурсоёмкие.
• Сложности с масштабированием и отказоустойчивостью — при падении сервера все закреплённые за ним сессии прерываются.
• Увеличение зависимости от конкретного сервера, что снижает гибкость архитектуры.

При этом, как прокомментировал руководитель разработки RacingTech команды — Moshim Racing Владислав Масунов, sticky sessions — не всегда проблема:

Мы использовали sticky sessions в большом продакшне, и никаких проблем не испытывали с auto-scaling или выходом из строя серверов из-за сбоя или отключением их от трафика из-за необходимых работ.

В API gateway просто добавили «session router», который перераспределял текущий трафик между серверами, бесшовно

Современный подход — минимизировать использование sticky sessions, переходя на stateless-приложения с хранением данных в распределённых кэшах или базах данных. Это позволяет балансировщикам гибко распределять трафик и повышает устойчивость системы.

Как отмечает Дмитрий Зайцев, CTO Flocktory, программный директор DevOpsConf:

Несмотря на то, что знать и понимать надо практически весь ландшафт, скорее всего вы будете разговаривать про какой-то конкретный кусочек в большой системе. В моём опыте это обычно либо проектирование системы и её API, либо проектирование отказоустойчивого решения уровня “несколько датацентров”.

В проектировании API важно обозначать рамки, в которых вы работаете, ваши ограничения. Какие данные, сколько их, какие юзкейсы для системы. Не забыть про нефункциональные требования — какая нагрузка, какие цели по доступности. Потом уже идти к конкретным сервисам и их контрактам.

При проектировании отказоустойчивого решения уделите основное внимание вашим данным, которые нужно разложить по датацентрам и как-то их читать — консистентно и быстро. Вспомните основные базы данных для таких решений, какие у них гарантии и какие ограничения. Это точно поможет в собеседованиях.

Лучшие ресурсы для подготовки к собеседованиям по системному проектированию

Ниже — подборка проверенных книг, курсов и онлайн-платформ, которые помогут глубоко изучить темы системного проектирования и успешно пройти технические собеседования.

1. DesignGuru — Grokking System Design. Интерактивная обучающая платформа с практическими упражнениями и разбором реальных сценариев. Один из самых популярных курсов по системному проектированию, который структурировано объясняет подходы, паттерны и архитектурные решения.

2. Codemia.io. Отличная платформа для тренировки навыков проектирования систем. Содержит более 120 задач, включая бесплатные, с чёткой структурой и возможностью пошагового решения.

3. Алекс Сю — Собеседование по проектированию систем. Книга, которая разъясняет ключевые концепции, стратегии и часто встречающиеся сценарии на интервью, а также даёт практические советы по подготовке.

4. Мартин Клеппманн — Проектирование приложений с большими объёмами данных (Designing Data-Intensive Applications). Глубокое руководство по созданию масштабируемых, надёжных и отказоустойчивых систем с упором на архитектурные принципы. Виктор Карпов, Software Engineer & Educator, автор канала coding_interviews, отмечает, что эта книга — сложная, и больше подойдёт тем, кто уже имеет опыт в дизайн-системах.

5. LeetCode — раздел System Design. Известная платформа для подготовки к техническим собеседованиям. Раздел по системному проектированию содержит подборку практических задач и обсуждений.

6. System Design Primer на GitHub. Открытый и постоянно обновляемый репозиторий с огромным количеством ссылок на статьи, книги, схемы и видео по системному проектированию.

7. Educative — курсы по системному проектированию. Интерактивное обучение с возможностью практиковаться прямо в браузере. Предлагают кейсы, паттерны и архитектурные задания для закрепления материала.

8. High Scalability Blog — Блог с разборами архитектур высоконагруженных систем и примеров из практики крупных веб-платформ.

9. YouTube-каналы:

• Gaurav Sen — понятные визуализации архитектурных решений и алгоритмов. 
• Tech Dummies — подробные разборы сценариев системного проектирования.

Дмитрий Зайцев также советует посмотреть такие русскоязычные видео:

https://www.youtube.com/watch?v=9_8ShTF6aQA

https://www.youtube.com/watch?v=Wh5Ya6UFG1k

https://www.youtube.com/watch?v=jUbOm0B-eKQ

https://www.youtube.com/watch?v=RAMWRgt-3G0

https://www.youtube.com/watch?v=popkBBjbAv8

10. ByteByteGo. Книга и видеокурс от Алекса Сю, охватывающие материал из его предыдущих томов и дополняемые новыми главами. Один из лучших ресурсов для структурированной подготовки.

11. Exponent. Платформа для целенаправленной подготовки к собеседованиям в крупных IT-компаниях (FAANG). Предлагает курсы по системному проектированию, мок-интервью и разборы кейсов.