【ITニュース解説】System Design Interviews were HARD, until I learned these Concepts

システムデザインの面接は、適切な準備なしには難関となる。しかし、いくつかの重要な概念を理解することで、自信を持って臨めるようになる。この記事では、システムデザインの面接で問われる主要な20の概念について解説する。

まず、ロードバランシングは、アプリケーションへのトラフィックを複数のサーバーに分散させる技術だ。これにより、特定のサーバーへの負荷集中を防ぎ、システムの安定性を保つ。ロードバランサーには、レイヤー4とレイヤー7の2種類があり、それぞれ異なる基準でリクエストを振り分ける。水平スケーリングと垂直スケーリングは、システムを拡張するための2つの方法だ。垂直スケーリングは、既存のサーバーの性能を向上させるのに対し、水平スケーリングは、サーバーの数を増やす。大規模システムでは、一般的に水平スケーリングが好まれる。

データベースシャーディングは、データベースを複数のマシンに分割する技術だ。これにより、大量のデータを効率的に管理できる。重要なのは、適切なシャーディングキーを選択することだ。キャッシングは、頻繁にアクセスされるデータを高速なストレージに保存する技術だ。キャッシュには、キャッシュアサイド、ライトスルー、ライトビハインドなどの様々なパターンがある。CDNは、コンテンツを世界中のエッジロケーションにキャッシュし、ユーザーへの配信速度を向上させる。

データベースレプリケーションは、データを複数のデータベースに複製する技術だ。これにより、データの可用性と耐障害性を高める。マスタースレーブ方式とマスターマスター方式の2種類がある。コンシステントハッシュ法は、サーバーの追加や削除時にデータの再配置を最小限に抑えるハッシュ法だ。CAP定理は、分散システムにおいて、一貫性、可用性、分断耐性の3つの要素のうち、同時に2つしか保証できないという定理だ。

イベント駆動アーキテクチャは、システムがイベントを通じて非同期的に通信するアーキテクチャだ。これにより、疎結合でスケーラブルなシステムを構築できる。メッセージキューは、プロデューサーとコンシューマーを分離し、非同期処理を可能にする。マイクロサービスとモノリスは、アプリケーションアーキテクチャの2つの異なるアプローチだ。マイクロサービスは独立したスケーリングと技術の多様性を提供するが、モノリスはシンプルなデプロイメントとテストを提供する。

APIゲートウェイは、認証、レート制限、リクエストルーティングなどの共通機能を一元的に処理する。データベースインデックスは、クエリのパフォーマンスを向上させるためのデータ構造だ。ACIDとBASEは、データ整合性の異なるモデルだ。ACIDは厳格な整合性を保証するが、BASEは最終的な整合性を提供する。レート制限は、リクエストレートを制御し、システムを保護する。

サーキットブレーカーパターンは、障害が発生したサービスへのリクエストを一時的に停止し、カスケード障害を防ぐ。分散コンセンサスアルゴリズムは、ネットワーク分断やノード障害が発生した場合でも、分散システムが単一の値に合意するのを助ける。最終整合性とは、分散システムにおいて、すべてのノード間で即座に整合性が取れるとは限らないという概念だ。ブルームフィルターは、要素がセットに「絶対に存在しない」か「存在する可能性がある」かを効率的に判断できるデータ構造だ。データのパーティショニング戦略には、垂直、水平、機能の3種類がある。

これらの概念は単独で存在するのではなく、相互に連携してシステムを構築する。例えば、NetflixはCDN、マイクロサービス、イベント駆動アーキテクチャ、高度なキャッシング戦略を組み合わせている。これらの概念を理解することで、あらゆる規模のシステムを設計できるようになる。学習戦略としては、まず基本を理解し、実際の例で練習し、パターンを深く掘り下げ、モックインタビューを受けると効果的だ。システムデザインの習得には時間がかかるが、これらの主要な概念に焦点を当てることで、自信を持って面接に臨めるようになる。