系統設計中的水平和垂直擴充套件

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介紹

隨著應用程式和系統規模和複雜性的不斷增長，確保它們保持高效和響應能力成為一個關鍵挑戰。這導致了對**可擴充套件性**的討論，可擴充套件性是指系統處理增加負載的能力。可擴充套件性可以透過兩種主要方法實現：**水平擴充套件**（橫向擴充套件）和**垂直擴充套件**（縱向擴充套件）。這兩種方法都具有不同的優勢、挑戰和最佳使用場景。在本文中，我們將詳細探討水平和垂直擴充套件的概念，討論它們各自的架構、優點和侷限性，以及如何為特定場景選擇合適的擴充套件方法。

什麼是擴充套件？

在深入研究水平和垂直擴充套件的細節之前，瞭解擴充套件的含義至關重要。

**擴充套件**是指調整資源（例如計算能力、儲存或網路功能）的過程，以確保應用程式能夠處理不斷增長的需求，而不會犧牲效能。隨著系統發展並面臨更多使用者、更多交易或增加的資料吞吐量，擴充套件確保系統保持其效率，並且不會成為瓶頸。

擴充套件有兩種基本方法：垂直擴充套件和水平擴充套件。

垂直擴充套件（縱向擴充套件）

垂直擴充套件，或稱為縱向擴充套件，涉及透過向單個機器或伺服器新增更強大的資源來增強其容量。這些資源可能包括：

• 新增更多CPU（中央處理單元）。

• 增加RAM（隨機存取儲存器）。

• 擴充套件儲存容量（SSD/HDD）。

• 增加網路頻寬容量。

從本質上講，垂直擴充套件就是透過升級元件或將其替換為更強大的版本來使單個機器更強大。

垂直擴充套件

在垂直擴充套件中，應用程式繼續在同一臺物理機器上執行，但機器的功能得到了提升。例如，如果託管在伺服器上的應用程式由於請求數量增加而變得緩慢，垂直擴充套件可能涉及將該伺服器替換為更強大的伺服器（例如，從16核處理器升級到32核處理器）。

架構保持不變——仍然只有一臺機器或節點，儘管它功能更強大。

垂直擴充套件的優點

• **簡單性** - 垂直擴充套件通常很簡單，因為它不需要對應用程式架構進行重大更改。您只需向現有伺服器新增更多資源。

• **降低複雜性** - 管理單個伺服器降低了操作的複雜性，包括維護和監控。

• **一致性** - 由於系統執行在單個機器上，因此更容易維護資料一致性，尤其是在涉及資料庫的情況下，資料一致性保證至關重要。

• **適用於單體應用程式** - 單體應用程式緊密耦合，難以分解成更小的元件，因此可以從垂直擴充套件中受益，因為整個應用程式都執行在一臺機器上。

垂直擴充套件的侷限性

• **單點故障** - 由於只有一臺機器處理整個應用程式，因此它成為單點故障。如果伺服器崩潰或遇到硬體問題，整個系統可能會宕機。

• **資源限制** - 最終，物理伺服器只能升級到一定程度。向單個機器新增CPU、RAM或儲存的容量是有限制的。這個“上限”可能會限制長期可擴充套件性。

• **成本** - 高階伺服器和元件價格昂貴。將伺服器升級到最先進的硬體選項可能會導致大量的前期成本。

• **升級期間的停機時間** - 根據系統的不同，升級硬體（例如新增RAM或儲存）可能需要關閉伺服器，從而導致停機時間。在關鍵任務系統中，即使短暫的停機時間也可能成為問題。

水平擴充套件（橫向擴充套件）

水平擴充套件，或稱為橫向擴充套件，涉及向系統新增更多機器或節點，有效地將負載分佈到多個裝置上。與其升級單個機器的效能，不如向叢集中新增更多機器來共享負載。

水平擴充套件架構

在水平擴充套件中，架構設計為分散式系統，其中多臺伺服器（或節點）協同工作以處理增加的負載。

例如，網站流量激增可能會新增更多伺服器來處理額外的請求。通常使用負載均衡器將流量均勻地分佈到這些伺服器上，確保沒有任何一臺機器不堪重負。在分散式資料庫系統中，水平擴充套件意味著將資料分割槽到多臺機器上（分片）以處理更多事務或更大的資料集。

水平擴充套件的優點

• **理論上沒有限制** - 水平擴充套件的最大優勢之一是，從理論上講，可以新增任意數量的伺服器。隨著需求的增長，您可以繼續新增機器，從而提供無限的可擴充套件性。

• **容錯性** - 由於涉及多臺機器，因此如果一個節點發生故障，系統可以繼續使用其餘節點執行。這種冗餘提供了更大的容錯性。

• **規模經濟** - 與投資一臺高階機器相比，水平擴充套件允許使用許多低端機器。從長遠來看，這可能更具成本效益，尤其是在雲環境中，資源可以動態分配。

• **更適合雲和分散式應用程式** - 水平擴充套件非常適合雲原生和分散式系統，例如微服務架構，其中應用程式的不同部分可以獨立地在不同的伺服器上執行。

水平擴充套件的侷限性

• **增加複雜性** - 管理多臺伺服器本質上比管理一臺伺服器更復雜。它需要更復雜的工具進行編排、監控和負載均衡。

• **資料一致性問題** - 在分散式系統中，維護跨多個節點的資料一致性可能具有挑戰性，尤其是在需要強一致性的應用程式中（例如金融應用程式）。

• **網路開銷** - 隨著伺服器數量的增加，節點之間的通訊也會增加，這可能導致網路延遲和開銷。確保機器之間高效通訊成為一個關鍵問題。

• **擴充套件整個堆疊** - 對於某些工作負載，水平擴充套件可能需要將整個應用程式堆疊（例如資料庫、快取和處理系統）設計為水平分佈，這可能需要進行大量的重構。

水平擴充套件與垂直擴充套件：比較

混合方法

在許多情況下，組織會結合使用水平和垂直擴充套件。例如，他們可能首先使用垂直擴充套件來滿足初始需求，然後隨著需求的增長轉向水平擴充套件。在AWS或Google Cloud等雲環境中，自動擴充套件功能允許公司根據負載在兩者之間無縫切換。

某些系統還採用混合架構，對某些元件（例如資料庫）使用垂直擴充套件，而對其他元件（例如Web伺服器）使用水平擴充套件。這種混合方法可以兼得兩者的優點，但代價是增加了架構的複雜性。

何時選擇水平或垂直擴充套件

水平擴充套件和垂直擴充套件的選擇取決於幾個因素：

• **應用程式架構** - 分散式系統或微服務自然適合水平擴充套件，而單體應用程式更容易垂直擴充套件。

• **預算** - 在雲中，水平擴充套件可能更具成本效益，因為可以根據需要啟動其他例項。由於硬體價格昂貴，垂直擴充套件可能會導致高成本。

• **一致性要求** - 要求嚴格資料一致性的應用程式（例如銀行系統）可能更偏向於垂直擴充套件，因為資料管理更簡單。

• 預期增長− 如果您的應用程式預計會快速增長，則水平擴充套件可能更合適，因為它提供了理論上無限的擴充套件潛力。

結論

水平擴充套件和垂直擴充套件都是系統架構中的關鍵概念，每個都具有獨特的優勢和挑戰。垂直擴充套件提供簡單性，但受硬體限制，而水平擴充套件提供了幾乎無限的可擴充套件性，但代價是增加了複雜性。瞭解這些擴充套件方法的細微差別對於構建高效、可靠和可擴充套件的系統至關重要，尤其是在越來越多的應用程式遷移到雲原生架構的情況下。

選擇合適的擴充套件策略取決於諸如應用程式架構、預算和可擴充套件性需求等因素。在當今雲驅動的環境中，利用水平和垂直擴充套件優勢的混合方法可能提供最大的靈活性和成本效益。