在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，我們需要預(yù)估系統(tǒng)的容量，但是，隨著系統(tǒng)流量的增大，我們會通過擴(kuò)容來應(yīng)對流量，常見的擴(kuò)容方式是垂直擴(kuò)展和水平擴(kuò)展，因此，這本文章，我們將深入探討這兩種擴(kuò)展策略的優(yōu)缺點(diǎn)以及該如何選擇？

一、垂直擴(kuò)展

1.定義

垂直擴(kuò)展（Vertical Scaling），也稱為縱向擴(kuò)展或向上擴(kuò)展（Scale Up），是指通過增加單個服務(wù)器的資源來提高系統(tǒng)性能和處理能力。具體來說，垂直擴(kuò)展涉及到增加服務(wù)器的 CPU、內(nèi)存、存儲等硬件資源，使其能夠處理更多的負(fù)載和更高的工作量。

如下圖，展示了 CPU、內(nèi)存、存儲的擴(kuò)展：

• 升級 CPU：將服務(wù)器的處理器更換為功能更強(qiáng)大的處理器。
• 增加 RAM：添加更多內(nèi)存以處理更大的數(shù)據(jù)集并減少對較慢存儲的依賴。
• 增強(qiáng)存儲：切換到更快的存儲（如 SSD）或增加整體存儲容量。

比如：CPU: 4核 內(nèi)存: 16GB 存儲: 500GB 升級成 CPU: 16核 內(nèi)存: 64GB 存儲: 2TB

2.優(yōu)點(diǎn)

垂直擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)主要包含以下幾點(diǎn)：

• 簡單：垂直擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)相對簡單，因?yàn)樗恍枰膽?yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)。
• 更低的延遲：由于所有資源都位于一臺機(jī)器上，因此垂直擴(kuò)展可以消除對服務(wù)器間通信的需求，從而降低延遲。
• 降低軟件成本：在初始階段，垂直擴(kuò)展可能比水平擴(kuò)展更具成本效益，尤其是在處理需求適度增長時。
• 無需重大代碼更改：通常幾乎不需要對應(yīng)用程序的代碼庫進(jìn)行調(diào)整。

3.缺點(diǎn)

垂直擴(kuò)展的缺點(diǎn)主要包含以下幾點(diǎn)：

• 硬件限制：單臺服務(wù)器的硬件資源有上限，最終會達(dá)到物理擴(kuò)展的極限。
• 單點(diǎn)故障：由于所有資源都在一臺服務(wù)器上，任何硬件故障都可能使整個系統(tǒng)癱瘓。
• 停機(jī)時間：升級硬件通常需要使服務(wù)器脫機(jī)，這可能是一個明顯的缺點(diǎn)。
• 成本增加：隨著規(guī)模的擴(kuò)展，具有強(qiáng)大 CPU和大量 RAM的高端服務(wù)器可能會變得非常昂貴。

二、水平擴(kuò)展

1.定義

水平擴(kuò)展（Horizontal Scaling），也稱為橫向擴(kuò)展或向外擴(kuò)展（Scale Out），是指通過增加更多的服務(wù)器或節(jié)點(diǎn)來提高系統(tǒng)性能和處理能力，而不是通過增加單個服務(wù)器的硬件資源來提升性能。水平擴(kuò)展通常用于分布式系統(tǒng)和云計(jì)算環(huán)境中，通過增加服務(wù)器數(shù)量來分散負(fù)載，從而提高系統(tǒng)的整體處理能力和可靠性。

如下圖，展示了水平擴(kuò)展：

2.優(yōu)點(diǎn)

水平擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)主要包含以下幾點(diǎn)：

• 近乎無限的可擴(kuò)展性：只要您的架構(gòu)支持，您就可以繼續(xù)添加節(jié)點(diǎn)，從而能夠處理更大的負(fù)載。
• 改進(jìn)的容錯能力：一個節(jié)點(diǎn)的故障不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，從而最大限度地減少停機(jī)時間。
• 成本效益：水平擴(kuò)展可能更具成本效益，因?yàn)樗褂蒙逃糜布皇前嘿F的高端服務(wù)器。

3.缺點(diǎn)

水平擴(kuò)展的缺點(diǎn)主要包含以下幾點(diǎn)：

• 復(fù)雜性：將應(yīng)用程序分布在多個服務(wù)器上會帶來數(shù)據(jù)一致性、負(fù)載平衡和服務(wù)器間通信方面的復(fù)雜性。
• 延遲增加：與單臺計(jì)算機(jī)相比，服務(wù)器之間的通信可能會引入額外的延遲。
• 成本：由于基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性，初始設(shè)置和維護(hù)成本可能會更高。
• 應(yīng)用程序兼容性：應(yīng)用程序的代碼可能需要調(diào)整才能在分布式環(huán)境中有效工作。

三、如何選擇？

1.考慮因素

在垂直擴(kuò)展和水平擴(kuò)展之間做出選擇時，我們通常需要考慮以下事項(xiàng)：

• 成本：分析初始硬件成本與長期運(yùn)營費(fèi)用。
• 工作負(fù)載：分析應(yīng)用程序是受 CPU限制、內(nèi)存受限，還是其他因素限制？
• 復(fù)雜性：在進(jìn)行擴(kuò)展時，需要考慮擴(kuò)展的復(fù)雜度，是否牽涉到應(yīng)用程序代碼的改動等？
• 未來增長：擴(kuò)展預(yù)計(jì)會達(dá)到多大的規(guī)模？

2.何時選擇垂直擴(kuò)展

一般來說，垂直擴(kuò)展非常適合以下方案：

• 有限的可擴(kuò)展性：增長預(yù)測有限的中小型應(yīng)用程序，您的需求可以通過硬件升級輕松滿足。
• 遺留應(yīng)用程序：當(dāng)組件之間存在緊密耦合時，很難在多個服務(wù)器之間分發(fā)。
• 低延遲：當(dāng)?shù)脱舆t是一項(xiàng)關(guān)鍵要求，并且服務(wù)器間通信開銷是不可接受的。
• 成本敏感型項(xiàng)目：當(dāng)預(yù)算不允許復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施，并且橫向擴(kuò)展的成本超過收益時，例如在昂貴的軟件許可證的情況下。

3.何時選擇水平擴(kuò)展

一般來說，水平擴(kuò)展非常適合以下情況：

• 快速增長：當(dāng)經(jīng)歷快速增長并需要處理不斷增長的流量的能力時。
• 高可用性需求：當(dāng)應(yīng)用程序需要高可用性和節(jié)點(diǎn)故障復(fù)原能力時。
• 易于分發(fā)：當(dāng)應(yīng)用程序可以輕松地分布在多個服務(wù)器上而無需進(jìn)行重大修改時。
• 微服務(wù)體系結(jié)構(gòu)：當(dāng)應(yīng)用程序圍繞微服務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，微服務(wù)自然適合水平擴(kuò)展。
• 成本效益：當(dāng)成本效益是優(yōu)先事項(xiàng)時，首選使用商品硬件。

四、總結(jié)

本文分析了垂直擴(kuò)展和水平擴(kuò)展以及他們的優(yōu)缺點(diǎn)和使用場景，垂直擴(kuò)展更加關(guān)注的是機(jī)器硬件配置的提升，而水平擴(kuò)展關(guān)注更多的是機(jī)器數(shù)量，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，這是最常見的 2種擴(kuò)展方式。

垂直擴(kuò)展和水平擴(kuò)展，如何選擇？在很大程度上取決于應(yīng)用程序的特定需求、預(yù)期的增長規(guī)模、預(yù)算以及正常運(yùn)行時間對業(yè)務(wù)的重要性，不過，在實(shí)際情況下，通常都會使用兩者的組合來優(yōu)化系統(tǒng)性能和成本效益。

通過本文，我們需要掌握在系統(tǒng)流量增加時，如何通過擴(kuò)展來應(yīng)對流量，同時也需要掌握在系統(tǒng)流量不高時，如何動態(tài)縮減以減少成本。