在系統設計時，我們需要預估系統的容量，但是，隨著系統流量的增大，我們會通過擴容來應對流量，常見的擴容方式是垂直擴展和水平擴展，因此，這本文章，我們將深入探討這兩種擴展策略的優缺點以及該如何選擇？

一、垂直擴展

1.定義

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

如下圖，展示了 CPU、內存、存儲的擴展：

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

比如：CPU: 4核 內存: 16GB 存儲: 500GB 升級成 CPU: 16核 內存: 64GB 存儲: 2TB

2.優點

垂直擴展的優點主要包含以下幾點：

• 簡單：垂直擴展的實現相對簡單，因為它不需要更改應用程序體系結構。
• 更低的延遲：由于所有資源都位于一臺機器上，因此垂直擴展可以消除對服務器間通信的需求，從而降低延遲。
• 降低軟件成本：在初始階段，垂直擴展可能比水平擴展更具成本效益，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用程序的代碼庫進行調整。

3.缺點

垂直擴展的缺點主要包含以下幾點：

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

二、水平擴展

1.定義

水平擴展（Horizontal Scaling），也稱為橫向擴展或向外擴展（Scale Out），是指通過增加更多的服務器或節點來提高系統性能和處理能力，而不是通過增加單個服務器的硬件資源來提升性能。水平擴展通常用于分布式系統和云計算環境中，通過增加服務器數量來分散負載，從而提高系統的整體處理能力和可靠性。

如下圖，展示了水平擴展：

2.優點

水平擴展的優點主要包含以下幾點：

• 近乎無限的可擴展性：只要您的架構支持，您就可以繼續添加節點，從而能夠處理更大的負載。
• 改進的容錯能力：一個節點的故障不會導致整個系統癱瘓，從而最大限度地減少停機時間。
• 成本效益：水平擴展可能更具成本效益，因為它使用商用硬件而不是昂貴的高端服務器。

3.缺點

水平擴展的缺點主要包含以下幾點：

• 復雜性：將應用程序分布在多個服務器上會帶來數據一致性、負載平衡和服務器間通信方面的復雜性。
• 延遲增加：與單臺計算機相比，服務器之間的通信可能會引入額外的延遲。
• 成本：由于基礎設施的復雜性，初始設置和維護成本可能會更高。
• 應用程序兼容性：應用程序的代碼可能需要調整才能在分布式環境中有效工作。

三、如何選擇？

1.考慮因素

在垂直擴展和水平擴展之間做出選擇時，我們通常需要考慮以下事項：

• 成本：分析初始硬件成本與長期運營費用。
• 工作負載：分析應用程序是受 CPU限制、內存受限，還是其他因素限制？
• 復雜性：在進行擴展時，需要考慮擴展的復雜度，是否牽涉到應用程序代碼的改動等？
• 未來增長：擴展預計會達到多大的規模？

2.何時選擇垂直擴展

一般來說，垂直擴展非常適合以下方案：

• 有限的可擴展性：增長預測有限的中小型應用程序，您的需求可以通過硬件升級輕松滿足。
• 遺留應用程序：當組件之間存在緊密耦合時，很難在多個服務器之間分發。
• 低延遲：當低延遲是一項關鍵要求，并且服務器間通信開銷是不可接受的。
• 成本敏感型項目：當預算不允許復雜的基礎設施，并且橫向擴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.何時選擇水平擴展

一般來說，水平擴展非常適合以下情況：

• 快速增長：當經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：當應用程序需要高可用性和節點故障復原能力時。
• 易于分發：當應用程序可以輕松地分布在多個服務器上而無需進行重大修改時。
• 微服務體系結構：當應用程序圍繞微服務進行設計時，微服務自然適合水平擴展。
• 成本效益：當成本效益是優先事項時，首選使用商品硬件。

四、總結

本文分析了垂直擴展和水平擴展以及他們的優缺點和使用場景，垂直擴展更加關注的是機器硬件配置的提升，而水平擴展關注更多的是機器數量，在系統設計中，這是最常見的 2種擴展方式。

垂直擴展和水平擴展，如何選擇？在很大程度上取決于應用程序的特定需求、預期的增長規模、預算以及正常運行時間對業務的重要性，不過，在實際情況下，通常都會使用兩者的組合來優化系統性能和成本效益。

通過本文，我們需要掌握在系統流量增加時，如何通過擴展來應對流量，同時也需要掌握在系統流量不高時，如何動態縮減以減少成本。