使用 Compute Engine 和 Spanner 進行全球部署

Last reviewed 2025-05-27 UTC

本文提供多層應用程式的參考架構，這類應用程式會在 Google Cloud的全球拓撲中，於 Compute Engine VM 和 Spanner 上執行。這份文件也提供指引，協助您建構使用其他 Google Cloud 基礎架構服務的架構。本文說明為雲端應用程式建構全球架構時，應考量的設計因素。這份文件的目標對象為雲端架構師。

此架構符合全球部署原型。如果應用程式服務的對象遍及全球，且需要高可用性，並能抵禦多個區域的服務中斷問題，建議您採用這個原型。這個架構支援網路、應用程式和資料庫層級的彈性擴充。您不必犧牲效能、可用性或擴充性，即可讓費用與用量保持一致。

架構

下圖顯示應用程式的架構，該應用程式在多個 Google Cloud區域的全球分散式基礎架構上執行。

使用 Compute Engine 和 Spanner 的全球部署架構。

在這個架構中，全域負載平衡器會根據可用性、容量和流量來源的鄰近程度，將傳入的要求分配至適當區域的網路伺服器。跨區域內部負載平衡層會根據可用性和容量，將網路伺服器的流量分配到適當的應用程式伺服器。應用程式伺服器會將資料寫入所有區域中可用的同步複製資料庫，並從中讀取資料。

此架構包含下列 Google Cloud 資源：

元件 目的
全域外部負載平衡器

全域外部負載平衡器會接收使用者要求，並將要求分配給應用程式。全域外部負載平衡器會宣傳單一 Anycast IP 位址，但負載平衡器是在 Google Front End (GFE) 上以大量 Proxy 實作。用戶端要求會導向至距離用戶端最近的 GFE。

您可以根據需求使用 全域外部應用程式負載平衡器或 全域外部 Proxy 網路負載平衡器。詳情請參閱 選擇負載平衡器。

如要保護應用程式免受分散式阻斷服務 (DDoS) 攻擊和跨網站指令碼 (XSS) 等威脅侵擾，可以使用 Google Cloud Armor 安全性政策。
網路層的 地區代管執行個體群組 (MIG)

應用程式的網路層部署在 Compute Engine VM 上，這些 VM 屬於區域 MIG。這些 MIG 是全域負載平衡器的後端。

每個 MIG 都包含三個不同可用區的 Compute Engine VM。每個 VM 都會託管應用程式網頁層的獨立執行個體。

跨區域內部負載平衡層

具有跨區域後端的內部負載平衡器，可將任何區域中網頁層 VM 的流量，分配到所有區域的應用程式層 VM。

視需求而定，您可以使用 跨區域內部應用程式負載平衡器或 跨區域內部 Proxy 網路負載平衡器。詳情請參閱 選擇負載平衡器。

應用程式層的區域性 MIG

應用程式層部署於 Compute Engine VM，這些 VM 屬於區域 MIG。這些 MIG 是內部負載平衡層的後端。

每個 MIG 都包含三個不同可用區的 Compute Engine VM。每個 VM 都代管應用程式層的獨立執行個體。

Spanner 多區域執行個體

應用程式會將資料寫入 多區域 Spanner 執行個體，並從中讀取資料。此架構中的多區域設定包含下列 備用資源：

  • 四個讀寫副本，分別位於兩個區域的不同可用區。
  • 第三個區域中的見證備用資源。
虛擬私有雲 (VPC) 網路和 子網路

架構中的所有資源都使用單一 VPC 網路。 虛擬私有雲網路包含下列子網路：

  • 每個區域的子網路，適用於網頁伺服器 VM。
  • 每個區域的應用程式伺服器 VM 子網路。
  • (架構圖中未顯示) 各區域的 僅限 Proxy 子網路，適用於跨區域內部負載平衡器。

您可以改為在每個區域中建立個別的 VPC 網路，並使用 Network Connectivity Center 連線這些網路。

使用的產品

這項參考架構使用下列 Google Cloud 產品：

  • Compute Engine：安全可靠且可自訂的運算服務，可讓您透過 Google 的基礎架構建立及執行 VM。
  • Cloud Load Balancing：一系列高效能、可擴充的全球和區域負載平衡器。
  • Spanner：可高度擴充且具全球一致性的關聯資料庫服務。

設計須知

本節提供相關指引，協助您運用這項參考架構，開發符合系統設計、安全性與法規遵循、可靠性、成本、作業效率和效能等特定需求的架構。

系統設計

本節提供指引，協助您為全球部署作業選擇 Google Cloud 區域 ，並選取合適的 Google Cloud 服務。

區域選項

選擇應用程式的部署 Google Cloud 區域時，請考量下列因素和規定：

  • 各區域的 Google Cloud 服務可用情形。詳情請參閱「各地區販售的產品」。
  • 每個區域的 Compute Engine 機器類型可用性。詳情請參閱地區和區域一文。
  • 使用者延遲要求。
  • 資源的 Google Cloud 費用。
  • 跨區域資料移轉費用。
  • 法規要求。

部分因素和規定可能需要做出取捨。舉例來說，成本效益最高的區域可能並非碳足跡最低的區域。詳情請參閱「選擇 Compute Engine 地區的最佳做法」。

運算基礎架構

本文中的參考架構會使用 Compute Engine VM 做為應用程式的特定層級。視應用程式的需求而定，您可以選擇其他 Google Cloud 運算服務：

  • 容器：您可以在 Google Kubernetes Engine (GKE) 叢集中執行容器化應用程式。GKE 是容器協調引擎，可自動部署、調度資源及管理容器化應用程式。
  • 無伺服器：如果您希望將 IT 資源投入資料和應用程式，而非設定及運作基礎架構資源，可以使用 無伺服器服務，例如 Cloud Run。

決定是否使用 VM、容器或無伺服器服務時，必須權衡設定彈性和管理工作量。VM 和容器提供更多設定彈性，但您必須負責管理資源。在無伺服器架構中，您可將工作負載部署至預先設定的平台，只需要極少管理工作。如要進一步瞭解如何在Google Cloud中為工作負載選擇合適的運算服務，請參閱「在 Google Cloud上託管應用程式」。

儲存服務

本文所示的架構會使用 VM 的區域永久磁碟磁碟區。區域永久磁碟磁碟區可在同一區域內的兩個可用區之間提供資料同步複製功能。Persistent Disk 磁碟區中的資料不會跨區域複製。

多區域部署的其他儲存空間選項包括 Cloud Storage 雙區域或多區域值區。儲存在雙區域或多區域值區的物件，至少會備援到兩個獨立地理空間的地點。系統會跨區域同步寫入中繼資料，並以非同步方式複製資料。對於雙區域值區，您可以使用強化型複製功能，確保跨區域複製作業更快完成。詳情請參閱「資料可用性和耐久性」。

如要儲存區域中多個 VM 共用的檔案 (例如網頁層或應用程式層中的所有 VM)，可以使用 Filestore Enterprise 執行個體。您儲存在 Filestore Enterprise 執行個體的檔案，會在區域內的三個可用區中同步複製。這項複製機制可確保高可用性，並防範可用區中斷。您可以在 Filestore 執行個體中儲存共用設定檔、常用工具和公用程式，以及集中式記錄檔，並在多部 VM 上掛接該執行個體。

為多區域工作負載設計儲存空間時，請考量工作負載的功能特性、彈性需求、效能期望和成本目標。詳情請參閱「針對雲端工作負載設計最佳儲存空間策略」。

資料庫服務

本文中的參考架構使用 Spanner，這是一種全代管、可水平擴充、全球分散式且同步複製的資料庫。對於需要跨區域強烈一致性的重要部署作業，建議使用多區域 Spanner 設定。Spanner 支援同步跨區域複製，且在容錯移轉、維護或調整大小時不會停機。

如要瞭解其他可依需求選擇的代管資料庫服務，請參閱Google Cloud 資料庫。 選擇及設定多區域部署的資料庫時，請考量應用程式對跨區域資料一致性的需求，並留意效能和成本的取捨。

外部負載平衡選項

使用全域外部負載平衡器的架構 (例如本文件中的架構) 支援特定功能，可協助您提升部署作業的可靠性。舉例來說，如果您使用全域外部應用程式負載平衡器，可以透過 Cloud CDN 實作邊緣快取。

如果應用程式需要在特定區域終止傳輸層安全標準 (TLS)，或是需要從特定區域提供內容，您可以使用區域負載平衡器搭配 Cloud DNS，將流量轉送至不同區域。如要瞭解區域和全域負載平衡器之間的差異，請參閱下列文件：

安全性、隱私權和法規遵循

本節說明使用這項參考架構在Google Cloud 中設計及建構全球拓撲時，應考量的因素，以符合工作負載的安全、隱私權和法規遵循規定。

防範外部威脅

如要保護應用程式免受分散式阻斷服務 (DDoS) 攻擊和跨網站指令碼 (XSS) 等威脅侵擾，可以使用 Google Cloud Armor 安全性政策。每項政策都是一組規則，指定要評估的特定條件，以及符合條件時要採取的動作。舉例來說，規則可以指定，如果傳入流量的來源 IP 位址符合特定 IP 位址或 CIDR 範圍，則必須拒絕該流量。您也可以套用預先設定的網頁應用程式防火牆 (WAF) 規則。詳情請參閱「安全性政策總覽」。

VM 的外部存取權

在本文件說明的參考架構中，Compute Engine VM 不需要來自網際網路的連入存取權。請勿為 VM 指派外部 IP 位址。 Google Cloud 只有私人內部 IP 位址的資源仍可使用 Private Service Connect 或私人 Google 存取權，存取特定 Google API 和服務。詳情請參閱服務的私人存取權選項。

如要從只有私人 IP 位址的 Google Cloud 資源 (例如本參考架構中的 Compute Engine VM) 啟用安全的外送連線，可以使用 Secure Web Proxy 或 Cloud NAT。

服務帳戶權限

對於架構中的 Compute Engine VM，建議您建立專屬服務帳戶，並指定服務帳戶可存取的資源，而非使用預設服務帳戶。預設服務帳戶包含各種權限，但這些權限在這個執行個體中並非必要，而專屬服務帳戶則可根據需求調整，只具備必要的權限。詳情請參閱「限制服務帳戶權限」。

SSH 安全性

如要提升此架構中 Compute Engine VM 的 SSH 連線安全性，請使用 Cloud OS Login API 實作 Identity-Aware Proxy (IAP) 轉送。IAP 可讓您根據使用者身分和 Identity and Access Management (IAM) 政策控管網路存取權。Cloud OS Login API 可讓您根據使用者身分和 IAM 政策，控管 Linux SSH 存取權。如要進一步瞭解如何管理網路存取權，請參閱「控管 SSH 登入存取權的最佳做法」。

其他安全考量

為工作負載建構架構時，請參考企業基礎藍圖和Google Cloud 架構完善架構：安全性、隱私權和法規遵循中，平台層級的安全最佳做法和建議。

可靠性

本節說明使用此參考架構在 Google Cloud中建構及運作全球部署的可靠基礎架構時，應考量的設計因素。

MIG 自動調度資源

在多個區域性 MIG 上執行應用程式時，即使發生區域或可用區中斷情形，應用程式仍可正常運作。無狀態 MIG 的自動調度資源功能可讓您維持應用程式的可用性和效能，並達到可預測的程度。

如要控管無狀態 MIG 的自動調度資源行為，您可以指定目標使用率指標，例如平均 CPU 使用率。您也可以為無狀態 MIG 設定排程式自動調度資源。有狀態 MIG 無法自動調度資源。詳情請參閱自動調度執行個體群組資源。

MIG 大小限制

決定 MIG 大小時，請考量可在 MIG 中建立的 VM 數量上限和預設限制。詳情請參閱「在 MIG 中新增及移除 VM」。

VM 自動修復

有時，主機應用程式的 VM 可能正在執行且可用，但應用程式本身可能有問題。應用程式可能會停止運作、當機或記憶體不足。如要驗證應用程式是否正常回應，您可以設定以應用程式為準的健康狀態檢查，做為 MIG 自動修復政策的一部分。如果特定 VM 上的應用程式沒有回應，MIG 會自動修復該 VM。如要進一步瞭解如何設定自動修復功能，請參閱「關於修復虛擬機器以確保高可用性」。

VM 刊登位置

在本文件說明的架構中，應用程式層和網頁層會在分散於多個區域的 Compute Engine VM 上執行。這種分配方式可確保應用程式不會受到可用區中斷的影響。

如要提升架構的穩定性，可以建立分散式放置政策，並套用至 MIG 範本。MIG 建立 VM 時，會將每個區域內的 VM 放在不同的實體伺服器 (稱為「主機」)，因此 VM 不會受到個別主機故障的影響。詳情請參閱「為 VM 建立及套用分散式刊登位置政策」。

VM 容量規劃

如要確保在需要佈建 VM 時，Compute Engine VM 的容量足夠，可以建立預訂項目。預留項目可確保在特定區域中，為您選擇的機器類型預留指定數量的 VM 容量。預留項目可專屬於某個專案，或在多個專案之間共用。如要進一步瞭解預留項目，請參閱「選擇預留項目類型」。

有狀態儲存空間

應用程式設計的最佳做法是避免使用有狀態的本機磁碟。但如有這類需求，您可以將永久磁碟設為有狀態，確保在 VM 修復或重建時保留資料。不過，我們建議您讓開機磁碟保持無狀態，這樣就能將開機磁碟更新為最新映像檔，並套用新版本和安全性修補程式。詳情請參閱「在 MIG 中設定具狀態的永久磁碟」一文。

資料持久性

您可以使用 Backup and DR 建立、儲存及管理 Compute Engine VM 的備份。備份和災難復原服務會以原始格式儲存備份資料，方便應用程式讀取。如有需要，您可以直接使用長期備份儲存空間中的資料，將工作負載還原至正式環境，不必準備或移動資料。

Compute Engine 提供下列選項，協助您確保儲存在 Persistent Disk 磁碟區中的資料具有高耐用性：

資料庫可靠性

儲存在多區域 Spanner 執行個體的資料會同步複製到多個區域。上圖所示架構中的 Spanner 設定包含下列副本：

  • 四個讀寫副本，分別位於兩個區域的不同可用區。
  • 第三個區域中的見證備用資源。

對多區域 Spanner 執行個體的寫入作業，至少有三個備用資源 (位於兩個區域的不同可用區) 完成作業後，系統才會確認作業。如果可用區或區域發生故障，Spanner 仍可存取所有資料 (包括最新寫入作業的資料)，並繼續處理讀取和寫入要求。

Spanner 使用分離式儲存空間，也就是將運算和儲存空間資源分離。為高可用性或擴充功能新增運算容量時，您不必移動資料。新的運算資源會在需要時，從最接近的 Colossus 節點取得資料。這可加快容錯移轉和擴充速度，並降低風險。

Spanner 提供外部一致性，這是交易處理系統中比可序列化能力更嚴格的屬性。詳情請參閱下列文章：

更多可靠性注意事項

為工作負載建構雲端架構時，請參閱下列文件，瞭解與可靠性相關的最佳做法和建議：

成本最佳化

本節提供指引，協助您盡量降低設定及運作全球 Google Cloud 拓撲的成本。這個拓撲是您使用這項參考架構所建構。

VM 機器類型

為協助您盡可能提高 VM 執行個體的資源使用率，Compute Engine 會提供機器類型建議。根據建議選擇符合工作負載運算需求的機器類型。對於資源需求可預測的工作負載，您可以根據需求自訂機器類型，並使用自訂機器類型來節省費用。

VM 佈建模型

如果應用程式具備容錯能力，則 Spot VM 可協助您降低應用程式和網頁層級中 VM 的 Compute Engine 費用。Spot VM 的費用遠低於一般 VM。不過，Compute Engine 可能會預先停止或刪除 Spot VM，以回收容量。

Spot VM 適用於可容許先占情況且不要求高可用性的批次工作。Spot VM 提供的機器類型、選項和效能與一般 VM 相同。不過，如果可用區的資源容量有限，MIG 可能無法自動擴充 (即建立 VM)，直到所需容量再次可用為止。

VM 資源使用率

無狀態 MIG 的自動調度資源功能可讓應用程式妥善處理增加的流量，並在資源需求降低時節省費用。有狀態 MIG 無法自動調度資源。

資料庫費用

Spanner 可協助您預估資料庫費用。 您指定的運算資源 (節點或處理單元數量) 會決定儲存空間容量。讀取和寫入輸送量會隨著運算能力線性擴充。用多少付多少。如要根據工作負載需求調整費用，可以調整 Spanner 執行個體的大小。

第三方授權

將第三方工作負載遷移至 Google Cloud時，您或許可以自備授權 (BYOL) 來降低成本。舉例來說，如要部署 Microsoft Windows Server VM，您可以建立並使用自訂 Windows BYOL 映像檔，而不必使用付費映像檔，以免產生第三方授權的額外費用。然後只需為您在 Google Cloud上使用的 VM 基礎架構付費。 這項策略可協助您持續從現有的第三方授權投資中獲利。如果您決定採用 BYOL 方法，下列建議可能有助於降低成本：

  • 使用自訂機器類型，獨立佈建所需數量的運算 CPU 核心，不必考慮記憶體。這樣做可將第三方授權費用限制在您需要的 CPU 核心數量內。
  • 停用多執行緒並行 (SMT)，將每個核心的虛擬 CPU 數量從 2 個減少為 1 個。

如果您在 Compute Engine VM 上部署 Microsoft SQL Server 等第三方資料庫，則必須考量第三方軟體的授權費用。使用 Cloud SQL 等代管資料庫服務時，服務費用會包含資料庫授權費用。

更多費用注意事項

為工作負載建構架構時，也請參考Google Cloud 架構完善架構：成本最佳化中提供的一般最佳做法和建議。

提升作業效率

本節說明使用這項參考架構設計及建構全球 Google Cloud 拓撲時，應考量的因素，以便有效率地運作。

VM 設定更新

如要更新 MIG 中的 VM 設定 (例如機器類型或開機磁碟映像檔)，請建立具有所需設定的新執行個體範本，然後將新範本套用至 MIG。MIG 會使用您選擇的更新方法 (自動或局部) 更新虛擬機器。請根據可用性和作業效率需求，選擇適當方法。如要進一步瞭解這些 MIG 更新方法，請參閱「在 MIG 中套用新的 VM 設定」。

VM 映像檔

對於 VM，建議您建立並使用自訂 OS 映像檔，其中包含應用程式所需的設定和軟體，而非使用 Google 提供的公開映像檔。您可以將自訂映像檔分組為自訂映像檔系列。映像檔系列一律會指向該系列中的最新映像檔，因此執行個體範本和指令碼可以使用該映像檔，而您不必更新特定映像檔版本的參照。您必須定期更新自訂映像檔，納入 OS 供應商提供的安全性更新和修補程式。

確定性執行個體範本

如果您用於 MIG 的執行個體範本包含安裝第三方軟體的開機指令碼，請確認指令碼明確指定軟體安裝參數，例如軟體版本。否則，當 MIG 建立 VM 時，VM 上安裝的軟體可能不一致。舉例來說，如果執行個體範本包含安裝 Apache HTTP Server 2.0 (apache2 套件) 的開機指令碼，請務必在指令碼中指定要安裝的確切 apache2 版本，例如版本 2.4.53。詳情請參閱確定性執行個體範本。

遷移至 Spanner

您可以將資料從其他資料庫 (例如 MySQL、SQL Server 和 Oracle Database) 遷移至 Spanner。遷移程序取決於多項因素，例如來源資料庫、資料大小、停機時間限制，以及應用程式程式碼的複雜程度。為協助您有效率地規劃及執行遷移至 Spanner 的作業，我們提供一系列 Google Cloud和第三方工具。詳情請參閱遷移總覽。

資料庫管理

使用 Spanner 時，您不需要設定或監控複製作業或容錯移轉。內建同步複製和自動容錯移轉功能。應用程式在資料庫維護和容錯移轉期間不會停機。如要進一步降低操作複雜度，可以設定自動調度資源。啟用自動調度資源功能後，您就不需要手動監控及調整執行個體大小。

更多作業考量

建構工作負載架構時，請考量Google Cloud 架構完善架構：卓越營運中說明的一般最佳做法和營運效率建議。

效能最佳化

本節說明使用這項參考架構在Google Cloud 中設計及建構全球拓撲時，應考量的因素，以符合工作負載的效能需求。

網路效能

如果應用程式和網頁層的工作負載需要低 VM 間網路延遲時間，您可以建立密集放置政策，並套用至用於這些層的 MIG 範本。MIG 建立 VM 時，會將 VM 放在彼此靠近的實體伺服器上。密集配置政策有助於提升 VM 間的網路效能，而分散式配置政策則有助於提升 VM 可用性，如先前所述。如要在網路效能和可用性之間取得最佳平衡，建立密集放置政策時，可以指定 VM 之間的距離。詳情請參閱刊登位置政策總覽。

Compute Engine 對於 VM 的輸出網路頻寬設有限制。這項限制取決於 VM 的機器類型，以及流量是否透過與來源 VM 相同的 VPC 網路轉送。對於特定機器類型的 VM，如要提升網路效能，可以啟用 Tier_1 網路，提高輸出頻寬上限。

運算效能

Compute Engine 提供各種預先定義和可自訂的機器類型，供您在 VM 上執行工作負載。根據效能需求選擇合適的機器類型。詳情請參閱「機器家族資源與比較指南」。

VM 多執行緒

您分配給 Compute Engine VM 的每個虛擬 CPU (vCPU) 都會以單一硬體多執行緒的形式實作。根據預設，兩個 vCPU 會共用一個實體 CPU 核心。如果應用程式涉及高度平行的作業，或執行浮點運算 (例如基因序列分析和金融風險建模)，您可以減少在每個實體 CPU 核心上執行的執行緒數量，藉此提升效能。詳情請參閱「設定每個核心的執行緒數量」。

VM 多執行緒可能會對某些第三方軟體 (例如資料庫) 造成授權影響。詳情請參閱第三方軟體的授權說明文件。

網路服務級別

網路服務級別可協助您提升工作負載的網路成本效益和效能。您可以選擇進階級或標準級。進階級服務會透過 Google 的全球骨幹網路傳輸流量，盡量減少封包遺失，並降低延遲時間。標準級服務會使用對等互連、網際網路服務供應商 (ISP) 或中轉網路，在最靠近工作負載執行所在區域的邊緣 PoP 傳輸流量。 Google Cloud 如要獲得最佳效能，建議使用進階級服務。如要節省費用，建議使用標準級。

本文中的架構使用全域外部負載平衡器，搭配外部 IP 位址和多個區域的後端。這個架構需要使用進階級，透過 Google 高穩定性的全球骨幹網路，協助您將封包遺失和延遲降到最低。

如果您使用區域外部負載平衡器，並透過 Cloud DNS 將流量轉送至區域，則可視需求選擇進階級或標準級。標準級的價格比進階級低。標準級適合對封包遺失不敏感，且沒有低延遲時間要求的流量。

Spanner 效能

佈建 Spanner 執行個體時，您會以節點或處理單元數量指定執行個體的運算資源。監控 Spanner 執行個體的資源使用率，並根據預期負載和應用程式的效能需求調整容量。您可以手動或自動調整 Spanner 執行個體的容量。詳情請參閱自動調度總覽。

使用多區域設定時，Spanner 會跨多個區域同步複製資料。這項複製作業可讓您從多個位置執行低延遲的讀取作業。缺點是寫入作業的延遲時間較長，因為仲裁備用資源分散在多個地區。為盡量減少多區域設定中讀寫交易的延遲時間，Spanner 會使用可感知主機的路由 (預設為啟用)。

如需最佳化 Spanner 執行個體和資料庫效能的建議，請參閱下列說明文件：

快取

如果應用程式提供靜態網站資產，且架構包含全域外部應用程式負載平衡器，則可使用 Cloud CDN 將經常存取的靜態內容快取在離使用者較近的地方。Cloud CDN 可協助提升使用者效能、減少後端基礎架構資源用量，以及降低網路傳遞費用。詳情請參閱「提高網站效能並加強網路保護機制，藉此達到負載平衡」。

更多效能考量事項

為工作負載建構架構時，請參考Google Cloud 架構完善架構：效能最佳化中提供的一般最佳做法和建議。

後續步驟

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