Subnet 與 Availability Zone 深度解析：AWS、Azure、GCP 架構設計完全比較
在雲計算的世界中，網路架構設計直接影響系統的可用性、擴展性與安全性。對於需要建構高可用性應用的企業來說，理解如何在多個 Availability Zone 之間設計 Subnet，並選擇適合的雲平台，是實現業務目標的關鍵。本文將深入探討 Subnet 與 Availability Zone 的核心概念，並比較 Amazon Web Services (AWS)、Microsoft Azure 和 Google Cloud Platform (GCP) 在這方面的設計哲學與實作差異。
核心概念：Subnet 與 Availability Zone
什麼是 Subnet（子網路）？
Subnet（Subnetwork，子網路）是在雲端虛擬網路（VPC 或 VNet）內劃分出的較小 IP 位址範圍區段。它的主要作用包括：
- 邏輯隔離：將不同功能的資源分隔在不同網段中，例如前端 Web 伺服器、應用層、資料庫層
- 精細控制：針對每個 Subnet 實施不同的路由規則、安全政策和網路存取控制清單（ACL）
- 資源組織：依照應用架構、環境（開發/測試/生產）或安全等級來組織雲端資源
實際範例：
VPC: 10.0.0.0/16（提供 65,536 個 IP 位址）
├─ Public Subnet: 10.0.1.0/24（256 個 IP，部署 Web 伺服器）
├─ Private Subnet: 10.0.2.0/24（256 個 IP，部署應用伺服器）
└─ Database Subnet: 10.0.3.0/24（256 個 IP，部署資料庫）
什麼是 Availability Zone（可用區）？
Availability Zone（AZ，可用區）是雲服務提供商在同一個 Region（區域）內設置的物理隔離資料中心。每個 AZ 具備以下特性：
- 獨立基礎設施：擁有獨立的電力供應、網路連接和冷卻系統
- 低延遲互連：AZ 之間透過高速專線連接，延遲通常在 1-2 毫秒內
- 容錯能力：當一個 AZ 發生故障（如停電、硬體故障）時，其他 AZ 仍可正常運作
- 地理位置：通常位於同一都會區內，但彼此間有足夠的物理距離以避免單點災難
典型配置：
Region: US East（如維吉尼亞州）
├─ Availability Zone 1（資料中心 A）
├─ Availability Zone 2（資料中心 B）
└─ Availability Zone 3（資料中心 C）
Subnet 與 Availability Zone 的關係
Subnet 與 AZ 的關係決定了雲端網路架構的靈活性與複雜度。不同雲平台採用不同的設計哲學：
【AWS 模式：一對一綁定】
Region: us-east-1
├─ AZ: us-east-1a
│ ├─ Subnet A: 10.0.1.0/24
│ └─ Subnet B: 10.0.2.0/24
├─ AZ: us-east-1b
│ ├─ Subnet C: 10.0.3.0/24
│ └─ Subnet D: 10.0.4.0/24
【Azure / GCP 模式：一對多或區域性】
Region: East US
├─ Subnet X: 10.0.1.0/24（可跨多個 AZ）
│ ├─ 資源部署於 AZ-1
│ ├─ 資源部署於 AZ-2
│ └─ 資源部署於 AZ-3
雲平台深度比較
AWS：精細控制的一對一綁定
設計原則：
AWS 要求每個 Subnet 必須明確分配到一個特定的 Availability Zone。這種設計提供了最高程度的控制，但也增加了管理複雜度。
優勢：
- 明確的資源位置：清楚知道每個資源部署在哪個實體資料中心
- 最佳化延遲：可將需要低延遲通信的服務部署在同一 AZ 內
- 精確的容錯設計：完全掌控跨 AZ 的流量與故障轉移邏輯
限制與挑戰：
- 複雜的 IP 規劃：需要為每個 AZ 預先規劃 Subnet 與 IP 範圍
- 管理負擔：多 AZ 部署需要建立多個 Subnet 並管理其間的路由
- 跨 AZ 流量成本：AZ 之間的資料傳輸會產生額外費用
實際配置範例：
// 高可用 Web 應用架構
VPC: 10.0.0.0/16
// AZ-1（us-east-1a）
- Public Subnet: 10.0.1.0/24 → Application Load Balancer
- Private Subnet: 10.0.2.0/24 → EC2 執行個體（應用層）
- Data Subnet: 10.0.3.0/24 → RDS 主資料庫
// AZ-2（us-east-1b）
- Public Subnet: 10.0.11.0/24 → Application Load Balancer
- Private Subnet: 10.0.12.0/24 → EC2 執行個體（應用層）
- Data Subnet: 10.0.13.0/24 → RDS 備援資料庫
Azure：跨 AZ 靈活性與簡化管理
設計原則：
Azure 允許 Subnet 跨越多個 Availability Zone，提供更高的部署靈活性。資源可以在同一 Subnet 內分散到不同的 AZ。
優勢：
- 簡化的網路規劃：無需為每個 AZ 建立獨立的 Subnet
- 靈活的資源部署：可在建立資源時動態選擇部署的 AZ
- 原生高可用性支援：Virtual Machine Scale Sets 可自動跨 AZ 分散執行個體
- Virtual Network Peering：簡化不同 VNet 之間的連接，無需複雜的 VPN 設定
適用場景：
- 需要快速部署且不想管理複雜網路拓撲的專案
- 使用 Azure 原生高可用性服務（如 Azure SQL Database、Azure Kubernetes Service）
- 多區域企業應用，需要簡化的跨區域網路連接
實際配置範例：
// 高可用應用架構
VNet: 10.0.0.0/16
// 單一 Subnet 跨多個 AZ
- Frontend Subnet: 10.0.1.0/24
├─ VM Scale Set（自動分散於 Zone 1, 2, 3）
└─ Azure Load Balancer（Zone-redundant）
- Backend Subnet: 10.0.2.0/24
├─ Azure Kubernetes Service（跨 AZ 節點池）
└─ Azure Application Gateway
- Database Subnet: 10.0.3.0/24
└─ Azure SQL Database（Zone-redundant 配置）
GCP：全球網路與區域性 Subnet
設計原則：
GCP 採用區域性（Regional）Subnet 設計，每個 Subnet 自動跨越該 Region 內的所有 Availability Zone，無需額外配置。
優勢：
- 最簡化的管理：建立一次 Subnet 即自動覆蓋所有 AZ
- 全球性網路架構：利用 Google 的全球私有網路，提供極低延遲與高頻寬
- 自動容錯：資源可輕鬆在同一 Subnet 的不同 AZ 間移動或擴展
- 內建 Global Load Balancing：自動將流量分配到全球各地最佳的後端執行個體
適用場景：
- 需要快速全球部署的 SaaS 應用
- 大規模 Kubernetes 叢集（GKE 自動跨 AZ 調度 Pod）
- 需要最小化網路管理工作的新創團隊
實際配置範例：
// 全球性應用架構
VPC: custom-vpc
// 區域性 Subnet（自動跨 AZ）
- us-central1 Subnet: 10.1.0.0/16
└─ 自動覆蓋 us-central1-a, us-central1-b, us-central1-c
- europe-west1 Subnet: 10.2.0.0/16
└─ 自動覆蓋 europe-west1-b, europe-west1-c, europe-west1-d
// 全球負載平衡器自動路由至最近的健康後端
Global HTTP(S) Load Balancer
├─ Backend in us-central1（服務北美用戶）
└─ Backend in europe-west1（服務歐洲用戶）
完整比較表格
| 特性 | AWS | Azure | GCP |
|---|---|---|---|
| Subnet 與 AZ 關係 | 一對一綁定（每個 Subnet 屬於單一 AZ） | 一對多（Subnet 可跨多個 AZ） | 區域性（Subnet 自動跨所有 AZ） |
| 跨 AZ 部署靈活性 | 低（需為每個 AZ 建立獨立 Subnet） | 高（同一 Subnet 內資源可分散於不同 AZ） | 極高（完全自動化，無需額外配置） |
| 隔離性與容錯能力 | 最高（獨立資料中心的 AZ，明確的網路邊界） | 高（依賴配置，支援 Zone-redundant 服務） | 高（全球私有網路，自動容錯） |
| 管理複雜度 | 高（需規劃多個 Subnet、路由表、安全群組） | 中等（簡化的 Subnet 管理，但需理解 Zone 選擇） | 低（最少的網路配置工作） |
| IP 位址規劃 | 複雜（需為每個 AZ 預留足夠 IP 範圍） | 中等（Subnet 需涵蓋所有 AZ 的資源） | 簡單（區域性規劃即可） |
| 跨 AZ 網路成本 | 有（AZ 間資料傳輸收費） | 有（Zone 間資料傳輸收費） | 有（Zone 間資料傳輸收費，但費率較低） |
| 網路連接方式 | VPC Peering、Transit Gateway、VPN | Virtual Network Peering、VPN Gateway | VPC Peering、Shared VPC、Cloud VPN |
| 原生高可用性服務 | 需手動配置跨 AZ（如 Multi-AZ RDS） | 內建支援（如 Zone-redundant Azure SQL） | 內建支援（如 Regional GKE、Cloud SQL） |
| 最佳適用場景 | 需要最大控制權與自訂化的企業應用 | Microsoft 生態系統、混合雲架構 | 快速全球部署、容器化應用、新創公司 |
實務建議：如何選擇合適的雲平台
選擇 AWS 的情境
- 需要精確控制資源在哪個實體資料中心運行
- 對網路延遲有極嚴格要求，需要將服務部署在同一 AZ 內
- 已有大量 AWS 服務投資，深度整合 AWS 生態系統
- 合規要求明確指定資料不得跨特定地理邊界
選擇 Azure 的情境
- 企業已採用 Microsoft 技術棧（Windows Server、SQL Server、Active Directory）
- 需要混合雲架構，透過 Azure Arc 管理地端與雲端資源
- 想要簡化跨 AZ 網路管理，同時保持一定控制權
- 使用 Azure 原生 PaaS 服務（Azure App Service、Azure Functions）
選擇 GCP 的情境
- 新創公司或專案，希望最小化基礎設施管理工作
- 容器化應用，大量使用 Kubernetes（GKE 提供最佳 Kubernetes 體驗）
- 需要快速全球部署，利用 Google 的全球網路優勢
- 資料分析與機器學習應用（整合 BigQuery、Vertex AI）
網路架構設計考量
1. IP 位址空間規劃
- 預留足夠的 IP 範圍以支援未來擴展（建議使用 /16 或 /20）
- 避免與地端網路或其他 VPC 的 IP 範圍衝突
- 考慮使用私有 IP 範圍（10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16）
2. 安全性設計
- 使用多層 Subnet 架構（Public、Private、Database）實現縱深防禦
- Public Subnet 僅放置 Load Balancer 與 NAT Gateway
- 應用與資料庫層部署於 Private Subnet，無公開 IP
- 實施網路 ACL 與安全群組的最小權限原則
3. 成本優化
- AWS：最小化跨 AZ 流量，使用 VPC Endpoints 存取 S3 等服務
- Azure：利用 Virtual Network Service Endpoints 降低頻寬成本
- GCP：善用 Premium Tier vs Standard Tier 網路選擇
- 所有平台：使用 CDN（CloudFront、Azure CDN、Cloud CDN）減少來源伺服器流量
4. 監控與可觀測性
- 設定跨 AZ 網路延遲監控，及早發現異常
- 追蹤每個 AZ 的資源使用率，避免單一 AZ 過載
- 實施健康檢查與自動故障轉移機制
結論
Subnet 與 Availability Zone 的設計是雲端網路架構的基礎。AWS 提供最精細的控制但管理複雜度最高；Azure 在靈活性與管理便利性之間取得平衡；GCP 則以最簡化的管理體驗見長，特別適合快速部署的場景。
選擇哪個雲平台應綜合考量您的具體業務需求、技術棧、團隊能力、成本預算，以及現有的雲服務投資。理解這三大平台在 Subnet 跨 Availability Zone 設計上的本質差異，將幫助您做出明智的架構決策，建構出高可用、可擴展且經濟高效的雲端應用。
無論選擇哪個平台，遵循網路設計最佳實踐—合理的 IP 規劃、多層安全架構、適當的監控機制—都將為您的應用提供堅實的基礎設施支撐。