我們已經(jīng)進(jìn)入云計(jì)算下半場，不再像上半場在糾結(jié)要不要上云，而是討論怎么上云？才能把云計(jì)算的價值發(fā)揮到淋漓盡致。如何把云計(jì)算與不同的業(yè)務(wù)場景深度結(jié)合？如何讓技術(shù)真正作用于企業(yè)？如何節(jié)省企業(yè)IT部署成本？?誰也不知道答案，直到“云原生”來了。

云原生是什么？這個眾說紛紜，沒有統(tǒng)一的定義，姑且以老大哥CNCF的定義來了解云原生。

老大哥？CNCF？

CNCF，全稱為Cloud Native Computing Foundation，中文譯為“云原生計(jì)算基金會”。成立于2015年12月11日，CNCF是Linux基金會旗下的基金會。CNCF致力于培育和維護(hù)一個廠商中立的開源生態(tài)系統(tǒng)，來推廣云原生技術(shù)。CNCF是云原生領(lǐng)域影響力最大最有話語權(quán)的組織。

說起CNCF的故事，還要從Cgroups（control groups，控制組群）開始說起，時間軸回到16年前。

2004年，谷歌開始使用容器技術(shù)，于2006年發(fā)布了Cgroups,最初叫Process Container（進(jìn)程容器）。

Process Container的目的非常直白，它希望能夠像虛擬化技術(shù)那樣給進(jìn)程提供操作系統(tǒng)級別的資源限制、優(yōu)先級控制、資源審計(jì)能力和進(jìn)程控制能力。帶著這樣的設(shè)計(jì)思路，Process Container在2006年由Google的工程師正式推出后，第二年就進(jìn)入了Linux內(nèi)核主干。

因?yàn)樵贚inux內(nèi)核中，容器（container）這個名詞有許多不同的意義，為避免混亂，就更名為Control Groups，也就是Cgroups。

2013?年，Docker?項(xiàng)目正式發(fā)布，2014?年，K8s項(xiàng)目也正式發(fā)布。

原因非常容易理解，因?yàn)橛辛巳萜骱?Docker?之后，就需要有一種方式去幫助大家方便、快速、優(yōu)雅地管理這些容器，這就是K8s項(xiàng)目的初衷。

K8s是云原生的基石，后面會細(xì)講。在?Google?和?Redhat?發(fā)布了K8s?之后，這個項(xiàng)目的發(fā)展速度非常之快。

2015?年，由Google、Redhat?以及微軟等大型云計(jì)算廠商以及一些開源公司共同牽頭成立了?CNCF?云原生基金會。CNCF成立之初，就有22個創(chuàng)始會員，而且K8s也成為了?CNCF?托管的第一個開源項(xiàng)目。

在這之后，CNCF?迅猛發(fā)展。截止2020年2月，從官網(wǎng)看到數(shù)據(jù)顯示有433個會員。

那么CNCF是如何定義云原生的呢？

翻譯為中文：

除了CNCF關(guān)于云原生的定義，網(wǎng)絡(luò)上流傳的另一個版本是Pivotal 公司的 Matt Stine于2013年首次提出云原生概念；2015年，云原生剛推廣時，Matt Stine在《遷移到云原生架構(gòu)》一書中定義了符合云原生架構(gòu)的幾個特征：12因素、微服務(wù)、自敏捷架構(gòu)、基于API 協(xié)作、扛脆弱性。

到了2017年，Matt Stine 改了口風(fēng)，將云原生架構(gòu)歸納為模塊化、可觀察、可部署、可測試、可替換、可處理6特質(zhì)；而Pivotal 官網(wǎng)對云原生概括為4個要點(diǎn)：DevOps+持續(xù)交付+微服務(wù)+容器。

MattStine認(rèn)為云原生它是一個思想的集合，包括DevOps、持續(xù)交付（Continuous Delivery）、微服務(wù)（MicroServices）、敏捷基礎(chǔ)設(shè)施（Agile Infrastructure）、康威定律（Conways Law）等。

云原生即包含技術(shù)（微服務(wù)，敏捷基礎(chǔ)設(shè)施），也包含管理（DevOps，持續(xù)交付，康威定律，重組等）。云原生也可以說是一系列云技術(shù)、企業(yè)管理方法的集合。

我們以CNCF官方的定義來接著了解。云原生的代表技術(shù)包括容器、服務(wù)網(wǎng)格、微服務(wù)、不可變基礎(chǔ)設(shè)施和聲明式API。那么這些技術(shù)都是什么？這些技術(shù)有什么聯(lián)系？

 

◆◆云原生代表技術(shù)◆◆

容器

一般我們說的“容器”（LinuxContainer，LXC），都是“Linux容器”（當(dāng)然微軟也在搞容器，但還沒linux那么成熟）。開源解決方案供應(yīng)商紅帽官網(wǎng)給出的容器定義：

容器提供進(jìn)程級的隔離，可以將操作系統(tǒng)管理的資源劃分到相互隔離的組中，在相互隔離的組之間解決資源使用存在沖突的問題。比如應(yīng)用程序（Application，APP?）APP 1?只能在centos?操作系統(tǒng)上運(yùn)行，APP2只能在ubuntu操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而同一個操作系統(tǒng)同時運(yùn)行APP1和APP2就產(chǎn)生沖突，容器技術(shù)則恰恰可以解決這類問題。目前主流的容器技術(shù)有Docker、LXD以及RKT等。

Docker

說到容器，就不得不說Docker。

2010年，幾個大胡子的年輕人在美國舊金山成立了一家名叫“dotCloud”的公司。這家公司主要提供基于PaaS的云計(jì)算技術(shù)服務(wù)。具體來說，是和LXC有關(guān)的容器技術(shù)。LXC，就是Linux容器虛擬技術(shù)（Linux container）

后來，dotCloud公司將自己的容器技術(shù)進(jìn)行了簡化和標(biāo)準(zhǔn)化，并命名為——Docker。

Docker項(xiàng)目發(fā)布時，無非也是LXC的一個使用者，它創(chuàng)建和使用應(yīng)用容器的邏輯跟Warden等競爭對手沒有本質(zhì)不同。不過，我們現(xiàn)在也知道，真正讓PaaS項(xiàng)目無所適從的，是Docker項(xiàng)目最厲害的殺手锏：容器鏡像。

Docker項(xiàng)目通過容器鏡像，直接將一個應(yīng)用運(yùn)行所需的完整環(huán)境，即：整個操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)也打包了進(jìn)去。這種思路，可算是解決了困擾PaaS用戶已久的一致性問題，制作一個“一次發(fā)布、隨處運(yùn)行”的Docker鏡像的意義，一下子就比制作一個連開發(fā)和測試環(huán)境都無法統(tǒng)一的Buildpack高明了太多。

Docker項(xiàng)目大大降低了容器技術(shù)的使用門檻，輕量級，可移植，虛擬化，語言無關(guān)，寫了程序扔上去做成鏡像可以隨處部署和運(yùn)行，開發(fā)、測試和生產(chǎn)環(huán)境徹底統(tǒng)一了，還能進(jìn)行資源管控和虛擬化。

 

Docker作為一種開源應(yīng)用容器引擎，是為開發(fā)人員和系統(tǒng)管理員設(shè)計(jì)的用于構(gòu)建、發(fā)布和運(yùn)行分布式應(yīng)用的平臺，典型的Docker平臺Kubernetes、Openshift V3、Flynn、Deis等。

Docker允許開發(fā)人員將各種應(yīng)用以及依賴包打包到一個可移植的Docker容器中，以Docker容器為資源分割和調(diào)度的基本單位，封裝整個軟件運(yùn)行時的環(huán)境，然后發(fā)布到Linux機(jī)器上。

Docker設(shè)計(jì)原理如上圖所示。按照Docker的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用軟件的交付過程如同海上運(yùn)輸，操作系統(tǒng)OS如同一個貨輪，每一個在OS基礎(chǔ)上的軟件都如同一個集裝箱，用戶可以通過標(biāo)準(zhǔn)化手段自由組裝運(yùn)行環(huán)境，同時集裝箱的內(nèi)容可以由用戶自定義，也可以由專業(yè)人員（開發(fā)人員或系統(tǒng)管理員）定制，如此一來，交付一個應(yīng)用軟件產(chǎn)品，就相當(dāng)于交付一系列標(biāo)準(zhǔn)化組件的集合。

一句話解釋Docker?

沒有集裝箱就沒有全球化，Docker就是IT世界里的集裝箱。

有了容器，就需要編排管理容器的生命周期，kubernetes要了解一下。

 

Kubernetes

說一下kubernetes，kubernetes一度被大家稱為云原生的基石。

K8s,全稱是Kubernetes。這個單詞來自于希臘語，含義是舵手或領(lǐng)航員。K8s是它的縮寫，用“8”字替代了“ubernete”這8個字符。

K8s并不是一件全新的發(fā)明。它是谷歌根據(jù)其內(nèi)部使用的?Borg?改造成的一個通用容器編排調(diào)度器，于2014年6月開源，同年7月，微軟、Red Hat、IBM、Docker等公司，相繼加入K8s。2015年，谷歌將其捐贈給?Linux?基金會下屬的云原生計(jì)算基金會（CNCF），K8s也成為CNCF第一個項(xiàng)目。

K8s的架構(gòu)，略微有一點(diǎn)復(fù)雜，我們簡單來看一下。

一個K8s系統(tǒng)，通常稱為一個K8s集群（Cluster）。這個集群主要包括兩個部分：一個Master節(jié)點(diǎn)（主節(jié)點(diǎn)）和一群Node節(jié)點(diǎn)（計(jì)算節(jié)點(diǎn)）。

列舉下一些專用術(shù)語的解釋。

理解完K8s?部分專業(yè)術(shù)語，就大致對K8s有個了解了。

云可以為我們提供穩(wěn)定而唾手可得的基礎(chǔ)設(shè)施，但是業(yè)務(wù)上云成了一個難題，K8s?的出現(xiàn)與其說是從最初的容器編排解決方案開始，倒不如說是為了解決應(yīng)用上云（即云原生應(yīng)用）這個難題。

CNCF?中托管的一系列項(xiàng)目即致力于云原生應(yīng)用整個生命周期的管理，從部署平臺、日志收集、Service Mesh（服務(wù)網(wǎng)格）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、分布式追蹤、監(jiān)控以及安全等各個領(lǐng)域通過開源軟件為我們提供一整套解決方案。

Google?通過將云應(yīng)用進(jìn)行抽象簡化出的?Kubernetes?中的各種概念對象，如Pod、Deployment、Job、StatefulSet?等，形成了Cloud Native?應(yīng)用的通用可移植的模型，Kubernetes?作為云應(yīng)用的部署標(biāo)準(zhǔn)，直接面向業(yè)務(wù)應(yīng)用，大大提高了云應(yīng)用的可移植性，解決云廠商鎖定的問題，讓云應(yīng)用可以在夸云之間無縫遷移，甚至用來管理混合云，成為企業(yè)?IT?云平臺的新標(biāo)準(zhǔn)。

微服務(wù)

在介紹微服務(wù)時，首先得先理解什么是微服務(wù)，顧名思義，微服務(wù)得從兩個方面去理解，什么是"微"、什么是"服務(wù)"，微?狹義來講就是體積小、著名的?"2 pizza?團(tuán)隊(duì)"?很好的詮釋了這一解釋（2 pizza?團(tuán)隊(duì)最早是亞馬遜?CEO Bezos提出來的，意思是說單個服務(wù)的設(shè)計(jì)，所有參與人從設(shè)計(jì)、開發(fā)、測試、運(yùn)維所有人加起來只需要2個披薩就夠了）。

而所謂服務(wù)，一定要區(qū)別于系統(tǒng)，服務(wù)一個或者一組相對較小且獨(dú)立的功能單元，是用戶可以感知最小功能集。

傳統(tǒng)的單體架構(gòu)是以整個系統(tǒng)為單位進(jìn)行部署，而微服務(wù)則是以每一個獨(dú)立組件（例如用戶服務(wù)，商品服務(wù)）為單位進(jìn)行部署。對于單體應(yīng)用，如果發(fā)現(xiàn)某一業(yè)務(wù)的請求量非常大，那么是無法單獨(dú)擴(kuò)展該業(yè)務(wù)的，只能拷貝整個單體應(yīng)用，再部署一套環(huán)境，來實(shí)現(xiàn)集群。正因?yàn)閱误w應(yīng)用的缺陷，才有了微服務(wù)。

微服務(wù)和單體應(yīng)用的區(qū)別，可以用Martin Fowler的這張圖來解釋：

圖中左邊是單體架構(gòu)的集群，右邊是微服務(wù)集群。

什么意思呢？比如根據(jù)每個服務(wù)的吞吐量不同，支付服務(wù)需要部署20臺機(jī)器，用戶服務(wù)需要部署30臺機(jī)器，而商品服務(wù)只需要部署10臺機(jī)器。這種靈活部署只有微服務(wù)架構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)。

而近幾年流行的Docker，為微服務(wù)架構(gòu)提供了有效的容器。

服務(wù)網(wǎng)格

服務(wù)網(wǎng)格( Service Mesh )是指用以處理服務(wù)與服務(wù)之間通信的基礎(chǔ)設(shè)施層。其最早由Buoyant公司（開發(fā)Service Mesh項(xiàng)目Linkerd的公司）提出，并在內(nèi)部使用。該公司2016年9月29日第一次公開使用這個術(shù)語。

Service Mesh一般用于微服務(wù)應(yīng)用的可配置基礎(chǔ)架構(gòu)層( configurable infrastructure layer )。Istio(?由Google、IBM、Lyft公司在背后進(jìn)行支持?)?是目前最廣為人知的一款服務(wù)網(wǎng)格架構(gòu)。

Kubernetes(由Google最早進(jìn)行設(shè)計(jì)并開源)是目前Istio唯一支持的容器組織框架。

為什么Service Mesh這么受歡迎？對許多公司來說，Docker?和?Kubernetes?這樣的工具已經(jīng)?"解決了部署問題"，或者說幾乎解決了。但他們還沒有解決運(yùn)行時的問題，這就是服務(wù)網(wǎng)格的由來。

什么是解決了部署問題？使用?Docker?和?Kubernetes?等功能可顯著減輕部署的增量操作負(fù)擔(dān)。使用這些工具，部署100個應(yīng)用或服務(wù)不再是部署單個應(yīng)用的100倍。這是向前邁出的一大步，對許多公司來說，這導(dǎo)致采用微服務(wù)的成本大幅降低。這不僅是因?yàn)?Docker?和?Kubernetes?所提供了強(qiáng)大的抽象，而且還因?yàn)樗鼈兪拐麄€組織的打包和部署模式過程標(biāo)準(zhǔn)化了。

Service Mesh的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了Kubernetes在微服務(wù)的連接、管理和監(jiān)控方面的短板，為Kubernetes提供更好的應(yīng)用和服務(wù)管理。因此，Service Mesh的代表Istio一經(jīng)推出，就被認(rèn)為是可以和Kubernetes形成雙劍合璧效果的微服務(wù)管理的利器，受到了業(yè)界的推崇。

不可變基礎(chǔ)設(shè)施

在傳統(tǒng)的可變服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)中，服務(wù)器會不斷更新和修改。使用此類基礎(chǔ)架構(gòu)的工程師和管理員可以通過SSH連接到他們的服務(wù)器，手動升級或降級軟件包，逐個服務(wù)器地調(diào)整配置文件，以及將新代碼直接部署到現(xiàn)有服務(wù)器上。換句話說，這些服務(wù)器是可變的;它們可以在創(chuàng)建后進(jìn)行更改。

可變基礎(chǔ)設(shè)施通常會導(dǎo)致以下問題：

不可變基礎(chǔ)架構(gòu)是另一種基礎(chǔ)架構(gòu)范例，其中服務(wù)器在部署后永遠(yuǎn)不會被修改。程序設(shè)計(jì)中不可變變量（ImmutableVariable）就是在完成賦值后就不能發(fā)生更改，只能創(chuàng)建新的來整體替換舊的。由于具有這樣的特性這種變量可以在并發(fā)環(huán)境下安全的使用。對于基礎(chǔ)設(shè)施的不可變性，最基本的就是指運(yùn)行服務(wù)的服務(wù)器在完成部署后，就不在進(jìn)行更改。

不可變基礎(chǔ)架構(gòu)的好處包括基礎(chǔ)架構(gòu)中更高的一致性和可靠性，以及更簡單，更可預(yù)測的部署過程。

它可以緩解或完全防止可變基礎(chǔ)架構(gòu)中常見的問題，例如配置漂移和雪花服務(wù)器。但是，有效地使用它通常包括全面的部署自動化，云計(jì)算環(huán)境中的快速服務(wù)器配置，以及處理狀態(tài)或短暫數(shù)據(jù)（如日志）的解決方案。

聲明式API

聲明式（Declarative）的編程方式一直都會被工程師們拿來與命令式（Imperative）進(jìn)行對比，這兩者是完全不同的編程方法。

我們最常接觸的其實(shí)是命令式編程，它要求我們描述為了達(dá)到某一個效果或者目標(biāo)所需要完成的指令，常見的編程語言?Go、Ruby、C++?其實(shí)都為開發(fā)者了命令式的編程方法，

聲明式和命令式是兩種截然不同的編程方式:

通俗的說，命令式編程是第一人稱，我要做什么，我要怎么做。??操作系統(tǒng)最喜歡這種編程范式了，?操作系統(tǒng)幾乎不用"思考",?只要一對一的將代碼翻譯成指令就可以了。?而聲明式編程則類似于"第二人稱"，?也就是你要做什么。??有點(diǎn)"產(chǎn)品經(jīng)理"和"開發(fā)“之間的關(guān)系，"產(chǎn)品經(jīng)理"只負(fù)責(zé)提需求，而"開發(fā)"怎么實(shí)現(xiàn)他不并關(guān)心。

讓我們來總結(jié)一下上面提到的技術(shù)和工具。

由于篇幅關(guān)系，簡單列舉三項(xiàng)云原生應(yīng)用價值。

1）快速迭代

利用云原生應(yīng)用程序開發(fā)，意味著使用敏捷與可擴(kuò)展的組件，如以Kubernetes為代表的容器來提供離散和可重用的功能，這些功能以良好描述的方式集成，甚至跨越多云等技術(shù)邊界，這使得交付團(tuán)隊(duì)可以使用重復(fù)的自動化和編排來快速迭代。

2）自動部署

云原生方法遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的面向虛擬化的業(yè)務(wù)流程，傳統(tǒng)方法需要投入大量的精力來構(gòu)建開發(fā)環(huán)境，以及軟件交付過程中的其他不同環(huán)境。而云原生架構(gòu)具備自動化和組合功能，并且依賴于可靠、經(jīng)過驗(yàn)證和審核的已知良好流程的基礎(chǔ)，交付十分敏捷，而不再需要人工干預(yù)重復(fù)執(zhí)行。

3）獨(dú)立高效

云原生帶來了微服務(wù)化架構(gòu)，一個微服務(wù)基本是一個能獨(dú)立發(fā)布的應(yīng)用服務(wù)，因此可以作為獨(dú)立組件升級、灰度或復(fù)用等，對整個大應(yīng)用的影響也較小，每個服務(wù)可以由專門的組織來單獨(dú)完成，依賴方只要定好輸入和輸出口即可完全開發(fā)、甚至整個團(tuán)隊(duì)的組織架構(gòu)也會更精簡，因此溝通成本低、效率高。

談云原生就要談云計(jì)算，不和云計(jì)算對比都是耍流氓。云計(jì)算的第一個浪潮是關(guān)于成本節(jié)約和業(yè)務(wù)敏捷性，尤其是云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施更加廉價。

很多企業(yè)傾向于使用微服務(wù)架構(gòu)來開發(fā)應(yīng)用。微服務(wù)開發(fā)快速，職責(zé)單一，能夠更快速的被客戶所采納。同時，這些應(yīng)用能夠通過快速迭代的方式，得到進(jìn)化，贏得客戶的認(rèn)可。云原生可以打通微服務(wù)開發(fā)、測試、部署、發(fā)布的整個流程環(huán)節(jié)。

云供應(yīng)商為迎合市場，提供了滿足各種場景方案的 API，例如用于定位的 Google Maps，用于社交協(xié)作的認(rèn)證平臺等。將所有這些 API 與企業(yè)業(yè)務(wù)的特性和功能混合在一起，可以讓他們?yōu)榭蛻魳?gòu)建獨(dú)特的方案。所有這些整合都在 API 層面進(jìn)行。這意味著，不管是移動應(yīng)用還是傳統(tǒng)的桌面應(yīng)用都能無縫集成。所以，采用云原生所開發(fā)的應(yīng)用都且具備極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

軟件不可能不出故障。傳統(tǒng)的企業(yè)級開發(fā)方式，需要有專職人員來對企業(yè)應(yīng)用進(jìn)行監(jiān)控與維護(hù)。而在云原生架構(gòu)下，底層的服務(wù)或者是API都由將部署到云中，等價于將繁重的運(yùn)維工作轉(zhuǎn)移給了云平臺供應(yīng)商。這意味著客戶應(yīng)用將得到更加專業(yè)的看護(hù)，同時，也節(jié)省了運(yùn)維成本。

9年前，Netscape公司的創(chuàng)始人馬克·安德森說：“軟件正在吞噬世界”；6年前，OpenStack基金會創(chuàng)始人Jonathan Bryce 補(bǔ)充說：“世界的一切源于開源”；再之后，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同“云計(jì)算已改變了天空的顏色”；但近兩年云計(jì)算概念又被清晰細(xì)分，“云原生”才是那條最大的魚。

“大魚”來了，我們能做的不是墨守成規(guī)，而是擁抱“大魚”，時代在召喚云原生，但是云原生不是一蹴而就，而是有個循序漸進(jìn)的過程。排斥云原生，了解云原生，擁抱云原生，追隨云原生。

參考資料：

1.Kubernetes 是什么？，Linux中國

2.Kubernetes與云原生應(yīng)用概覽，宋凈超

3.云原生的不同解釋及正確含義，倚天碼農(nóng)

4.10分鐘看懂Docker和K8S，鮮棗課堂

5.CNCF官方大使張磊：什么是云原生？

鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/Zv8g0WldvUYmEd2hn_AQpA

作者：白告天

（版權(quán)歸原作者所有，侵刪）