1. 什么是云原生

1.1 CNCF組織

在講云原生之前，我們先了解一下CNCF，即云原生計(jì)算基金會(huì)，2015年由谷歌牽頭成立，基金會(huì)成員目前已有一百多企業(yè)與機(jī)構(gòu)，包括亞馬遜、微軟。思科等巨頭。

目前CNCF所托管的應(yīng)用已達(dá)14個(gè)，下圖為其公布的Cloud Native Landscape，給出了云原生生態(tài)的參考體系。

Cloud Native Landscape

1.2 云原生

CNCF給出了云原生應(yīng)用的三大特征：

1. 容器化封裝：以容器為基礎(chǔ)，提高整體開發(fā)水平，形成代碼和組件重用，簡(jiǎn)化云原生應(yīng)用程序的維護(hù)。在容器中運(yùn)行應(yīng)用程序和進(jìn)程，并作為應(yīng)用程序部署的獨(dú)立單元，實(shí)現(xiàn)高水平資源隔離。
2. 動(dòng)態(tài)管理：通過集中式的編排調(diào)度系統(tǒng)來動(dòng)態(tài)的管理和調(diào)度。
3. 面向微服務(wù)：明確服務(wù)間的依賴，互相解耦。

云原生包含了一組應(yīng)用的模式，用于幫助企業(yè)快速，持續(xù)，可靠，規(guī)模化地交付業(yè)務(wù)軟件。云原生由微服務(wù)架構(gòu)，DevOps 和以容器為代表的敏捷基礎(chǔ)架構(gòu)組成。

這邊引用網(wǎng)上關(guān)于云原生所需要的能力和特征總結(jié)，如下圖。

云原生所需要的能力和特征

1.3 The Twelve Factors

12-Factors經(jīng)常被直譯為12要素，也被稱為12原則，12原則由公有云PaaS的先驅(qū)Heroku于2012年提出(https://12factor.net/)，目的是告訴開發(fā)者如何利用云平臺(tái)提供的便利來開發(fā)更具可靠性和擴(kuò)展性、更加易于維護(hù)的云原生應(yīng)用。具體如下：

• 基準(zhǔn)代碼
• 顯式聲明依賴關(guān)系
• 在環(huán)境中存儲(chǔ)配置
• 把后端服務(wù)當(dāng)作附加資源
• 嚴(yán)格分離構(gòu)建、發(fā)布和運(yùn)行
• 無(wú)狀態(tài)進(jìn)程
• 通過端口綁定提供服務(wù)
• 通過進(jìn)程模型進(jìn)行擴(kuò)展
• 快速啟動(dòng)和優(yōu)雅終止
• 開發(fā)環(huán)境與線上環(huán)境等價(jià)
• 日志作為事件流
• 管理進(jìn)程

另外還有補(bǔ)充的三點(diǎn)：

• API聲明管理
• 認(rèn)證和授權(quán)
• 監(jiān)控與告警

距離12原則的提出已有五年多，12原則的有些細(xì)節(jié)可能已經(jīng)不那么跟得上時(shí)代，也有人批評(píng)12原則的提出從一開始就有過于依賴Heroku自身特性的傾向。不過不管怎么說，12原則依舊是業(yè)界最為系統(tǒng)的云原生應(yīng)用開發(fā)指南。

2. 容器化封裝

最近幾年Docker容器化技術(shù)很火，經(jīng)常在各種場(chǎng)合能夠聽到關(guān)于Docker的分享。Docker讓開發(fā)工程師可以將他們的應(yīng)用和依賴封裝到一個(gè)可移植的容器中。Docker背后的想法是創(chuàng)建軟件程序可移植的輕量容器，讓其可以在任何安裝了Docker的機(jī)器上運(yùn)行，而不用關(guān)心底層操作系統(tǒng)。

Docker可以解決虛擬機(jī)能夠解決的問題，同時(shí)也能夠解決虛擬機(jī)由于資源要求過高而無(wú)法解決的問題。其優(yōu)勢(shì)包括：

• 隔離應(yīng)用依賴
• 創(chuàng)建應(yīng)用鏡像并進(jìn)行復(fù)制
• 創(chuàng)建容易分發(fā)的即啟即用的應(yīng)用
• 允許實(shí)例簡(jiǎn)單、快速地?cái)U(kuò)展
• 測(cè)試應(yīng)用并隨后銷毀它們

自動(dòng)化運(yùn)維工具可以降低環(huán)境搭建的復(fù)雜度，但仍然不能從根本上解決環(huán)境的問題。在看似穩(wěn)定而成熟的場(chǎng)景下，使用Docker的好處越來越多。

3. 服務(wù)編排

筆者看到Jimmy Song對(duì)云原生架構(gòu)中運(yùn)用服務(wù)編排的總結(jié)是：

Kubernetes——讓容器應(yīng)用進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

這個(gè)總結(jié)確實(shí)很貼切。編排調(diào)度的開源組件還有：Kubernetes、Mesos和Docker Swarm。

Kubernetes是目前世界上關(guān)注度最高的開源項(xiàng)目，它是一個(gè)出色的容器編排系統(tǒng)。Kubernetes出身于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的巨頭Google公司，它借鑒了由上百位工程師花費(fèi)十多年時(shí)間打造Borg系統(tǒng)的理念，通過極其簡(jiǎn)易的安裝，以及靈活的網(wǎng)絡(luò)層對(duì)接方式，提供一站式的服務(wù)。

Mesos則更善于構(gòu)建一個(gè)可靠的平臺(tái)，用以運(yùn)行多任務(wù)關(guān)鍵工作負(fù)載，包括Docker容器、遺留應(yīng)用程序(例如Java)和分布式數(shù)據(jù)服務(wù)(例如Spark、Kafka、Cassandra、Elastic)。Mesos采用兩級(jí)調(diào)度的架構(gòu)，開發(fā)人員可以很方便的結(jié)合公司業(yè)務(wù)場(chǎng)景自定制MesosFramework。

他們?yōu)樵圃鷳?yīng)用提供的強(qiáng)有力的編排和調(diào)度能力，它們是云平臺(tái)上的分布式操作系統(tǒng)。在單機(jī)上運(yùn)行容器，無(wú)法發(fā)揮它的最大效能，只有形成集群，才能最大程度發(fā)揮容器的良好隔離、資源分配與編排管理的優(yōu)勢(shì)，而對(duì)于容器的編排管理，Swarm、Mesos和Kubernetes的大戰(zhàn)已經(jīng)基本宣告結(jié)束，Kubernetes成為了無(wú)可爭(zhēng)議的贏家。

4. 微服務(wù)架構(gòu)

傳統(tǒng)的Web開發(fā)方式，一般被稱為單體架構(gòu)(Monolithic)所有的功能打包在一個(gè)WAR包里，基本沒有外部依賴(除了容器)，部署在一個(gè)JEE容器(Tomcat，JBoss，WebLogic)里，包含了DO/DAO，Service，UI等所有邏輯。其架構(gòu)如下圖所示。

單體架構(gòu)進(jìn)行演化升級(jí)之后，過渡到SOA架構(gòu)，即面向服務(wù)架構(gòu)。近幾年微服務(wù)架構(gòu)(Micro-Service Archeticture)是最流行的架構(gòu)風(fēng)格，旨在通過將功能模塊分解到各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)解耦，它并沒有一成不變的規(guī)定，而是需要根據(jù)業(yè)務(wù)來做設(shè)計(jì)。微服務(wù)架構(gòu)是對(duì)SOA的傳承，是SOA的具體實(shí)踐方法。微服務(wù)架構(gòu)中，每個(gè)微服務(wù)模塊只是對(duì)簡(jiǎn)單、獨(dú)立、明確的任務(wù)進(jìn)行處理，通過REST API返回處理結(jié)果給外部。在微服務(wù)推廣實(shí)踐角度來看，微服務(wù)將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行拆分，拆分成更小的粒度，保持這些服務(wù)獨(dú)立運(yùn)行，應(yīng)用容器化技術(shù)將微服務(wù)獨(dú)立運(yùn)行在容器中。過去設(shè)計(jì)架構(gòu)時(shí)，是在內(nèi)存中以參數(shù)或?qū)ο蟮姆绞綄?shí)現(xiàn)粒度細(xì)化。微服務(wù)使用各個(gè)子服務(wù)控制模塊的思想代替總線。不同的業(yè)務(wù)要求，服務(wù)控制模塊至少包含服務(wù)的發(fā)布、注冊(cè)、路由、代理功能。

容器化的出現(xiàn)，一定程度上帶動(dòng)了微服務(wù)架構(gòu)。架構(gòu)演化從單體式應(yīng)用到分布式，再?gòu)姆植际郊軜?gòu)到云原生架構(gòu)，微服務(wù)在其中有著不可或缺的角色。微服務(wù)帶給我們很多開發(fā)和部署上的靈活性和技術(shù)多樣性，但是也增加了服務(wù)調(diào)用的開銷、分布式系事務(wù)、調(diào)試與服務(wù)治理方面的難題。

從上圖Spring Cloud組件的架構(gòu)可以看出在微服務(wù)架構(gòu)中所必須的組件，包括：服務(wù)發(fā)現(xiàn)與注冊(cè)、熔斷機(jī)制、路由、全局鎖、中心配置管理、控制總線、決策競(jìng)選、分布式會(huì)話和集群狀態(tài)管理等基礎(chǔ)組件。

Spring Cloud和Kubernetes有很大的不同，Spring Cloud和Kubernetes處理了不同范圍的微服務(wù)架構(gòu)技術(shù)點(diǎn)，而且是用了不同的方法。Spring Cloud方法是試圖解決在JVM中的微服務(wù)架構(gòu)要點(diǎn)，而Kubernetes方法是試圖讓問題消失，為開發(fā)者在平臺(tái)層解決。Spring Cloud在JVM中非常強(qiáng)大，Kubernetes管理那些JVM很強(qiáng)大。看起來各取所長(zhǎng)，充分利用這兩者的優(yōu)勢(shì)是自然而然的趨勢(shì)了。

5. 總結(jié)

技術(shù)架構(gòu)的演變非常快，各種新的名詞也是層出不窮。本文主要是對(duì)云原生的概述。云原生應(yīng)用的三大特征：容器化封裝、動(dòng)態(tài)管理、面向微服務(wù)。首先由CNCF組織介紹了云原生的概念，然后分別對(duì)這三個(gè)特征進(jìn)行詳述。云原生架構(gòu)是當(dāng)下很火的討論話題，是不同思想的集合，集目前各種熱門技術(shù)之大成。