同學，你聽說過“云原生”嗎?

我相信大部分人會回答：“Yes，I do.”

是的，作為云計算領域的一個新興概念，云原生現(xiàn)在頻繁出現(xiàn)在我們的視野中。很多互聯(lián)網(wǎng)大咖把它奉為至寶，走到哪說到哪。

那么，我們不僅會好奇，究竟什么是“云原生”?它會給我們帶來什么改變?

今天這篇文章，我們來探尋答案。

云原生的起源

介紹云原生之前，我們先介紹一下CNCF。

CNCF，全稱為Cloud Native Computing Foundation，中文譯為“云原生計算基金會”。

這個基金會成立于2015年12月11日，屬于Linux基金會旗下。

CNCF致力于培育和維護一個廠商中立的開源生態(tài)系統(tǒng)，來推廣云原生技術。

所以說，CNCF是云原生領域影響力最大最有話語權的組織。

說起CNCF的故事，還要從Cgroups(control groups，控制組群)開始說起。

十六年前，也就是2004年，谷歌開始使用容器技術。到了2006年，谷歌發(fā)布了Cgroups，最初叫Process Container(進程容器)。

Process Container的目的非常直白，它希望能夠像虛擬化技術那樣，給進程提供操作系統(tǒng)級別的資源限制、優(yōu)先級控制、資源審計能力和進程控制能力。

帶著這樣的設計思路，Process Container發(fā)布后第二年就進入了Linux內(nèi)核主干。

因為在Linux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項目正式發(fā)布，2014年，K8s項目也正式發(fā)布。

K8s項目的初衷，就是提供一種方式去幫助大家方便、快速、優(yōu)雅地管理容器。(K8s是云原生的基石，后面會細講。)

在Google和Redhat發(fā)布了K8s之后，這個項目的發(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目。

CNCF一直保持高速發(fā)展。截止2020年2月，已有433個會員。

會員名單(部分)

那么，CNCF是如何定義云原生的呢?

如下圖所示：

翻譯為中文：

云原生技術有利于各組織在公有云、私有云和混合云等新型動態(tài)環(huán)境中，構建和運行可彈性擴展的應用。云原生的代表技術包括容器、服務網(wǎng)格、微服務、不可變基礎設施和聲明式API。

這些技術能夠構建容錯性好、易于管理和便于觀察的松耦合系統(tǒng)。結合可靠的自動化手段，云原生技術使工程師能夠輕松地對系統(tǒng)作出頻繁和可預測的重大變更。

云原生計算基金會(CNCF)致力于培育和維護一個廠商中立的開源生態(tài)系統(tǒng)，來推廣云原生技術。我們通過將最前沿的模式民主化，讓這些創(chuàng)新為大眾所用。

除了CNCF之外，網(wǎng)絡上還流傳著另一個版本的“云原生”定義和來源——

這種說法認為，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》一書中定義了符合云原生架構的幾個特征：12因素、微服務、自敏捷架構、基于API 協(xié)作、扛脆弱性。

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

云原生所需能力與特征  by:CNCF大使 宋凈超

MattStine認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(MicroServices)、敏捷基礎設施(Agile Infrastructure)、康威定律(Conways Law)等。

云原生既包含技術(微服務，敏捷基礎設施)，也包含管理(DevOps，持續(xù)交付，康威定律，重組等)，可以說是一系列云技術、企業(yè)管理方法的集合。

我們還是以CNCF官方的定義為準吧。

按CNCF的定義，云原生的代表技術包括容器、服務網(wǎng)格、微服務、不可變基礎設施和聲明式API。

那么，這些技術都是什么?這些技術有什么聯(lián)系?

云原生的代表技術

容器

一般我們說的“容器”(LinuxContainer，LXC)，都是“Linux容器”(當然微軟也在搞容器，但還沒linux那么成熟)。

開源解決方案供應商紅帽官網(wǎng)給出的容器定義：

Linux? 容器是與系統(tǒng)其他部分隔離開的一系列進程。

運行這些進程所需的所有文件都由另一個鏡像提供，這意味著從開發(fā)到測試再到生產(chǎn)的整個過程中，Linux 容器都具有可移植性和一致性。

因而，相對于依賴重復傳統(tǒng)測試環(huán)境的開發(fā)渠道，容器的運行速度要快得多。容器比較普遍也易于使用，因此也成了 IT 安全方面的重要組成部分。

容器提供進程級的隔離，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。

比如應用程序(Application)APP 1 ，只能在centos 操作系統(tǒng)上運行;APP2只能在ubuntu操作系統(tǒng)上運行。而同一個操作系統(tǒng)同時運行APP1和APP2就產(chǎn)生沖突。容器技術則恰恰可以解決這類問題。目前主流的容器技術有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的云計算技術服務。具體來說，是和LXC有關的容器技術。

LXC，就是Linux容器虛擬技術(Linux container)

后來，dotCloud公司將自己的容器技術進行了簡化和標準化，并命名為——Docker。

Docker項目發(fā)布時，無非也是LXC的一個使用者。它創(chuàng)建和使用應用容器的邏輯跟Warden等競爭對手沒有本質不同。

不過，我們現(xiàn)在也知道，真正讓PaaS項目無所適從的，是Docker項目最厲害的殺手锏：容器鏡像。

Docker項目通過容器鏡像，直接將一個應用運行所需的完整環(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項目大大降低了容器技術的使用門檻。輕量級，可移植，虛擬化，語言無關，寫了程序扔上去做成鏡像可以隨處部署和運行，開發(fā)、測試和生產(chǎn)環(huán)境徹底統(tǒng)一了，還能進行資源管控和虛擬化。

Docker作為一種開源應用容器引擎，是為開發(fā)人員和系統(tǒng)管理員設計的用于構建、發(fā)布和運行分布式應用的平臺，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度的基本單位，封裝整個軟件運行時的環(huán)境，然后發(fā)布到Linux機器上。

按照Docker的設計方案，應用軟件的交付過程如同海上運輸，操作系統(tǒng)OS如同一個貨輪，每一個在OS基礎上的軟件都如同一個集裝箱。

用戶可以通過標準化手段自由組裝運行環(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，交付一個應用軟件產(chǎn)品，就相當于交付一系列標準化組件的集合。

Kubernetes

有了容器，就需要編排管理容器的生命周期。這里就要提到kubernetes。

Kubernetes，這個單詞來自于希臘語，含義是舵手或領航員。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算基金會(CNCF)，K8s也成為CNCF第一個項目。

云可以為我們提供穩(wěn)定而唾手可得的基礎設施，但是業(yè)務上云成了一個難題，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用上云(即云原生應用)這個難題。

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

Kubernetes作為云應用的部署標準，直接面向業(yè)務應用，大大提高了云應用的可移植性，解決云廠商鎖定的問題，讓云應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云平臺的新標準。

微服務

微服務需要從兩個方面去理解：什么是"微"、什么是"服務"。

微，狹義來講就是體積小。

著名的 "2 pizza 團隊" 很好的詮釋了這一解釋(2 pizza 團隊最早是亞馬遜 CEO Bezos提出來的，意思是說單個服務的設計，所有參與人從設計、開發(fā)、測試、運維所有人加起來只需要2個披薩就夠了)。

而所謂服務，一定要區(qū)別于系統(tǒng)，服務一個或者一組相對較小且獨立的功能單元，是用戶可以感知最小功能集。

傳統(tǒng)的單體架構，是以整個系統(tǒng)為單位進行部署。而微服務，則是以每一個獨立組件(例如用戶服務，商品服務)為單位進行部署。

對于單體應用，如果發(fā)現(xiàn)某一業(yè)務的請求量非常大，那么是無法單獨擴展該業(yè)務的，只能拷貝整個單體應用，再部署一套環(huán)境，來實現(xiàn)集群。

正因為單體應用的缺陷，才有了微服務。

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

圖中左邊是單體架構的集群，右邊是微服務集群。

什么意思呢?比如根據(jù)每個服務的吞吐量不同，支付服務需要部署20臺機器，用戶服務需要部署30臺機器，而商品服務只需要部署10臺機器。這種靈活部署只有微服務架構才能實現(xiàn)。

而近幾年流行的Docker，為微服務架構提供了有效的容器。

服務網(wǎng)格

服務網(wǎng)格( Service Mesh )，是指用以處理服務與服務之間通信的基礎設施層。

其最早由Buoyant公司(開發(fā)Service Mesh項目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語。

Service Mesh一般用于微服務應用的可配置基礎架構層( configurable infrastructure layer )。Istio( 由Google、IBM、Lyft公司在背后進行支持 ) 是目前最廣為人知的一款服務網(wǎng)格架構。

Kubernetes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行時的問題，這就是服務網(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擔。使用這些工具，部署100個應用或服務不再是部署單個應用的100倍。

這是向前邁出的一大步。對許多公司來說，這導致采用微服務的成本大幅降低。這不僅是因為Docker和Kubernetes所提供了強大的抽象，而且還因為它們使整個組織的打包和部署模式過程標準化了。

Service Mesh的出現(xiàn)，彌補了Kubernetes在微服務的連接、管理和監(jiān)控方面的短板，為Kubernetes提供更好的應用和服務管理。

因此，Service Mesh的代表Istio一經(jīng)推出，就被認為是可以和Kubernetes形成雙劍合璧效果的微服務管理的利器，受到了業(yè)界的推崇。

不可變基礎設施

在傳統(tǒng)的可變服務器基礎架構中，服務器會不斷更新和修改。

使用此類基礎架構的工程師和管理員可以通過SSH連接到他們的服務器，手動升級或降級軟件包，逐個服務器地調整配置文件，以及將新代碼直接部署到現(xiàn)有服務器上。

換句話說，這些服務器是可變的。它們可以在創(chuàng)建后進行更改。

可變基礎設施通常會導致以下問題：

在災難發(fā)生的時候，難以重新構建服務。持續(xù)過多的手工操作，缺乏記錄，會導致很難由標準初始化后的服務器來重新構建起等效的服務。

在服務運行過程中，持續(xù)的修改服務器，就猶如程序中的可變變量的值發(fā)生變化而引入的狀態(tài)不一致的并發(fā)風險。這些對于服務器的修改，同樣會引入中間狀態(tài)，從而導致不可預知的問題。

不可變基礎架構是另一種基礎架構范例，其中服務器在部署后永遠不會被修改。

程序設計中不可變變量(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。對于基礎設施的不可變性，最基本的就是指運行服務的服務器在完成部署后，就不在進行更改。

不可變基礎架構的好處，包括基礎架構中更高的一致性和可靠性，以及更簡單，更可預測的部署過程。

它可以緩解或完全防止可變基礎架構中常見的問題，例如配置漂移和雪花服務器。但是，有效地使用它通常包括全面的部署自動化，云計算環(huán)境中的快速服務器配置，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)進行對比。

我們最常接觸的其實是命令式編程，它要求我們描述為了達到某一個效果或者目標所需要完成的指令，常見的編程語言 Go、Ruby、C++ 其實都為開發(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:

在命令式 API 中，我們可以直接發(fā)出服務器要執(zhí)行的命令，例如： “運行容器”、“停止容器”等;

在聲明式 API 中，我們聲明系統(tǒng)要執(zhí)行的操作，系統(tǒng)將不斷向該狀態(tài)驅動。

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“”產(chǎn)品經(jīng)理”和“開發(fā)”之間的關系，“產(chǎn)品經(jīng)理”只負責提需求，而“開發(fā)”怎么實現(xiàn)的，他并不關心。

讓我們來總結一下上面提到的技術和工具：

1.k8s是整個云原生的基石，云原生的整個生態(tài)體系都是依靠k8s建立起來的。

2.容器(Container)是k8s的底層引擎。

3.Docker是應用最廣的容器工具。

4.微服務是docker的好搭檔。

5.服務網(wǎng)格是微服務的輔助，建立在k8s上的針對請求的擴展功能。

6.不可變基礎設施是現(xiàn)代運維的基石。

7.聲明式API是k8s的編碼方式。

云原生的應用價值

由于篇幅關系，簡單列舉三項云原生應用價值。

1）快速迭代

利用云原生應用程序開發(fā)，意味著使用敏捷與可擴展的組件，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邊界，這使得交付團隊可以使用重復的自動化和編排來快速迭代。

2）自動部署

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

3）獨立高效

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

談云原生就要談云計算，不和云計算對比都是耍流氓。云計算的第一個浪潮是關于成本節(jié)約和業(yè)務敏捷性，尤其是云計算的基礎設施更加廉價。

很多企業(yè)傾向于使用微服務架構來開發(fā)應用。微服務開發(fā)快速，職責單一，能夠更快速的被客戶所采納。同時，這些應用能夠通過快速迭代的方式，得到進化，贏得客戶的認可。

云原生可以打通微服務開發(fā)、測試、部署、發(fā)布的整個流程環(huán)節(jié)。

云供應商為迎合市場，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)作的認證平臺等。將所有這些 API 與企業(yè)業(yè)務的特性和功能混合在一起，可以讓他們?yōu)榭蛻魳嫿í毺氐姆桨?。所有這些整合都在 API 層面進行。這意味著，不管是移動應用還是傳統(tǒng)的桌面應用都能無縫集成。

所以，采用云原生所開發(fā)的應用都且具備極強的可擴展性。

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)應用進行監(jiān)控與維護。而在云原生架構下，底層的服務或者是API都由將部署到云中，等價于將繁重的運維工作轉移給了云平臺供應商。這意味著客戶應用將得到更加專業(yè)的看護，同時，也節(jié)省了運維成本。

結  語

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補充說：“世界的一切源于開源”。

再之后，業(yè)內(nèi)普遍認同“云計算已改變了天空的顏色”。

但近兩年云計算概念又被清晰細分，“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”。

讓我們了解云原生，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?