云原生的基础概念和技术架构

什么是云原生？

到底什么是云原生？不同的企业对于云原生有不同的解释，当前在业界具有广泛影响力的云原生计算基金会认为，云原生是一类技术的统称，通过云原生技术，我们可以构建出更易于弹性扩展的应用程序。

这些应用可以被运行在不同的环境当中，比如说私有云、公有云、混合云、还有多云的场景。

云原生到底包含了哪些具体的技术呢？它包含了当前业界的一些热门的技术，比如容器、微服务、服务网格、Serverless、DevOps，API管理、不可变基础架构等。

通过云原生技术构建出来的应用程序，称之为云原生应用，底层基础架构的耦合比较轻，因此易于迁移，它可以充分地利用云所提供的能力，因此云原生应用的开发、部署、管理相对于传统的应用程序更加高效和便捷。

云原生计算基金会

云原生计算基金会（Cloud NativeComputingFoundation, CNCF）成立与2015年12月11日，由谷歌与Linux基金会联合创办，成立这个非盈利组织的初衷为推广孵化和标准化云原生相关的技术：

• 推动云原生计算可持续发展；

• 帮助云原生技术开发人员快速地构建出色的产品。

云原生涉及到许多技术领域，每一个技术领域都有相应的工具、框架与平台，来帮助落地具体的应用。

云原生的作用

对于应用开发团队而言，原来云原生技术可以提升应用开发的效率，提升应用交付的质量。比如通过容器，技术开发团队可以更容易地获取开发所需要的环境与资源，开发出来的应用可以被运维团队更容易地部署和管理。通过DevOps的最佳实践，应用交付的速度和质量可以被有效的提升。
对于业务方来说，云原生的好处是所提交的需求，可以更快地被响应和实现。因为云原生技术可以有效地缩短应用交付的周期，让需求更快地变成代码，代码更快地变成线上的应用，最终为用户服务，实现价值。

云原生应用可以更好地弹性扩展，满足不同业务的需求。例如容器应用提供的应用自愈能力，可以帮助减少应用的停机时间提升用户的体验。

云原生技术可以提升应用开发的交付效率，缩短应用上线所需要的时间，开发和业务团队人员可以有更多的时间和精力进行业务创新，有效地提升团队的创新能力，从而提升企业在市场的竞争能力。

如何拥抱云原生技术

经过几年的发展，云原生这个概念已经得到了社区、企业和市场的广泛认可。从当前比较热门的云原生技术、容器来看，云原生已经在众多行业和领域，有了许多落地的案例，包括高科技、金融、制造、零售、教育、政府，甚至是军事等。

近日有报道称美军在f16战斗机上，成功地测试和部署了容器管理平台Kubernetes和服务网格Istio。

当一个企业拥抱云原生技术，具体要在什么方面来落实？比如说通过应用容器化，使得应用更易于迁移的交付，通过持续集成的区域部署提升云原生软件的质量，通过容器编排简化应用的部署。

云原生的主要技术架

大企业疑问，云原生是不是只适合一些小企业？小企业觉得云原生是不是只适合成熟的大企业？其实云原生对大企业、小企业都有帮助。

对于有着数字化转型战略和上云计划的大企业来说，云原生可以充分地利用云的优势，让企业在云上的投资获得最大的收益。

对于较小企业来说，通过云可以获取以往只有大企业才拥有的计算资源，小企业由于人员、财力等资源相对紧张，通过云原生技术倡导自动化和智能化的想法，可以提升产品开发的交付效率，把有限的精力放在核心业务的创新上，可以让企业更具竞争能力。

云原生涉及的技术领域众多，有6个方面值得大家重点关注：

容器（Containers）

容器是一种轻量级的虚拟化技术，通过容器可以简化应用的部署、管理和交付。目前各大IT厂商已经投入了大量的资源进行容器产品和服务的研发，可以预见，未来容器将会是一种主流的应用交互手段，非常有前景。

微服务（Microservices）

微服务倡导运用化整为零，实现各个功能的独立开发与部署、提升应用架构的灵活性，从而提升对业务的响应速度。在提倡敏捷的今天，微服务已经成为应用架构的一种默认的选择。

无服务（Serverless）

无服务器架构并不是说，未来不再需要服务器，而是不再着重关注底层的基础架构，更多的注意力可以放在和业务更相关的一些逻辑实现上，例如一些函数的代码片段，平台自动根据负载按需部署和启动，以及自动伸缩代码逻辑来满足业务处理的需求。

DevOps

DevOps这个框什么都可以往里装，提供了指导思想、流程和工具，为应用的迭代更新保驾护航，运维行业的未来之路。

Service Mesh(服务网格)

Service Mesh是近年兴起的一个话题，在容器微服务的基础上，通过Service Mesh可以让用户更精细、更智能的去管理服务之间的通讯。ServiceMesh社区的旗舰项目Istio，当前的热度正在迅速的飙升。

云（Cloud）

云是云原生的基础，没有云也就没有云原生。没有对云正确地理解，也不可能对云原生有正确的打开方式。对于非技术人员来说，至少要理解云的多种不同的服务模型，比方IaaS、PaaS、SaaS以及各种服务模型的应用场景和价值。

容器（Containers）、微服务（Microservices）、无服务（Serverless）、DevOps、ServiceMesh(服务网格)、云（Cloud）这6个方面，并不是孤立的，而是相互联系的。

云是一切的基础，为上层应用的运行提供了计算、网络、存储等基础架构资源；

容器在云的基础架构和应用之间，集有了应用和基础架构资源；

应用层面，用户可以根据场景来选择微服务架构或者是无服务器架构；

在复杂的交互场景当中，通过服务网格，可以对服务组建的通讯进行管控；

通过DevOps构建一个应用架构不断迭代更新的正向循环。

这六个方面都可以具体展开来讲，下面主要从容器化、微服务、服务网格、DevOps来阐述，云是基础设施和Serverless目前实施多就不具体阐述了！

容器化

虚拟化技术

由于KVM（ for Kernel-based Virtual Machine ）hypervisor虚拟化技术仍然存在⼀些性能和资源使⽤效率⽅⾯的问题，因此出现了⼀种称为容器技术（Container）的新型虚拟化技术来帮助解决这些问题。

虚拟化技术可以在宿主机上安装多个不同的操作系统，运⾏多套不同的应⽤。但可能就是为了运⾏⼀个微应用，却还要在虚拟机⾥运⾏⼀个完整的操作系统，内核和其它⽆关程序，这种做法资源利⽤不⾼。

所以我们希望更多的关注应⽤程序本身，⽽不再分精⼒去关注操作系统与⽆关程序，操作系统内核直接与宿主机共享。

Docker容器

Docker容器本质上是宿主机的进程. 可以把docker容器内部跑的进程看作是宿主机的线程。
Docker通过namespace实现了资源隔离，通过cgroups实现了资源限制。

Linux内核实现namespace的⼀个主要⽬的就是实现轻量级虚拟化(容器)服务。在同⼀个namespace下
的进程可以感知彼此的变化，⽽对外界的进程⼀⽆所知。

Linux容器技术是⼀种轻量级的虚拟化技术。主要特点有:

• 轻量: 只打包了需要的bins/libs(也就是命令和库⽂件)。与宿主机共享操作系统,直接使⽤宿主机的内核。

• 部署快:容器的镜像相对虚拟机的镜像⼩。部署速度⾮常快，秒级部署。

• 移植性好: Build once，Run anywhere (⼀次构建,随处部署运⾏)。

• 资源利⽤率更⾼: 相对于虚拟机，不需要安装操作系统，所以⼏乎没有额外的CPU，内存消耗。

虚拟化与容器化得对比：

虚拟化（VM）Docker容器操作系统宿主机OS上运行虚拟机OS与宿主机共享OS存储大小镜像庞大（vmdk、vdi等）镜像小，便于存储于传输运行性能操作系统额外的CPU、内存开销几乎无额外的性能损失移植性笨重，与虚拟化耦合度高轻便、灵活、适应于linux硬件亲和性面向硬件开发者面向软件开发者部署速度较慢、10秒级别快速、秒级

容器的编排和调度

Kubernetes（k8s）是Google基于Borg开源的容器编排调度引擎，作为CNCF（Cloud Native Computing Foundation）最重要的组件之一，它的目标不仅仅是一个编排系统，而是提供一个规范，可以让你来描述集群的架构，定义服务的最终状态，Kubernetes可以帮你将系统自动得达到和维持在这个状态。

Kubernetes用户可以通过编写一个yaml或者json格式的配置文件，也可以通过工具/代码生成或直接请求Kubernetes API创建应用，该配置文件中包含了用户想要应用程序保持的状态，不论整个Kubernetes集群中的个别主机发生什么问题，都不会影响应用程序的状态，你还可以通过改变该配置文件或请求Kubernetes API来改变应用程序的状态。

Kubernetes 架构图：

其他容器编排与调度技术方案：
Swarm、Mesos

微服务

微服务是一种分布式架构设计理念，为了推动细粒度服务的使用，这些服务要能协同工作，每个服务都有自己的生命周期。一个微服务就是一个独立的实体，可以独立的部署在PAAS平台上，也可以作为一个独立的进程在主机中运行。服务之间通过API访问，修改一个服务不会影响其它服务。

微服务带给我们很多开发和部署上的灵活性和技术多样性，但是也增加了服务调用的开销、分布式系统管理、调试与服务治理方面的难题。

spring生态体系

当前最成熟最完整的微服务框架Spring，而Spring又仅限于Java语言开发，其架构本身又跟Kubernetes存在很多重合的部分，如何探索将Kubernetes作为微服务架构平台就成为一个热点话题。就拿微服务中最基础的服务注册发现功能来说，其方式分为客户端服务发现和服务端服务发现两种，Java应用中常用的方式是使用Eureka和Ribbon做服务注册发现和负载均衡，这属于客户端服务发现，而在Kubernetes中则可以使用DNS、Service和Ingress来实现，不需要修改应用代码，直接从网络层面来实现。

服务网格

Kubernetes中的应用将作为微服务运行，但是Kubernetes本身并没有给出微服务治理的解决方案，比如服务的限流、熔断、良好的灰度发布支持等。

Service Mesh可以用来做什么：

• Traffic Management：API网关
• Observability：服务调用和性能分析
• Policy Enforcment：控制服务访问策略
• Service Identity and Security：安全保护

Service Mesh的特点

• 专用的基础设施层
• 轻量级高性能网络代理
• 提供安全的、快速的、可靠地服务间通讯
• 扩展kubernetes的应用负载均衡机制，实现灰度发布
• 完全解耦于应用，应用可以无感知，加速应用的微服务和云原生转型

当前开源的Service Mesh有哪些？
使用Service Mesh将可以有效的治理Kubernetes中运行的服务：

Linkderd：https://linkerd.io，由最早提出Service Mesh的公司Buoyant开源，创始人来自Twitter
Envoy：https://www.envoyproxy.io/，Lyft开源的，可以在Istio中使用Sidecar模式运行
Istio：https://istio.io，由Google、IBM、Lyft联合开发并开源
Conduit：https://conduit.io，同样由Buoyant开源的轻量级的基于Kubernetes的Service Mesh
此外还有很多其它的Service Mesh鱼贯而出，请参考awesome-cloud-native。

DevOps

持续集成

Continuous integration，简称CI
是一种软件开发实践，即团队开发成员经常集成他们的工作，通常每个成员每天至少集成一次，也就意味着每天可能会发生多次集成。每次集成都通过自动化的构建（包括编译，发布，自动化测试)来验证，从而尽快地发现集成错误。

持续交付

Continuous Delivery，简称CD
持续交付是指软件开发过程，从原始需求到最终产品开发过程中，较短周期内以需求的小颗粒度（小批量）频繁提交的过程。

目的

• 开发过程的快速迭代，小步快跑，及时纠正偏离主线

• 小颗粒度实现，避免颗粒度大，出现问题解决麻烦

• 迅速反馈软件功能，避免⽅向性错误

• 团队角色（含客户）协作密切，减少时间浪费

持续部署
Continuous Deployment，简称CD
基于持续交付的基础上，把功能稳定，符合产品需求的版本有方法地部署至生产环境中。

持续发布
Continuous Release，简称CR
发布是周期性或不定期地对项目在部署后，进行整体软件版本的更新，例如，更新功能或展示页面框架等。

目的

• 产品快速迭代，小步快跑

• 适应市场变化

• 匹配市场策略

• 应对市场风险

持续测试
Continuous Testing，简称CT
持续测试是贯穿着整个软件开发过程，验证程序员提交代码，检验合规性及降低bug，减少最终错误，实现敏捷及精益开发。

目的

• 为了降低开发、部署、发布等可能出现的错误

• 防止代码出错

• 防止功能出错

• 防止业务逻辑出错等

Jenkins
Jenkins是一款由Java编写的开源的持续集成工具。

Jenkins提供了软件开发的持续集成服务。它运行在Servlet容器中。它支持软件配置管理（SCM）工具（包括AccuRev SCM、CVS、Subversion、Git、Perforce、Clearcase和RTC），可以执行基于Apache Ant和Apache Maven的项目，以及任意的Shell脚本和Windows批处理命令。

应用构建和发布流程说明：

• 用户向Gitlab提交代码，代码中必须包含Dockerfile。

• 将代码提交到远程仓库。

• 用户在发布应用时需要填写git仓库地址和分支、服务类型、服务名称、资源数量、实例个数，确定后触发Jenkins自动构建。

• Jenkins的CI流水线自动编译代码并打包成Docker镜像推送到Harbor镜像仓库。

• Jenkins的CI流水线中包括了自定义脚本，根据我们已准备好的Kubernetes的YAML模板，将其中的变量替换成用户输入的选项。

• 生成应用的Kubernetes YAML配置文件。

• 更新Ingress的配置，根据新部署的应用的名称，在Ingress的配置文件中增加一条路由信息。

• 更新PowerDNS，向其中插入一条DNS记录，IP地址是边缘节点的IP地址。

• Jenkins调用Kubernetes的API，部署应用。

总结： 云原生四大体系的基础架构思维导图

云原生与开源

最后，基于过去几年推广开源软件和解决方案的工作习惯，和大家强调一下云原生和开源的关系。目前云原生领域的大部分关键技术，例如容器引擎、容器编排Kubernetes、服务网格Istio，都来自于开源社区。

开源社区是云原生技术的创新根据地，因此企业拥抱云原生技术的过程，也是拥抱开源社区的一个过程。在不久的未来，经过云原生浪潮之后，IT企业当中的技术堆栈里面，开源软件的比例将会大幅提升，这将给市场提供许多新的机遇。