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云原生应用的下一站

本文是我于5月20日在第四届南京全球技术周上【互联网技术专场】上的题为【云原生应用的下一站】的演讲的部分内容的文字整理。

云原生是什么?

CNCF给出的定义是:

  • 容器化
  • 微服务
  • 容器可以动态调度

我认为云原生实际上是一种理念或者说是方法论,它包括如下四个方面:

  • 容器化:作为应用包装的载体
  • 持续交付:利用容器的轻便的特性,构建持续集成和持续发布的流水线
  • DevOps:开发与运维之间的协同,上升到一种文化的层次,能够让应用快速的部署和发布
  • 微服务:这是应用开发的一种理念,将单体应用拆分为微服务才能更好的实现云原生,才能独立的部署、扩展和更新

一句话解释什么是云原生应用:云原生应用就是为了在云上运行而开发的应用

《云原生应用的下一站》

要运行这样的应用必须有一个操作系统,就像我们运行PC或手机应用一样,而Kubernetes就是一个这样的操作系统。

我们再来看下操作系统宝库哪些层次。

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  • 硬件管理:可以管理CPU、内存、网络和存储
  • 设备接口、虚拟化工具、实用工具
  • Shell、用户界面
  • 各种终端工具,如awk、sort、grep、vim等

下面是CNCF给出的云原生景观图。

《云原生应用的下一站》

该图中包括云原生的各种层次的提供者和应用,通过该图可以组合出一些列的云原生平台。

  • IaaS云提供商(公有云、私有云)
  • 配置管理,提供最基础的集群配置
  • 运行时,包括存储和容器运行时、网络等
  • 调度和管理层,协同和服务发现、服务管理
  • 应用层

也可以有平台提供以上所有功能,还可以有提供可观测性、分析和扩展应用。

看到这个景观图,大家觉得kubernetes真的还只做了容器编排吗?实际上它是制定了一个标准。就像一个系统一样,所有的应用和插件都是基于它来构建的。

Kubernetes的现状与未来

Kubernetes发展已经有3年多的时间了,它已经基本成为了容器编排调度框架的标准。它的各种抽象与资源定义已经被大家广为接受。其中最基础的调度单元Pod。

创建一个自定义资源类型需要满足的条件。

这是KubeVirt的架构图。

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我们看到图中有两个是kubernetes原生的组件,API server和kubelet,我们创建了virt-controller就是为了创建CRD的controller,它扩展了kube-controller的功能,用于管理虚拟机的生命周期,同时在每个节点上都用DaemonSet的方式运行一个virt-handler,这个handler是用于创建虚拟机的处理器,每个节点上即可用运行虚拟机也可以运行容器,只要这个节点上有virt-handler就可以运行和调度虚拟机。

Kubernetes做了什么?

Kubernetes优秀的分布式架构设计,给我们提供了众多了可扩展接口,可以让我们很方便的扩展自己的运行时、网络和存储插件,同时还可以通过CRD管理我们自己的分布式应用。它的声明式配置方式可以让我们利用Kubernetes的原语快速的编排出一个云原生应用。

Kubernetes的资源隔离也能保证对集群资源的最大化和最优利用率。

下图中展示了Kubernetes中的资源隔离层次。

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  • 容器
  • Pod:命名空间的隔离,共享网络,每个Pod都有独立IP,使用Service Account为Pod赋予账户
  • Sandbox:是对最小资源调度单位的抽象,甚至可以是虚拟机
  • Node:网络隔离,每个节点间网络是隔离的,每个节点都有单独的IP地址
  • Cluster:元数据的隔离,使用Federation可以将不同的集群联合在一起

Kubernetes中的基本资源类型分成了三类:

  • 部署:Deploymnt、StatefulSet、DaemonSet、Job、CronJob
  • 服务:Service、Ingress
  • 存储:PV、PVC、ConfigMap、Secret

在最近一届的KubeCon & CloudNativeCon上Operator已经变得越来越流行。下面是OpenEBS的一个使用Operator的例子。

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OpenEBS是一款容器化存储,它基于Ceph构建,容器化存储最大的好处就是复用Kubernetes的资源类型,简化存储应用的部署,将单体的存储拆分为“微服务化”的存储,即每个应用在声明PV的时候才会创建存储,并与PV的生命周期一样都是独立于应用的。

OpenEBS的存储也是分控制平面和数据平面的,下图是OpenEBS的架构图。

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黄色部分是OpenEBS的组件(除了kube-dashboard),它是使用Kubernetes的各种原语和CRD来创建的,架构跟Kubernetes本身也很类似。

用户在使用OpenEBS的StorageClass创建PV的时候,OpenEBS会为每个PV创建一个用户管理该PV的Deployment,这个Deployment再来创建存储副本,每个PV的存储副本都可以不同,这取决的用户如何定义的StorageClass。这样就可以将原来的单体存储拆分为微服务化的存储。

上面说到了Operator的一个应用,下面再来看一个我们之前在Kubernetes中部署Hadoop YARN和Spark的例子。

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Kubernetes始于12因素应用的PaaS平台,它是微服务的绝佳部署管理平台,基于它可以应用多种设计模式。它的未来将变成什么样呢?

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  • Service Mesh:解决微服务治理问题
  • Auto Pilot:自动驾驭能力,服务自动扩展,智能运维
  • FaaS/Serverless:用户无需再关注底层平台,只需要部署服务,根据服务的资源消耗和使用时间付费

Serverless的发展

为了实现上述的各种能力,急需解决的就是基于Kubernetes的持续集成和发布问题。

当前出现了一系列的基于Kubernetes的CI/CD工具,如Jenkins-x、Gitkube,它提供了从代码提交、自动编译、打包镜像、配置注入、发布部署到kubernetes平台的一系列自动化流程。

设置出现了像ballerina这样的云原生编程语言,它的出现就是为了解决应用开发到服务集成之间的鸿沟的。它有以下几个特点。

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  • 使用云原生语义的DSL
  • 注解式配置
  • 序列图式操作
  • 支持微服务的治理

要完成云的集成CI/CD,或者用一个词代替来说就是GitOps的需求越来越强烈。

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Kubernetes没有做什么

看下这张图中的两个服务,它们使用的是kube-proxy里基于iptables的原生的负载均衡,并且服务间的流量也没有任何控制。

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Kubernetes缺少的最重要的一个功能就是微服务的治理,微服务比起单体服务来说使得部署和运维起来更加复杂,对于微服务的可观测性也有更高的要求,同时CI/CD流程Kubernetes本身也没有提供。

Service Mesh

Service Mesh是一个专用的基础设施层,它能够将微服务的治理层应用层下沉到基础设施层,将原来开发人员很多活给分担出去,让开发人员更注重业务逻辑和应用的性能本身,将服务治理的能力交给平台来解决。使用Service Mesh能够提供安全的服务间通讯、在服务间通讯应用各种策略实现灰度发布、流量切分等功能,它还能适配多语言,让微服务应用无感知的迁移到云原生。

这是Istio在Kubenetes中创建的各种CRD,这些CRD有些是作为路由策略、有些是做监控指标和权限控制的。

这是Istio Service Mesh的架构图。

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  • Pilot:提供用户接口,用户可以通过该接口配置各种路由规则,Pilot还可以通过适配器获取平台上各种服务之间的管理,Evnoy这个使用Sidecar方式部署到每个应用pod中的进程会通过Pilot中的Envoy API获得平台上各个服务之间的管理,同时也会应用用户配置的路由规则。
  • Mixer:获取各种平台属性,服务间通讯时会先访问Mixer兼容各平台的属性信息,如quota、访问控制和策略评估,将服务间的访问信息记录后上报到mixer形成遥测报告。
  • 每个Pod上还有SA和SPIFFE做权限管控。

Service Mesh实际上为了解决社会分工问题,它本身是为了解决微服务的治理。

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Pilot和控制平面是为了运维人员准备的。

数据平面是为开发人员准备的。

Isito在每个上下游服务之间部署一个Envoy,Envoy中有几个基本的服务发现服务,监听器即Envoy要转发的流量端口,Endpoint是要转发的目的地,Cluster是一些列Endpoint用来做负载均衡,Route是定义各种路由规则,每个Envoy进程里可以设置多个Listener。

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整理的比较仓促,其中难免会有些错误,请大家指正。

 

本文出自:https://jimmysong.io/posts/the-next-stage-of-cloud-native-apps/

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