云計算經過十幾年的發展，從一開始討論什么是云計算，到爭論云計算是否是舊瓶裝新酒，再到討論如何建設云基礎能力，到如何建設云平臺上的應用，隨著業界對云計算技術的不斷探索，我們對云計算的理解和期望在日益提升。當前，大部分的企業已經確實體會到了云計算帶來的競爭優勢，并已經建成企業內部的私有云基礎能力，或是將數據中心遷移到公有云上。應用如何使用好云計算基礎設施，使云計算發揮大能力，是目前云計算技術中最重要的議題?；谠朴嬎闫脚_設計的應用，業界稱之為云原生應用。

一.云原生的定義

云原生(Cloud Native)是一種構建和運行應用程序的方法，是一套技術體系和方法論。Cloud Native是一個組合詞，Cloud+Native。Cloud是適應范圍為云平臺，Native表示應用程序從設計之初即考慮到云的環境，原生為云而設計，在云上以好姿勢運行，充分利用和發揮云平臺的彈性+分布式優勢。

1、原生云的歷史

2013年，Pivotal公司的Matt Stine于首次提出原生云(CloudNative)的概念，用于區分為云而設計的應用和云上部屬傳統應用。

2015年，Matt Stine在《遷移到云原生架構》一書中定義了符合原生云架構的幾個特征：12因素、微服務、自敏捷架構、基于API協作、抗脆弱性;

2015年云原生計算基金會(CNCF)成立,CNCF作為一個廠商中立的基金會，致力于云原生應用推廣和普及。

2017年，Matt Stine將原生云架構歸納為模塊化、可觀察、可部署、可測試、可替換、可處理6特質;而Pivotal最新官網對云原生概括為4個要點：DevOps+持續交付+微服務+容器。

2、CNCF對云原生的定義

CNCF(Cloud Native Computing Foundation)于 2015 年 7 月成立,隸屬于 Linux 基金會,初衷圍繞“云原生”服務云計算。CNCF作為一個廠商中立的基金會，致力于Github上的快速成長的開源技術的推廣，如Kubernetes、Prometheus、Envoy等，幫助開發人員更快更好的構建出色的產品。

原生計算基金會(CNCF)成立，是云計算的一個里程碑，標志著云計算的建設關注點從基礎設施的建設向應用的云架構轉變。CNCF對云原生的定義是個不斷優化的過程。目前CNCF對于原生云的定義為：

“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環境中，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。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作出頻繁和可預測的重大變更。“

CNCF對云原生的描述，前半部分是給出了云原生的定義，并給出目前云原生好的技術實踐。后半部分指出構建云原生應用的目標。

CNCF還給出了構建云原生的相關技術棧，已經基金會相關的孵化項目信息。

▲CNCF 云原生全景圖(Cloud Native Landscape)

3、云原生的關鍵技術

CNCF在定義中給出了云原生的關鍵技術，容器、服務網格、微服務、不可變基礎設施和聲明式API，是目前云原生應用的好實踐。

▲云原生技術棧

容器

容器技術是一種輕量級的虛擬化技術。通過操作系統內核的能力，對每個進程的資源使用(包括CPU、內存、硬盤I/O、網絡等)進行隔離，達到容器里運行的進程與其他進程進行一定程度的隔離，同時避免了虛擬機(Virtual Machine)過高的額外消耗。

容器通常與容器編排系統一起工作，容器編排系統提供容器的部署和組織能力。容器編排系統通?？梢詫⒋罅康臋C器(物理機或虛擬機)作為一個集群進行統一管理，通過設定的策略，將容器部署到這個集群的機器上;實現容器多實例的部署和應用路由的自動化配置;對基礎設施和容器進行監控。

容器和容器編排技術對于云原生的意義巨大，容器為云原生應用提供了一個輕量級的運行平臺， 首先相對于傳統虛擬化技術，容器極其輕量，;可以實現秒級部署;同時容器應用易于移植，一次構建，隨處部署。而容器編排技術可以將容器部署到一個很大的集群的同時，還能為應用提供彈性伸縮，故障轉移的能力，實現了容器上應用的高可用。提升應用部署的自動化能力和快速部署的能力。

目前常見的容器技術有Linux Container(簡稱LXC)和runC等。runC是目前的被廣泛認可的容器實現，他是基于根據 OCI 標準來創建和運行容器。而 OCI(Open Container Initiative)組織，旨在圍繞容器格式和運行時制定一個開放的工業化標準。

目前最主流的容器編排實現就是Kubernetes了，Kubernetes 是用于自動部署，擴展和管理容器化應用程序的開源系統。它將組成應用程序的容器組合成邏輯單元，以便于管理和服務發現。Kubernetes 源自Google 15 年生產環境的運維經驗，同時凝聚了社區的好創意和實踐。目前商用和開源的容器平臺，基本都是基于Kubernetes的。

不可變基礎設施

傳統運維的基礎設施通常是申請一臺或一組服務器，運維人員通過SSH或是Agent的方式，將軟件的二進制包的安裝到服務器上并進行環境的配置。如果需要進行版本升級和參數變更等變更操作，就需要逐個服務器地調整配置文件，以及將新代碼直接部署到現有服務器上。這些服務器承載的應用和參數是可以改變的，所以是可變基礎設施。這種運維方式也被稱為“雪花服務器( Snowflake Server)”，服務器像雪花一樣，每一片都獨特的與眾不同。

不可變基礎設施不同于傳統的運維，服務器在部署后永遠不會被修改。如果需要以任何方式更新，如版本升級或是參數配置，需要構建新服務器以替換舊服務器。在不可變基礎設施中，服務器的構建通常是以鏡像(Image)的方式提供的，任何一個更改都對應一個鏡像。不可變基礎設施又被稱為“鳳凰服務器(Phoenix Server)”，服務器應該像鳳凰，能夠從灰燼中重生。

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。它可以減少或完全杜絕可變基礎架構中常見的問題，例如配置漂移、集群配置一致性和環境復制問題。

不可變基礎設施的一個實現方式就是被我們熟知的Docker。Docker通常被作為容器技術被人熟知，實際上Docker提供的是一種容器打包的技術。Docker的核心理念就是不可變基礎設施，Docker通過鏡像(Docker Images)或是Dockerfile來交付軟件。每一次新的版本的發布都對整個運行環境進行重建，每一次更新都是一個新版本的Image。Docker利用容器的輕量化部署，可以達到最高的收益。

微服務

隨著需求不斷增加，單體應用可能會出現的諸多問題，比如每個小的變更都需要重新部署整個應用，一個小模塊的代碼缺陷可能導致所有業務不可用等問題。微服務是為解決這些問題的一種架構模式，微服務通過將業務應用由通過明確定義的 API 進行通信的小型獨立服務組成。這些服務由各個小型獨立團隊負責。微服務架構使應用程序更易于擴展和更快地開發，從而加速創新并縮短新功能的上市時間。

微服務將應用拆分為小的獨立部署的服務的方式，和容器存在著天然的契合。云上的應用要求可以故障轉移，彈性伸縮和快速啟停，這些也是微服務應用的設計要求?？梢哉f容器和容器編排技術的發展，大大的推動了微服務的發展;反過來，微服務應用的發展，也推動了容器技術的推廣。

由于微服務是一種分布式系統，分布式系統設計的復雜性。為解決微服務系統設計復雜性，各種微服務治理框架層出不窮。比較流行的有Spring Cloud，Dubbo和Istio等。

Spring Cloud是基于微服務優秀開源項目的一個微服務治理全家桶。可以選擇不同的解決方案和開源組件，比較完備的解決方案有Spirng cloud Neflix。Spring Cloud是目前全球用的最多的微服務治理框架，可以利用現有Spring的完整生態，和SpringBoot無縫寫作文。

Dubbo是國內阿里巴巴提供的服務治理開源項目，同樣和Spring整合。國內很多互聯網公司選用Dubbo作為微服務框架。

Istio是一個服務網格的開源項目，我們會在下章介紹。

服務網格

前面我們講了，Docker和Kubernetes已經解決了應用部署，調度和更新的問題。但是微服務應用作為一種分布式系統，運行時的很多問題都需要應用去處理，比如服務的發現、故障熔斷和負載均衡等。為了解決這些問題，業界逐漸發展出了微服務治理框架。初期的微服務治理都是基于開發框架的，如Spring Cloud和Dubbo。這些開發框架很好的解決了微服務運行時的問題，但是存在開發語言鎖定，對應用存在侵入性、開發運維職責不清等弊端。服務網格(ServiceMesh)就是在這種環境下出現的。

服務網格是最近很火的一個概念，服務網格是用于控制和監控微服務應用程序中的內部服務到服務流量的軟件基礎結構層。它通常采取與應用程序代碼一起部署，作為網絡代理的 "數據平面" 和與這些代理交互的 "控制平面" 的形式。在此模型中，服務網格對于業務開發人員是透明的， 而平臺運維人員也可以在不關心業務的情況下，有效的運維應用，確保應用的可靠性、安全性和可見性。而且服務網格對對業務應用開發過程的侵入性降到最低，對所有語言友好。

服務網格目前最主要的開源項目是Istio。Istio基于Kubernetes環境提供的一個完整的解決方案來滿足微服務應用程序的各種需求。通過Kubernetes的Pod，Istio為每一個微服務實例注入一個Sidecar，代理(Proxy)業務實例的所有外部流量，從而實現微服務治理框架所需要的行為洞察和操作控制的能力，如服務注冊發現、配置管理、熔斷和鏈路追蹤等。還可以提供靈活的灰度發布策略配置。

聲明式API

和聲明式相對的是命令式的API。命令式的API是給出每一個操作步驟，目標系統只需要按照步驟進行執行，目標系統將結果返回給調用者，調用者對結果進行處理;聲明式API是給出一個最終的狀態，目標系統對資源進行操作，以到達要求，調用者不需要進行干預。

聲明式API的優勢在于讓分布式系統之間的交付變的簡單。我們不需要關心任何過程細節。聲明式的方式能夠大量地減少使用者的工作量，極大地增加開發的效率，這是因為聲明式能夠簡化需要的代碼，減少開發人員的工作，如果我們使用命令式的方式進行開發，雖然在配置上比較靈活，但是帶來了更多的工作。

聲明式API的一個最好實例就是Kubernetes。用于操作K8s的yml文件都是聲明式的。另外還有一些用于部署的聲明式API開源項目，如Terraform。

二.云原生的發展趨勢

1、運維繼續下沉，服務網格將成為主流，Serverless逐步推廣

云計算的一個發展方向就是運維下沉，將和業務無關的管理功能和運維工作盡量下沉到基礎設施中，應用可以聚焦在業務能力的開發和運營。這個趨勢演化的過程，影響了云計算的發展方向。從一開始的虛擬化，到IaaS，到PaaS都是將應用系統的部分運維職責交給平臺運維的過程。

▲運維職能下移

PaaS為云應用提供了運行容器，解決了應用部署的問題和運行時管理的問題，但是應用仍然有大量的運維工作，特別是對于微服務應用，需要解決諸多的問題，如服務的發布和感知，多實例應用的負載均衡，服務故障檢測和隔離，已經應用灰度發布的策略等。這些在PaaS層面是無法解決的，通常是由開發框架解決，就是我們前面提到的微服務治理框架。

因為業務功能的提供才是業務開發團隊的價值體現，業務開發團隊應該聚焦于業務功能的實現，非功能的需求應該交給平臺處理?；谶@個訴求服務網格出現了，微服務治理的問題可以有服務網格統一運維管理，業務應用只需關注業務能力的實現。

服務網格出現后，業務應用本身的生命周期還是需要應用來運維保障。這就逐步演化出了Serverless的概念，Serverless并非沒有Server，而是對于開發團隊來說根本不在意Server是什么樣的。開發團隊只需要提交業務代碼，就可以得到需要的運行實例，對應用開發團隊來說，Server是不存在的。

從目前業界的技術趨勢來看，ServiceMesh的概念已經被大部分的大型云上企業接受，ServiceMesh被詬病的性能問題也在被逐步解決中，可以預測今年將有更多的微服務應用采用這一基礎能力。Serverless目前發展還比較初期，包括了全托管的服務和FaaS(函數即服務)，全托管服務在公有云已經逐步成熟，隨著混合云的普及，全托管服務會逐步發展。FaaS由于涉及開發模式的轉變，目前要取代現有的開發模式還需要時日，不過有些合適的應用場景應該會有越來越多的應用。

2、軟硬結合，解決虛擬化性能問題的利器

隨著云計算的發展，虛擬化技術越來越多的被使用，從計算虛擬化到存儲虛擬化到網絡虛擬化。虛擬化技術帶來了很多的好處，虛擬化是基礎設施服務化的基礎，通過虛擬化，可以實現基礎設施即代碼，大大提升了資源的可管理性和自動化程度。但是虛擬化帶來了另外一個問題，就是性能的損耗和軟件進程之間的相互影響問題。

對于性能損耗，會導致需要的資源比實際業務耗費的資源更多，提升了服務器資源的成本;進程之間的相互影響則會導致云平臺的整體性能問題，網絡虛擬化和存儲虛擬化都需要通過軟件進程的方式，來處理網絡流量和IO。為了實現分布式高可用和減少數據包轉發，基礎的SDN，SDS的進程通常是和應用進程部署在同一套集群上。這就導致了有可能部分的SDN和SDS的管理進程所在服務由于各種原因，CPU或是內存占用過大，導致無法及時處理網絡和IO請求，導致云平臺整體性能下降。

為了解決這兩個問題，目前一個解決思路就是軟硬結合，講云平臺的管理進程，如調度管理，網絡的虛擬交換機，存儲的虛擬存儲網關從操作系統進程中剝離出來，讓這些進程跑在專門設計的服務器板卡上，這些板卡專門設計的，通常含有定制化的芯片(FPGA)，可以進行編程，從而可以保持虛擬化話的優勢的同時，使的管理進程和業務進程隔離，避免相互影響;同時由于通過定制芯片(如FPGA)來處理，性能會有很大提升，大大降低了虛擬化的損耗。

目前大的公有云廠商都有相關的產品在自身的公有云應用。

3、容器虛擬機進一步融合

容器和虛擬機的優勢和劣勢，從容器技術誕生的那天起就一直在爭論。容器輕量化，良好的封裝能力和部署簡便的特點，特別是在Kubernetes出現后，大有取代虛擬機的氣勢。但是在處理重應用(如關系型數據庫，大數據等)的這點上，容器技術顯得有些力不從心。另外容器技術在資源隔離和安全性上，還達不到虛擬機的水準，所以在很多場景，仍然是虛擬機的用武之地。

在這種情況下，如何實現容器技術和虛擬化技術的融合，發揮兩者的長處，成為云計算的一個發展課題。目前的技術主要有三種，一種是容器虛擬機的混布;一種是輕量級虛擬機;最后是安全容器。

容器虛擬機的混布。通過修改容器或是虛擬機的編排引擎，使得可以通過一套API，支持容器和虛擬機的部署，同時打通虛擬化層和容器的網絡，使之更高效率的進行互訪。這是一些傳統的虛擬化廠商目前的做法。目前比較成熟的實現有Redhad的Kubevirt。

輕量級虛擬機。解決虛擬機鏡像過于龐大，啟動慢，耗費資源大的問題，業界提出了輕量級虛擬機的解決方案。輕量級虛擬機使用精簡專屬的庫操作系統(LibraryOS)，它能夠使用高級語言編譯并直接運行在商用云平臺虛擬機管理程序之上。相比于容器技術它們有很多的優點，不僅僅有著媲美虛擬機的隔離能力，而且有更快的啟動時間和更小的攻擊面。輕量級虛擬機的由于使用了專屬的操作系統，在語言支持和兼容性上都不如其他解決方案。目前輕量級虛擬機的技術有很多，例如Unikernel，Drawbridge, MirageOS 和HaLVM等。

安全容器，或是叫沙箱容器。為了解決容器的隔離性上的弱點，安全容器為容器的運行提供了一層沙箱(Sandbox)，容器在沙箱中運行的應用程序有自己的內核和虛擬設備，與主機和其它沙箱區分開來。安全容器的優點是可以兼容目前的容器鏡像，不需要對容器編排Kubernetes做出大的修改就可以直接應用，缺點是犧牲了部分的性能和靈活度。目前安全容器的開源項目有Kata container，Google的gVisor等。

安全容器和輕量級虛擬機的實現上，可能會有一些重疊，但是不管哪一個方向，都是向著虛擬機和容器融合這個大的方向發展。目標都是在發揮容器的輕量級，快速交付和靈活調度能力的同時，提升業務應用的隔離性和安全性。

三.綜述

云原生技術是目前技術階段，企業IT系統的最優模式的集合。企業通過遵循云原生的技術和設計模式，可以充分發揮云計算平臺的優勢的同時，可以大限度的減少對開發效率的影響，實現穩定而高效的系統。技術是不斷發展的，云原生技術也是一個不斷更新迭代的過程，相應的開發習慣和方法也會跟著改變。

文章題目：云原生技術及其未來發展趨勢展望
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