不懂 Kubernetes 实现云原生是什么体验?

原创
09/15 14:08
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云原生的本质和最终效果

要明白什么是云原生,就要先弄明白云计算是什么有什么问题,云计算将计算资源、网络、存储等基础设施统一管理,通过资源规模化和自动化管理,实现降低资源的成本和提高资源的管理效率,云计算本质上解决的是资源的自动化管理问题,但数字化和信息化的关键在应用,云计算没有解决应用的管理问题,应用的管理和运维是难题,对人依赖度很高,云原生的出现就是为了解决应用的管理问题,应用管理比资源管理复杂很多,涉及到应用开发、应用架构、应用交付和应用运维等应用层的管理,还要配合应用解决资源自动化管理问题,云原生本质就是解决应用的自动化管理问题。

从效果来看,云原生的最终目标是让开发者聚焦自己的业务,业务之外(基础设施、应用架构、应用运维)的事情不用关心,只需要懂业务就能创造出自己想要的应用,并能按需交付客户。

使用 Kubernetes 落地云原生困难重重

当前云原生相关的技术很多,其中最关键是容器、微服务架构、Kubernetes ,他们颠覆式的解决了应用管理自动化问题。

  • 容器技术解决了应用打包和部署自动化问题,通过容器打包保证了应用基础环境的一致性,实现了一次打包,处处运行。同时容器可以定义应用运行资源,部署时按需占用资源,实现从应用角度解决资源管理自动化。

  • 微服务架构解决了复杂应用的解耦和治理问题,当业务越大越复杂,微服务架构将业务拆分和解耦成多个模块,并通过服务治理实现微服务运行和管理的自动化。

  • Kubernetes解决了应用编排和调度自动化问题,它是应用自动化管理最关键的拼图,底层基于容器、SDN、SDS,能实现各类型应用和微服务部署和运维过程自动化。

为了实现应用管理自动化,还有很多云原生相关的技术,像SDN(网络自动化管理)、SDS(存储自动化管理)、Helm(复杂应用交付自动化)、Service Mesh(无侵入扩展服务治理能力)、Monitoring(监控自动化)、Logging(日志自动化)、Tracing(性能分析自动化)、Chaos engineering(容错自动化)、Gateway(网关自动化)、SPIFFE (应用访问安全自动化)等等,这些技术可以跟Kubernetes结合起来使用,解决应用各个运维特征的管理自动化问题。

上面这些技术主要围绕着Kubernetes,所以落地过程主要是Kubernetes落地,Kubernetes落地过程一般分为两部分,Kubernetes的搭建和Kubernetes的使用。对于Kubernetes搭建,基于以上技术自主搭建完整的Kubernetes集群非常复杂,既要学习这些技术还要了解他们的原理,最困难的是要把他们有机的组装起来。不过大多公司有专职的维护工程师,可以抽出大把时间来学习和尝试。或者,选择公有云厂商提供的Kubernetes商业服务,所以,搭建Kubernetes是有路径落地的。

相比搭建Kubernetes,Kubernetes的使用一般是开发人员,开发人员人数众多,使用习惯和学习门槛决定了开发人员的接受度,而云原生平台的使用不仅要改变开发习惯,还要学习很多新技术,落地过程困难重重。

  1. 需要学习很多新概念和技术。 云原生相关的技术和概念有很多,光 Kubernetes就有很多新的概念和抽象,像Workload、Pod、Service、Ingress、ConfigMap、PV等,如果要用好还需要学习Kubernetes周边的很多概念和技术。

  2. 已有应用需要改造,开发习惯需要改变。 已有的应用要运行在 Kubernetes上,需要会写 Dockerfile 和 YAML,如果要改造成微服务架构,还需要按照框架的SDK改造代码,跟之前的开发习惯会有很大变化。

  3. 如何将应用高效交付给客户,Kubernetes及上面这些技术并没有解决。 应用只有交付给客户才能产出价值,当前交付客户的自动化程度不高,Kubernetes并没有解决交付过程自动化的问题。在 To C的场景,业务频繁迭代,交付的频率很高,需要保质保量。在To B场景,交付更加复杂,不同的客户有不同的要求,需要针对不同客户有不同的交付模式,比如SaaS、私有交付、离线交付、个性化交付等,交付也是成本里的大头。

应用抽象模型是云原生可落地的关键(实现思路)

云原生落地的难点在使用,如果能将云原生底层复杂的技术包装成开发者熟悉的应用层属性和动作,开发者就不用学习新的概念和技术;如果能将业务跟运维能力解耦,跟微服务框架解耦,就能实现开发者按需扩展运维能力和切换微服务框架,实现对业务按需赋能;如果能实现根据不同客户类型,自定义交付流程和自动化交付,就能大大降低交付成本,提升客户满意度;当以上三点都能解决,就可以让开发者聚焦在业务本身,业务之外的事情不用关心,有更多精力关注客户价值输出。

基于以上思考,通过应用抽象模型是个解决思路,对应用整体进行包装和抽象,包含应用运行所需的全部运行定义,与底层技术和概念隔离。向上用户不需要再学习和了解系统级概念和技术,应用内部把业务和扩展能力解耦,使用应用级概念开发和管理,需要扩展服务治理、运维、安全等能力时按需开启插件。向下则包装Kubernetes的概念和抽象,屏蔽掉底层基础设施的差异,实现应用抽象模型可以运行在各类基础设施上。

应用抽象模版核心设计在三方面:

  1. 应用级抽象
  2. 架构充分解耦
  3. 使用应用模版交付

应用级抽象能简化理解和使用

应用级抽象是“以应用为核心”的抽象模型,对用户暴露应用级的概念、属性和动作,底层Kubernetes和系统级的概念和技术,要么完全实现自动化,要么包装成应用级的属性和动作。 为了实现灵活的应用编排和自动化调度,Kubernetes 定义了很多概念,提供丰富的扩展机制,并以YAML的方式跟它交互,Kubernetes的这些可编程的体验,对管理和扩展Kubernetes的人来说,是非常好的特性,但对于普通开发者,门槛太高,并且很多概念和技术跟自己开发的业务并没有直接关系,所以对于普通开发者来说需要更加友好的操作体验,不需要学习就能使用。

应用级抽象和Kubernetes概念 粗粒度的对应关系:

应用级属性 Kubernetes概念
应用运行环境 Containers
应用运行属性 Workload
应用网络属性 SDN
应用存储属性 SDS
应用对外服务属性 Ingress
应用对内服务属性 Service
应用插件 Pod
应用配置 ConfigMap

应用级抽象并不是要将Kubernetes概念全部隐藏起来,而是对于不同的使用者,职责不同展现不同的交互界面。 对普通开发者职责是开发业务,只需要关心应用级的概念,提供应用级的操作界面。但对于云原生平台的管理人员,除了关心应用级的概念,还要关心Kubernetes的管理和维护,有能力的话还可以扩展平台的能力,所以对于平台管理人员,提供高级的暴露Kubernetes概念的操作界面,或者直接操作Kubernetes也可以管理平台上的应用,通过这种方式也规避了,由于包装概念产生的“黑箱”导致对平台的可观测性和可掌控性不足。

架构充分解耦,根据使用场景按需组合

基于应用级的抽象,应用模型通过标准的Kubernetes API实现跟基础设施的解耦,所有符合标准Kubernetes API 的基础设施都可以实现对接和部署,比如各公有云厂商的Kubernetes实现、K3s、KubeEdge等,通过这样的解耦,开发者只需要关心业务和能力扩展,不用在关心基础设施的差异,对接应用模型的应用不需要改动就能透明部署到公有云、私有云和边缘设备上,实现了应用级多云。

通常在应用里,还会包括一些跟业务无关的功能,他们的作用是为了让应用更好的运行,比如:服务治理、微服务框架、运维工具、安全工具等,这些能力跟应用有强耦合关系的,需要改代码扩展能力,将这部分能力解耦,应用就只需要关注在业务了,而且扩展的能力有很强的复用性,其他应用也需要。

应用中扩展能力的解耦使用 Kubernetes 的 Pod,Pod中包含一个或多个容器,所有容器共享网络、存储,应用运行在一个容器,扩展的能力通过扩展容器的方式运行,通过共享的网络和存储实现了应用和扩展能力的解耦,这种解耦方式对业务完全无侵入,扩展的能力用插件的形式包装,就可以实现应用按需安装和启动插件,根据网络流向和容器启动顺序可以定义几种类型插件:

插件类型 说明
入口网络插件 网络流量先到入口网络插件,然后到业务容器。例如:网关、WAF、安全工具、限流
出口网络插件 网络流量先到业务容器,然后到插件容器。例如:负载均衡、断路器、加密访问
出入网络插件 网络流量先到插件容器,再到业务容器,再回到插件容器。例如:Service Mesh proxy
旁路插件 网络上旁路运行。例如:性能分析、监控 、调用链分析、日志管理
初始化 插件 Pod的Init容器,Pod启动先启动Init容器。例如:数据库初始化

按照Pod机制实现的插件只能扩展单个业务容器的能力,而要对应用扩展微服务架构能力,需要对每一个业务容器扩展服务治理的插件,这跟Service Mesh的实现机制一致,Service Mesh的Data Plane需要对每个业务容器注入Proxy,对于完整应用就是扩展Service Mesh能力,对完整应用扩展的能力是应用级插件,根据注入Proxy的差异可以支持多种类型的Service Mesh 实现,比如:Istio、Linkerd、Dapr,应用可以按需开启Service Mesh 能力,或更换实现框架。当应用跟微服务架构解耦,每一个业务容器不再受微服务框架和开发语言限制,每个业务容器只需要专注业务本身,业务容器之间也同步实现了解耦。

通过将架构充分的解耦,解耦后的业务、插件、对接多云的能力都能实现随意组合,开发者选择喜欢的开发语言开发业务组件,根据业务契约编排依赖关系,根据服务治理和运行稳定性要求,按需开启Service Mesh插件和其他运维插件,运行的基础设施环境,也根据实际需要自动对接。

应用模版成为能力复用和应用交付的载体

应用模型以应用模版的形式具象化展现和存储,应用由源码、容器镜像和插件拼装而成,然后一键导出成应用模版,应用模版设计主要围绕使用者,让使用者能用起来,让应用交付并产出价值,从而拉动应用的迭代和开发。从使用体验上,应用模版可以一键安装和一键升级,通过“拖拉拽”的方式实现业务拼装。应用模版有很强灵活性,应用模版支持不同颗粒度大小,模版和模版能拼装出新的模版,新的模版还可以持续拼装,颗粒的大小由使用者决定,由使用者赋予它意义。应用模版可以交付到兼容Kubernetes API的分支版本,实现一键安装和升级,或将应用模版存放到应用市场,实现即点即用的效果。

应用模版需要具备四个特点:

  • 模块化,可以形成可复用的能力单元,按需拼装使用场景。
  • 自治,自给自足,可以独立安装、升级和管理,确保组合的灵活性。
  • 可编排,模版和模版可以拼装出新模版,具备无限拼装能力。
  • 可发现,通过内部服务和外部服务两种方式体现,可供业务和技术、开发者和其他应用访问。

通过应用模版实现可复用模块和能力的打包。 应用的架构充分解耦后,业务组件和扩展插件理论上可以复制到其他应用中,但直接复制代码或镜像非常低效,而且还有很多运行环境相关的配置需要考虑,将业务组件和扩展插件打包成应用模版,并将应用模版发布到应用市场供其他人使用,可以最大程度实现模块和能力的复用,减少重复造轮子。

通过应用模版实现SaaS、私有化和离线环境的自动化交付,和个性化场景模块拼装。 应用模板中包含应用运行态所需的全部资源,对接到客户运行环境,就可以实现一键安装和运行,屏蔽了客户环境差异,一套产品模版可以交付所有类型客户,对于离线环境,应用模版以文件的形式导出,到客户离线环境再导入运行即可。对于功能需要个性化的场景,利用应用模版对业务模版打包的能力,先拼装已经模块化的能力,然后再定制化开发,新开发的功能,如果可复用还可以继续发布成应用模版,供后续复用。

不懂 Kubernetes 实现云原生的体验

基于以上的设计思路,让开发者专注于业务本身,回到用户效果和价值体现的原点上,不用关心底层复杂的技术和不相关的概念,全面实现应用自动化。

开发应用的体验:

  1. 代码无需改动,就能变成云原生应用。 对于新业务或已有业务,代码不需要改动就能将其容器化。不需要懂 docker 、Kubernetes 等技术,就能将应用部署起来,具备云原生应用的全部特性。
  2. 业务积木式拼装编排。 可复用的业务模块积累到应用市场,当由新业务需要开发,基于应用市场已经业务模块,通过“拖拉拽”的方式拼装,然后再开发没有的业务能力,当积累的业务模块越多,开发新业务的速度越快。
  3. 开箱即用的Service Mesh微服务架构,并可一键更换Service Mesh框架。 不用学习微服务框架的SDK,通过无侵入的方式实现Service Mesh微服务架构,主流的Service Mesh框架以插件的形式存在,需要时开启,如果觉得不好还可以随时更换。

使用应用的体验:

  1. 像安装手机 App 一样安装云原生应用。 云原生应用以应用模版的形式存放到应用市场,当对接各种基础设施或云资源,实现应用即点即用或一键安装/升级。
  2. 普通开发者不需要学习就能实现应用运维。 通过应用级抽象,普通开发者了解应用级属性就能实现应用运维,并通过插件扩展监控、性能分析、日志、安全等运维能力,应用运维不再需要专用的SRE。
  3. 复杂应用一键交付客户环境。 复杂应用发布成应用模版,当客户环境可以联网,对接客户环境一键安装运行,当客户环境不能联网,导出离线应用模版,到客户环境导入并一键安装运行。

实现方案

基于上面的设计思路,我们在Kubernetes基础上实现了Rainbond,并将它开源。Rainbond提供开箱即用的体验,使用简单,不需要懂容器和Kubernetes,支持管理多种Kubernetes集群,提供企业级应用的全生命周期管理。主要功能包括应用开发环境、应用市场、微服务架构、应用交付、应用运维、应用级多云管理等。

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