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云原生 ​

云原生（Cloud Native）是一种构建和运行大型 Web 后台应用的现代技术，充分利用了云计算的优势。云原生应用从设计之初就考虑在云环境运行，强调使用容器、服务网格、声明式 API、不可变基础设施等技术和理念。

云原生的核心要素 ​

  • 微服务：将单体应用拆分为多个独立开发、部署、扩展的小型服务，提高了灵活性和可扩展性，但也增加了系统复杂性。
  • 容器化：将应用和依赖打包为轻量级虚拟化单元，相比虚拟机启动更快、资源占用更少、部署更灵活，代表技术有 Docker 和 Kubernetes。
  • 声明式 API：描述期望状态而非执行过程，系统自动将当前状态调整为期望状态，典型代表是 Kubernetes 的 Deployment、Service、ConfigMap。
  • 不可变基础设施：资源创建后不再修改，变更时创建新资源替换旧资源，避免了配置漂移和配置错误，容器镜像是其典型代表。
  • 服务网格：将服务治理逻辑从代码剥离到基础设施层，提供服务发现、负载均衡、熔断降级、限流、链路追踪等功能，主流实现有 Istio 和 Linkerd。

云原生的优势 ​

  • 弹性伸缩：根据负载自动扩缩容，提高资源利用率。
  • 高可用性：应用多副本部署，故障时自动重启或迁移。
  • 快速迭代：持续集成、持续交付，快速发布新功能。
  • 资源效率：容器共享操作系统内核，资源占用少，提高服务器利用率。
  • 可移植性：应用打包在容器中，可以在任何支持容器的环境中运行。

CNCF 云原生全景图 ​

  • CNCF（Cloud Native Computing Foundation，云原生计算基金会）维护云原生全景图，涵盖云原生的各个领域。
  • 运行时：容器运行时（containerd、CRI-O）、容器网络（CNI）、容器存储（CSI）。
  • 编排和管理：Kubernetes、Helm、Operator。
  • 应用定义和开发：Prometheus、Envoy、CoreDNS、containerd。
  • 可观测性和分析：Prometheus、Grafana、Jaeger、Fluentd。
  • 服务网格：Istio、Linkerd、Consul。

云原生的核心理念 ​

12-Factor App 是 Heroku 提出的云原生应用设计原则，指导开发者构建可移植、可扩展的云原生应用。

  • 基准代码：一份基准代码，多次部署。
  • 依赖：显式声明和隔离依赖。
  • 配置：环境变量存储配置。
  • 后端服务：后端服务视为附加资源。
  • 构建、发布、运行：严格分离构建和运行。
  • 进程：无状态进程。
  • 端口绑定：通过端口绑定提供服务。
  • 并发：通过进程模型扩展。
  • 易处理：快速启动和优雅关闭。
  • 开发环境与线上环境等价：保持开发、测试、生产环境一致。
  • 日志：日志作为事件流。
  • 管理员进程：一次性管理员进程。

云原生的技术栈 ​

容器运行时：containerd、CRI-O、gVisor（安全容器）、Kata Containers（安全容器）。

容器编排：Kubernetes、Nomad、Docker Swarm。

容器网络：CNI（Calico、Flannel、Weave、Cilium）。

容器存储：CSI（Ceph、GlusterFS、NFS、Local PV）。

容器镜像：Docker Hub、Harbor、Quay、阿里云容器镜像服务。

服务网格：Istio、Linkerd、Consul Connect。

监控告警：Prometheus、Grafana、Alertmanager。

日志收集：Fluentd、Fluent Bit、Loki。

链路追踪：Jaeger、Zipkin、SkyWalking。

云原生的最佳实践 ​

无状态设计：应用应该无状态，状态存储在外部（数据库、对象存储）。无状态应用可以随意扩展和迁移。

健康检查：应用提供健康检查接口，容器运行时通过健康检查判断应用是否健康。

优雅关闭：应用监听 SIGTERM 信号，优雅关闭连接，处理完当前请求后再退出。

资源限制：为容器设置资源限制（CPU、内存），避免资源争抢。

小镜像：使用多阶段构建、精简基础镜像，减少镜像大小。

安全扫描：定期扫描镜像漏洞，及时修复。

配置管理：使用 ConfigMap、Secret 管理配置，避免将配置打包在镜像中。

日志标准输出：应用日志输出到标准输出和标准错误，便于容器运行时收集日志。

云原生是现代应用架构的方向，理解云原生的技术和理念，有助于构建可扩展、高可用的云原生应用。