深入浅出Serverless：2 Serverless与相关技术

介绍

• 作为一个热门词汇，Serverless并不孤单，和它一起受到广泛关注的还有诸如微服务（Microservice）、容器（Container）和云等。其实这些技术之间有着很强的关联关系。正确地理解Serverless和其他技术的关系，是正确理解Serverless架构的一个重要基础。要深入理解Serverless，需要结合当下业界发展的整个大环境和趋势进行思考。

云计算

从私有数据中心到云

• 按所管控的计算资源的范围来划分，云计算模式可以分为基础架构即服务（Infrastructure as a Service）、平台即服务（Platform as a Service，PaaS）以及软件即服务（Software as a Service，SaaS）。
• 在云计算传统的私有数据中心架构中，让一个应用服务上线跑起来，用户需要负责管理和维护底层网络、存储和主机，到操作系统、中间件，以及应用的开发、部署及运维。
• 在传统的架构模式中，每上线一个应用服务，都要求用户对架构堆栈中每一个层次的服务进行配置和维护，这极大地拖慢了整体的流程效率，传统的架构限制了生产力的发展，于是云计算的变革悄然而至

IaaS、PaaS与SaaS

• 在IaaS架构中，应用架构底层的网络、存储和计算资源（主机、物理机或虚拟机），由云平台供应商（Cloud Provider）提供和运维。用户在云平台上付费申请所需的网络、存储和计算资源，云平台供应商在一定时间内提供。对于云平台供应商而言，集中化和规模化地运维及供给使得基础架构资源的成本更低，这是一个不可多得的商机

• PaaS平台提供了应用的运行环境（如应用运行时）、应用依赖的服务（如数据库、中间件、负载均衡、构建服务、发布服务）以及底层所需的计算资源，用户可以把精力集中在应用的开发和创新上。PaaS模式可以提高应用开发、发布和运维的整体效率，有效缩短了应用上市的时间（Time to Market）

• SaaS模式下，用户完全不用管理任何应用和基础设施，从而变成云服务的消费者

Serverless与云计算

• Serverless是云计算变革过程中的一个必然产物。Serverless架构实现的一个重要基础是函数即服务（Function as a Service，FaaS）。
• FaaS的灵活度和管理成本介于PaaS和SaaS之间。相对于PaaS而言，FaaS有更高的抽象程度和更低的管理成本。相对于SaaS来说，FaaS用户有更高的控制力和灵活度。Serverless架构是对开发和运维的一场解放运动，让用户的焦点回到用户应该关注的地方
• 云计算的不断发展是Serverless发展和流行的最大推动因素。Serverless是云计算未来发展的一个方向

微服务

从SOA到微服务

• 在SOA架构下，应用通过服务暴露功能，实现了彼此信息的交换和集成，使得通过服务的组合和编排形成新的应用系统成为可能。但是多个模块和功能仍然被包含在同一个应用中、同一个交付件中
• 微服务架构（Microservice Architecture，MSA）提倡将应用化整为零，减小颗粒度
• 大型的应用（Monolithic Application）按照一定的规则被拆分成若干个颗粒度更小的应用。这些细小的应用称为微服务（Microservice）

微服务的价值与挑战

• 微服务增加了应用架构的灵活度，为应用的开发和交付带来了价值

  • 更清晰的权责

  • 更快速的开发和交付节奏

  • 更灵活的资源扩展

• 微服务架构在带来价值的同时也带来了一些新的挑战

  • 团队组织变化：应用架构的改变也将导致开发应用的开发团队结构发生变化
  • 运维复杂度：运维管理的应用实例数将大大增加。微服务架构下工作量呈指数级增长。
  • 微服务治理：微服务之间的通信、调用链的跟踪管理、状态监控、错误跟踪排查等都需要相应的解决方案

2.2.3　Serverless与微服务

	微服务	Serverless
功能结构	最小成员单位是微服务	最小成员单位是函数
强调	化整为零，提高应用架构灵活度	强调的是“减负”，将服务器移出用户的管理职责范围，降低复杂度和成本
成本	架构上带来灵活性的同时，也增加了开发、部署和运维的复杂度	开发和运维的效率更高，管理成本更低

容器

容器技术的兴起

• 对于很多用户而言，云和非云环境并不是二选一，而是两者都需要。云和非云环境在相当长的一段时间内将同时存在。应用如何快速地在云和非云环境中迁移成为一个重要的问题。为了有更高的可用性，避免厂商的锁定，一些实力雄厚的客户往往同时是多家云平台供应商的客户。因此实现应用在不同云环境中的快速迁移也成为一个重要的需求
• 容器（Container）技术的出现为前文提及的问题提供了一个很好的解决方案。经过几年的迅速发展，容器已经不容置疑地成为云计算的一项关键基础技术。Docker（现在已经更名为Moby项目）已成为容器引擎的事实标准。Kubernetes也在竞争中脱颖而出，成为容器编排（Orchestration）平台的事实标准。通过Kubernetes这样的容器编排平台，容器镜像可以快速地被部署到成百上千的主机上。Kubernetes成为一种类似操作系统的存在，有的人认为Kubernetes就是一种云操作系统。传统的操作系统只管理一台主机上的CPU、内存、磁盘和网络资源，而Kubernetes则掌控着数据中心中成百上千台主机的资源。

Serverless与容器

• 容器架构中最小的运行单元是容器，而Serverless中则是函数。容器应用一般是预先部署，然后持续在线。而在Serverless架构中，应用是按需加载和执行的。这意味着理论上Serverless的资源使用效率更高。
• 其实，容器技术可以是Serverless架构实现的一个基础。容器平台的最小运行单元为容器，虽然目前容器内一般运行的是一个完整的应用，但是将容器内运行的对象变成函数显然并无技术困难。Kubernetes上默认没有事件触发的支持，无法做到按需部署容器应用。但是通过Kubernetes叠加上一些FaaS框架运行包含函数逻辑的容器，用户很容易使Kubernetes具备FaaS服务的能力，容器必将是未来私有云构建Serverless能力的一个重要实现基础。

PaaS

以应用为中心

• 从技术标准上而言，早期的PaaS可以说是百家争鸣，每一个厂商都有自己的一套技术堆栈，随着容器技术的流行，目前PaaS平台开始支持容器作为应用的交付件，这使得应用在各个PaaS之间有更好的可移植性。

Serverless与PaaS

• 目前一些主流的PaaS平台和Serverless平台，主要差异在于：

	PaaS	Serverless
管理颗粒度	对应用颗粒度的管理以应用为单位	细致到每个应用的函数
应用部署模式	应用是持续地被部署在主机、虚拟主机、容器	按需部署，这是Serverless的按用量付费（Pay-As-You-Use）模型的基础
作业类型	包含长时间运行的应用（如各类Web应用和业务系统）和定时执行的短期任务（如数据分析抽取任务）	偏向于执行时间跨度比较短的任务
实例	存在应用实例数这一概念的，用户需要设置每一个实例的CPU和内存的使用大小以及需要的实例数	将实例数的概念移除了

• 当前许多PaaS平台也开始支持容器，或是以容器作为技术架构的基础，如Red Hat的OpenShift就是一个以Docker和Kubernetes为基础的开源容器PaaS。基于这种容器PaaS平台，结合FaaS和BaaS框架的支持，用户可以实现私有的Serverless平台

FaaS

Serverless实现的基础

• 函数即服务（Function as a Service，FaaS）是当前Serverless实现的技术基础。每一个函数完成一个相对简单的业务逻辑，一个完整的应用由若干个函数组成。因为FaaS和Serverless的关系密切，因此FaaS的特点同时也是Serverless平台的特点：

  • 抽象了底层计算资源
  • 按使用量付费
  • 自动弹性扩展
  • 事件驱动

• FaaS是当前Serverless实现的重要基础，所以有一部分人认为Serverless就是FaaS。这是狭义上的Serverless。

FaaS的架构

• 目前，业界有多种FaaS的实现方案，如公有云的AWS Lambda、Microsoft Azure Fun-ctions、Google Cloud Functions，私有云的OpenWhisk、Fn、Kubeless等。

• 宏观来看，一个FaaS平台的架构中包含如下主要组件：

  • 函数定义（Function Definition）：一个函数实现一个业务逻辑
  • 函数实例（Function Instance）：在运行状态的应用函数的实例
  • 控制器（Controller）：负责应用函数的加载、执行等流程的管理
  • 事件（Event）：事件驱动架构中的事件
  • 事件源（Event Source）：事件驱动架构中的事件来源。可以是一个数据库中插入了新的记录，也可以是一个目录里删除了一个文件，或者是消息队列收到了新的消息
  • 触发规则（Trigger Rule）：定义事件与函数的关系及触发的规则
  • 平台服务（Platform Service）：支撑应用运行的各类底层服务，如计算资源、数据存储等

函数的生命周期

• 在FaaS上一个函数从创建到执行的生命周期
  • 用户根据所选定的FaaS平台的规范进行函数应用的开发。
  • 编写好的函数将上传至FaaS平台。平台将负责编译和构建这些函数，并将构建的输出保存。
  • 用户设置函数被触发的规则，将事件源与特定版本的函数进行关联。
  • 当事件到达且满足触发规则时，平台将会部署、编译构建后的函数并执行。平台将监控函数执行的状态，根据请求量的大小，平台负责对函数实例进行扩容和缩容

函数工作流

• 当涉及多个函数执行时，就需要有逻辑处理执行的顺序、错误重试、异常捕获以及状态传递等细节。
• 一些FaaS实现开始提供针对FaaS函数的流程编排服务或工具，以简化FaaS应用的流程编排，如AWS Step Functions和Fission Workflows

BaaS

BaaS的价值

• 后端即服务（Backend as a Service，BaaS）
• 通过BaaS平台，用户的应用程序可以对接后端的各种服务，省去了用户学习各种技术和中间件的成本，降低了应用开发的复杂度。BaaS的服务往往由服务供应商提供，用户无须关心底层细节，无须维护相关资源

广义的Serverless

• 广义的Serverless包含FaaS和BaaS两个方面。FaaS解决了应用本身的“无服务器”化，BaaS解决了应用依赖的第三方服务的“无服务器”化。当应用和其依赖的服务都实现了“无服务器”化时，这个应用才算是完整的Serverless应用。

NoOps

无人运维吗

• NoOps，中文直译为“无运维”，或许翻译为“无人运维”更为合适。知名的市场调研公司Forrester于2011年发表的报告《Augment DevOps With NoOps》中提出了NoOps这一概念。它们认为随着云计算的不断演进、IT自动化程度的不断完善、IT自服务程度的不断提高以及应用架构的自扩展和自恢复的实现，IT将进入无须人工运维的阶段

“无服务器”与“无人运维”

• NoOps和Serverless都存在“无”的概念。在Serverless架构下，运维人员不再需要关注底层的基础架构，但是还是需要有人对应用的整体运营状态进行维护。运维关注的焦点会从以往的基础架构转移到云服务和应用的运维上。运维人员有更多的时间关注对业务更有价值的地方，如服务的用户体验，而非系统宕机时间

DevOps

• DevOps是一种IT的治理理念，这种理念强调和谐的开发（Develop）和运维（Operation）的协作，以便为IT提供更可靠和更高质量的交付，从而提升IT的效率和对业务的响应速度。DevOps不仅仅是简单的工具，它还涉及一个企业或组织的文化和流程。

• Serverless架构极大地改变了应用开发、部署和运营的模式，对软件的开发、测试与运维人员的协助模式和关系产生巨大的影响。DevOps所倡导的协作、分享和精益的文化对Serverless的推行而言有着很大益处。

云原生应用

因云而生

• 云将会是主流的应用运行平台，是应用的标准运行环境。所谓的云原生应用（Cloud Native Application）是指充分利用云平台的各种功能和服务所设计的应用程序。未来的应用要充分利用云上的各种设施和功能，最大限度地加速应用的开发、部署和运营，使云的价值最大化

• 云平台是云原生应用的运行基础环境。微服务为云原生应用提供了架构层面的指导思想。容器将会是云原生应用的一种重要交付格式，保证了云原生应用的可移植性。DevOps为云原生应用的开发、交付和运营提供了思想层面的指导

Serverless与Cloud Native

• Serverless应用满足了云原生应用的定义，充分利用了云平台的各种能力，极大地提高了应用开发、交付和运维的效率。因此，Serverless应用是原生应用的一种实现，Serverless架构是用户通向云原生应用的道路之一

• 云原生计算基金会（Cloud Native Computing Foundation，CNCF）是一个专注于推广和标准化云原生技术的组织，目前成员超过100个，包括Google、Amazon、微软、阿里巴巴、华为、Red Hat、Cisco、IBM、Oracle等。云计算领域中许多备受关注的前沿项目都归属于CNCF，如容器编排平台Kubernetes、日志收集器Fluentd、高性能远程调用协议gRPC以及性能指标收集方案Prometheus等。Serverless的流行也受到了CNCF的高度关注，CNCF在2018年发布了Serverless白皮书，探讨了Serverless在云原生计算中的价值以及CNCF在Serverless领域的未来动向

小结

• 要完整认识一个事物，除研究这个事物本身之外，还要了解其所在的生态系统。Serverless是云计算变革的一个产物，是构建云原生应用的一种模式和思想。通过这种思想，结合云计算相关技术，用户可以用更低的成本构建更高性能、更易于扩展及更高可用的云应用

文献

• ThoughtWorks的Martin Fowler的文章《Micro-services Guide》地址：https://martinfowler.com/microservices/
• 《开源容器云OpenShift》
• AWSStepFunctions主页：https://aws.amazon.com/stepfunctions/
• 《Augment DevOps With NoOps》阅读地址：https://www.forrester.com/report/Augment+DevOps+With+NoOps/-/E-RES59203
• CNCF Serverless白皮书参考地址：https://github.com/cncf/wg-serverless/tree/master/white-paper

名词解释

• TTM：应用上市的时间（Time to Market）

• Microservice：微服务

• CNCF：云原生计算基金会（Cloud Native Computing Foundation）

• CNA：云原生应用（Cloud Native Application）

• DevOps：开发（Develop）和运维（Operation）

• FaaS：函数即服务（Function as a Service）

• IaaS：基础架构即服务（Infrastructure as a Service）

• PaaS：平台即服务（Platform as a Service）

• SaaS：软件即服务（Software as a Service）

• MSA：微服务架构（Microservice Architecture）

• Monolithic Application：大型的应用

• Pay-As-You-Use：按用量付费

• BaaS：后端即服务（Backend as a Service）

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