作者 | Catherine Paganini、Jason Morgan

來源 | K8sMeetup

頭圖 | 下載于視覺中國

前文介紹了如何將所有應(yīng)用程序組件作為整體來編排和管理（編排和管理層）。本文將介紹云原生全景圖的最上層：應(yīng)用程序定義和開發(fā)層。

現(xiàn)在我們來到了云原生全景圖的最上層。應(yīng)用程序定義和開發(fā)層，顧名思義，聚焦在幫助工程師構(gòu)建應(yīng)用程序并使其運行的工具上。本系列前面的文章都是關(guān)于構(gòu)建可靠安全的環(huán)境以及提供所有必需的應(yīng)用程序依賴，應(yīng)用程序定義和開發(fā)層則是關(guān)于構(gòu)建軟件。

數(shù)據(jù)庫

是什么

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是一個應(yīng)用程序，可幫助其他應(yīng)用程序高效地存儲和檢索數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫能保障數(shù)據(jù)存儲，僅授權(quán)的用戶能訪問數(shù)據(jù)，并且允許用戶通過專門的請求來檢索數(shù)據(jù)。盡管數(shù)據(jù)庫類型繁多，但它們的總體目標(biāo)都是相同的。

解決的問題

大多數(shù)應(yīng)用程序都需要有效的方式來存儲和檢索數(shù)據(jù)，并且保證數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)庫使用成熟的技術(shù)以結(jié)構(gòu)化的方式進行此操作。

如何解決

數(shù)據(jù)庫提供存儲和檢索應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的通用接口。開發(fā)人員使用這些標(biāo)準(zhǔn)接口，并用一種簡單的查詢語言來存儲、查詢和檢索信息。同時，數(shù)據(jù)庫允許用戶連續(xù)備份和保存數(shù)據(jù)以及加密和管理數(shù)據(jù)訪問權(quán)限。

對應(yīng)工具

我們已經(jīng)了解了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是一種用于存儲和檢索數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。它使用一種通用的語言和界面，并且可以被多種語言和框架輕松使用。

常見的兩種數(shù)據(jù)庫類型為：結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）數(shù)據(jù)庫和 NoSQL 數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用程序該使用哪種數(shù)據(jù)庫應(yīng)該由其需求來驅(qū)動。

Kubernetes 支持有狀態(tài)的應(yīng)用程序，近年來使用 Kubernetes 的使用越來越廣泛，我們已經(jīng)看到了利用容器化技術(shù)的新一代數(shù)據(jù)庫。這些新的云原生數(shù)據(jù)庫旨在將 Kubernetes 的擴展性和可用性優(yōu)勢引入數(shù)據(jù)庫。YugaByte 和 Couchbase 之類的工具是典型的云原生數(shù)據(jù)庫，Vitess 和 TiKV 是該領(lǐng)域的 CNCF 項目。

注意：查看此類別時會發(fā)現(xiàn)以 DB 結(jié)尾的多個名稱（例如 MongoDB、CockroachDB、FaunaDB），你可能會猜測它們代表數(shù)據(jù)庫。還有以 SQL 結(jié)尾的各種名稱（例如 MySQL 或 MemSQL）。一些是已經(jīng)適應(yīng)了云原生環(huán)境的“老派”數(shù)據(jù)庫，還有一些是兼容 SQL 的 NoSQL 數(shù)據(jù)庫，例如 YugaByte 和 Vitess。

數(shù)據(jù)流和消息傳遞

是什么

數(shù)據(jù)流和消息傳遞工具通過在系統(tǒng)之間傳輸消息（即事件）來實現(xiàn)服務(wù)到服務(wù)的通信。單個服務(wù)連接到消息傳遞服務(wù)以發(fā)布事件和（或）從其他服務(wù)讀取消息。這種動態(tài)變化創(chuàng)造了一個環(huán)境，在這個環(huán)境中單個應(yīng)用要么是發(fā)布者，即可編寫事件；要么是訂閱事件的訂閱者，或者更可能是兩者兼而有之。

解決的問題

隨著服務(wù)激增，應(yīng)用程序環(huán)境變得越來越復(fù)雜，應(yīng)用程序之間的通信編排也更具挑戰(zhàn)性。數(shù)據(jù)流或消息平臺提供了一個中心位置來發(fā)布和讀取系統(tǒng)中發(fā)生的所有事件，從而使應(yīng)用程序可以一起工作，而不必相互了解。

如何解決

當(dāng)一個服務(wù)執(zhí)行其他服務(wù)應(yīng)該知道的事情時，它會將事件“發(fā)布”到數(shù)據(jù)流或消息傳遞工具。需要了解這些事件類型的服務(wù)將訂閱并監(jiān)視數(shù)據(jù)流或消息傳遞工具。這就是“發(fā)布-訂閱”的本質(zhì)。

通過引入管理通信的“中間層”可以使服務(wù)彼此解耦。服務(wù)只是監(jiān)視事件、采取行動并發(fā)布新事件，這樣能建立高度分離的體系結(jié)構(gòu)。在此體系結(jié)構(gòu)中，服務(wù)可以協(xié)作而無需彼此了解。這種解耦使工程師能夠添加新功能，而無需更新下游應(yīng)用程序（消費者）或發(fā)送大量查詢。系統(tǒng)的解耦程度越高，更改的靈活性和適應(yīng)性就越高，而這正是工程師在系統(tǒng)中所追求的。

對應(yīng)工具

數(shù)據(jù)流和消息傳遞工具早在云原生技術(shù)成為現(xiàn)實之前就已經(jīng)存在了。為了集中管理關(guān)鍵業(yè)務(wù)事件，組織建立了大型的企業(yè)級服務(wù)總線。但是，當(dāng)我們在云原生環(huán)境中談?wù)摂?shù)據(jù)流和消息傳遞時，通常是指 NATS、RabbitMQ、Kafka 或云提供的消息隊列之類的工具。

消息傳遞和數(shù)據(jù)流傳輸系統(tǒng)為編排系統(tǒng)進行通信提供了一個中心位置。消息總線提供了所有應(yīng)用程序都可以訪問的公共位置，應(yīng)用程序都可以通過發(fā)布消息來告訴其服務(wù)它們在做什么，或者通過訂閱消息來查看正在發(fā)生的事情。

NATS 和 Cloudevents 項目都是這個領(lǐng)域的孵化項目，NATS 提供了一個成熟的消息傳遞系統(tǒng)，而 Cloudevents 則致力于標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)之間的消息格式。Strimzi，Pravega 和 Tremor 是沙盒項目，每個項目都針對數(shù)據(jù)流和消息傳遞的獨特用例進行了量身定制。

應(yīng)用程序定義和鏡像構(gòu)建

是什么

應(yīng)用程序定義和鏡像構(gòu)建是一個廣泛的類別，可以分為兩個主要的子類別：

• 聚焦于開發(fā)的工具：可幫助將應(yīng)用程序代碼構(gòu)建到容器和（或）Kubernetes 中；

• 聚焦于運維的工具：以標(biāo)準(zhǔn)化的方式部署應(yīng)用。

無論是加快或簡化開發(fā)環(huán)境，提供標(biāo)準(zhǔn)化的方式來部署第三方應(yīng)用程序，還是簡化編寫新的 Kubernetes 擴展的過程，此類別的工具都可以優(yōu)化 Kubernetes 開發(fā)和運維人員的體驗。

解決的問題

Kubernetes（或者容器化環(huán)境）非常靈活且功能強大。這種靈活性也帶來了復(fù)雜性，主要體現(xiàn)在對于各種新用例有眾多配置選項。開發(fā)人員必須將代碼容器化，并在類生產(chǎn)環(huán)境中進行開發(fā)。在快速的發(fā)布計劃周期下，運維人員需要以一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法來將應(yīng)用程序部署到容器環(huán)境中。

如何解決

該領(lǐng)域的工具旨在解決開發(fā)或運維人員面臨的一些挑戰(zhàn)。對于開發(fā)者，有一些工具可以簡化擴展 Kubernetes 的過程以構(gòu)建、部署和連接應(yīng)用程序。許多項目和產(chǎn)品可以存儲或部署預(yù)打包的應(yīng)用程序，使運維人員可以快速部署 Kafka 之類的流服務(wù)或安裝 Linkerd 之類的服務(wù)網(wǎng)格。

開發(fā)云原生應(yīng)用程序帶來了一系列全新的挑戰(zhàn)，因此需要大量多樣化的工具來簡化應(yīng)用程序的構(gòu)建和部署。當(dāng)你需要解決環(huán)境中的開發(fā)和運維問題時，可以看看此類別中的工具。

對應(yīng)的工具

應(yīng)用程序定義和構(gòu)建工具涵蓋了廣泛的功能，比如使用 KubeVirt 將 Kubernetes 擴展到虛擬機，或使用 Telepresence 之類的工具將開發(fā)環(huán)境移植到 Kubernetes 中來加速應(yīng)用程序開發(fā)等。從整體上講，該領(lǐng)域中的工具可以解決開發(fā)人員面臨的正確編寫、打包、測試或運行自定義應(yīng)用程序的問題，也可以解決運維人員面臨的部署和管理應(yīng)用程序的問題。

Helm 是該類別中唯一一個畢業(yè)的項目，為許多應(yīng)用程序部署模式奠定了基礎(chǔ)。Helm 允許 Kubernetes 用戶部署和自定義一些流行的第三方應(yīng)用程序，Artifact Hub（CNCF 沙箱項目）和 Bitnami 等項目已采用 Helm 來提供精選的應(yīng)用程序目錄。Helm 也足夠靈活，允許用戶自定義自己的應(yīng)用程序部署。

Operator Framework 是一個孵化項目，旨在簡化構(gòu)建和部署 Operator 的過程。Operator 不在本文討論范圍之內(nèi)，但請注意，它類似于 Helm，有助于部署和管理應(yīng)用程序。Cloud Native Buildpacks 是另一個孵化項目，旨在簡化將應(yīng)用程序代碼構(gòu)建到容器中的過程。

持續(xù)集成和持續(xù)交付

是什么

持續(xù)集成（CI）和持續(xù)交付（CD）工具可通過嵌入式質(zhì)量保證實現(xiàn)快速高效的開發(fā)過程。CI 通過立即構(gòu)建和測試代碼來自動化代碼變更，確保生成可部署的制品。CD 則更進一步，推動該制品進入部署階段。

成熟的 CI/CD 系統(tǒng)會監(jiān)視源代碼中的變更，自動構(gòu)建和測試代碼，然后將其從開發(fā)階段轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)階段。在此過程中，CI/CD 系統(tǒng)必須通過各種測試或驗證來決定該過程是繼續(xù)還是失敗。

解決的問題

構(gòu)建和部署應(yīng)用程序是一個困難重重且容易出錯的過程，特別是當(dāng)過程中涉及很多人為干預(yù)和手動步驟時。如果不將代碼集成到代碼庫中，開發(fā)人員在軟件上花的時間越長，識別錯誤所花費的時間就越長，問題修復(fù)也就越困難。通過定期集成代碼，可以及早發(fā)現(xiàn)錯誤并更輕松地排除故障。畢竟，在幾行代碼中查找錯誤比在幾百行代碼中查找錯誤要容易得多。

盡管 Kubernetes 之類的工具為運行和管理應(yīng)用程序提供了極大的靈活性，它們也為 CI/CD 工具帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇。云原生 CI/CD 系統(tǒng)能夠利用 Kubernetes 本身來構(gòu)建、運行和管理 CI/CD 流程（通常稱為流水線）。Kubernetes 還提供應(yīng)用程序運行狀況的信息，從而使云原生 CI/CD 工具能夠更輕松地確定給定的變更是否成功，是否需要回滾。

如何解決

CI 工具可確保開發(fā)人員引入的任何代碼更改或更新都能自動、連續(xù)地與其他更改進行構(gòu)建、驗證并集成。開發(fā)人員每次添加更新時都會觸發(fā)自動測試，確保只有良好的代碼才能將其導(dǎo)入系統(tǒng)。CD 擴展了 CI，能將 CI 流程的結(jié)果推送到類生產(chǎn)和生產(chǎn)環(huán)境中。

假設(shè)開發(fā)人員更改了 Web 應(yīng)用的代碼。CI 系統(tǒng)會看到代碼更改，然后構(gòu)建并測試該 Web 應(yīng)用的新版本。CD 系統(tǒng)獲取該新版本，并將其部署到開發(fā)、測試、預(yù)生產(chǎn)以及最終生產(chǎn)環(huán)境中。在流程的每個步驟之后測試已部署的應(yīng)用程序時，它會執(zhí)行此操作。這些系統(tǒng)一起構(gòu)成了該 Web 應(yīng)用的 CI/CD 管道。

對應(yīng)工具

隨著時間的流逝，市面上已經(jīng)有了許多工具來幫助將代碼從存儲庫移至運行最終應(yīng)用程序的生產(chǎn)環(huán)境。像大多數(shù)其他計算領(lǐng)域一樣，云原生開發(fā)的到來改變了 CI/CD 系統(tǒng)。類似 Jenkins （可能是市場上使用最廣泛的 CI 工具）的傳統(tǒng)工具已經(jīng)通過完善迭代，以更好地適應(yīng) Kubernetes 生態(tài)系統(tǒng)。Flux 和 Argo 等公司率先開發(fā)了一種稱為 GitOps 的持續(xù)交付的新方法。

通常，該領(lǐng)域的項目和產(chǎn)品是：

• CI 系統(tǒng)；

• CD 系統(tǒng)；

• 幫助 CD 系統(tǒng)確定代碼是否準(zhǔn)備好投入生產(chǎn)的工具；和（或）

• 前三者的合集（Spinnaker 和 Argo 就是如此）。

Argo 和 Brigade 是該領(lǐng)域中僅有的 CNCF 項目，但是你可以找到由持續(xù)交付基金會（Continuous Delivery Foundation）托管的更多項目。在此空間中尋找工具，可以幫助組織自動化生產(chǎn)路徑。

總結(jié)

應(yīng)用程序定義和開發(fā)層中的工具使工程師能夠構(gòu)建云原生應(yīng)用程序。該層的工具包括：

• 數(shù)據(jù)庫：存儲和檢索數(shù)據(jù)；

• 數(shù)據(jù)流和消息傳遞工具：實現(xiàn)相互分離、精心設(shè)計的架構(gòu)；

• 應(yīng)用程序定義和鏡像構(gòu)建工具：包含可改善開發(fā)人員和操作員體驗的多種技術(shù)；

• CI/CD 工具：確保代碼處于可部署狀態(tài)，并幫助工程師及早發(fā)現(xiàn)錯誤，從而確保代碼質(zhì)量。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的云原生全景图之五：应用程序定义和开发层的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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