作者：阿里集團 阿里云智能事業(yè)群 云原生應(yīng)用平臺

來源：大數(shù)據(jù)DT（ID：hzdashuju）

云原生（Cloud Native）的概念，最早是由Pivotal于2015年提出的，但是即使到了2019年上半年，國內(nèi)對其的關(guān)注依然相對有限。直到2019年9月，“云原生”才突然一躍成為行業(yè)最熱門的詞匯。

不過，時至今日，業(yè)界對于云原生的定義并沒有完全統(tǒng)一，在云原生不斷演進的過程中，衍生出了包括Pivotal、CNCF（Cloud Native Computing Foundation，云原生計算基金會）、十二因子應(yīng)用等多個版本的定義。

同時，還有不少人將云原生與容器或基于Kubernetes的微服務(wù)混為一談。還有云原生技術(shù)、云原生產(chǎn)品、云原生架構(gòu)、云原生理念等看起來意思相近的詞匯。那么云原生到底是什么？云原生會對我們的應(yīng)用開發(fā)產(chǎn)生什么樣的影響呢？

云原生可分解為“云”（Cloud）和“原生”（Native）兩個詞。這里還隱藏了一個詞——“計算”（Computing），因為云原生本質(zhì)上是一種與云計算（Cloud Computing）相同的計算方式，因此通常我們在說云原生的時候，實際上是暗指云原生計算（Cloud Native Computing）。

基于這樣的背景，下面我們將進一步探討云原生的概念及其影響。

01 云原生的概念

既然說到了云原生（計算），那么哪些計算方式不是云原生（計算）呢？要回答這個問題，同時辨析云原生的概念，我們需要先回顧云計算的發(fā)展歷史，以及與之密切相關(guān)的分布式計算的復(fù)雜性問題。

云計算的概念最先由戴爾公司于1996年提出。2006年，亞馬遜公司率先推出了彈性計算云（Elastic Compute Cloud，EC2）服務(wù)，隨后越來越多的企業(yè)開始逐步接受云計算這一概念，并將應(yīng)用逐步遷移到云端，享受這一新型計算方式帶來的技術(shù)紅利。

2009年，阿里巴巴率先開始研制具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的云產(chǎn)品——飛天操作系統(tǒng)，由此揭開了中國云計算的序幕。

縱觀軟件架構(gòu)的演化歷史可以發(fā)現(xiàn)，任何新的底層軟硬件技術(shù)出現(xiàn)后，上層應(yīng)用軟件都需要很長一段時間才能夠真正“認識”到新的軟硬件給上層應(yīng)用軟件帶來的價值，并開發(fā)新的軟件架構(gòu)，以便充分利用新軟硬件的能力。

最典型的例子就是x86 CPU和服務(wù)器在面世二十多年后，以CORBA、EJB、RPC、瘦客戶端等為主的多層架構(gòu)才逐步成為應(yīng)用開發(fā)的主流架構(gòu)。

類似的還有容器技術(shù)，它最早是由FreeBSD于2000年在Jails中提出的，但真正得到大規(guī)模應(yīng)用是在2013年Docker興起之后，而應(yīng)用層的代表則是幾年之后基于容器的微服務(wù)架構(gòu)。

對于云計算這一新基礎(chǔ)設(shè)施來說，也是如此。在2015年之前，對于大多數(shù)應(yīng)用來說，云端只是一個用于計算的場所，開發(fā)人員所要做的就是將原來在私有數(shù)據(jù)中心或IDC中的應(yīng)用，遷移到云端。在遷移的過程中，應(yīng)用無須重新編寫，只需要重新部署，因為云平臺提供的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等，完全兼容應(yīng)用遷移之前的計算環(huán)境。

• 在遷移模式中，應(yīng)用通常會將原來的物理機部署模式改成虛擬機（規(guī)格更?。┎渴鹉Ｊ剑?/span>

• 存儲則選用兼容的塊存儲或者文件存儲；

• 網(wǎng)絡(luò)使用SLB（Server Load Balancer，服務(wù)器負載均衡）替換傳統(tǒng)的負載均衡器，構(gòu)建VPC（Virtual Private Cloud，虛擬私有云）或NAT（Network Address Translation，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；

• 使用云數(shù)據(jù)庫替換原來的MySQL或SQL Server，或者自行在云上搭建Oracle數(shù)據(jù)庫。

遷移之后，應(yīng)用的整體成本（Total Cost of Ownership，TCO）因為采用了“按量付費”的模式而大幅下降，同時，企業(yè)的IT支出從CapEx （Capital Expenditure，資本性支出）模式轉(zhuǎn)變?yōu)镺pEx（Operating Expense，管理支出）模式，整個IT支出變得更可控。

如果對遷移過程進行技術(shù)分析，就會發(fā)現(xiàn)大部分應(yīng)用使用的技術(shù)或者產(chǎn)品都在進行“一對一”的替換，只有極少量應(yīng)用會基于OSS（對象存儲服務(wù)）、MaxCompute（大數(shù)據(jù)計算服務(wù)）等云服務(wù)進行部分重構(gòu)。

OSS能夠幫助解決分布式狀態(tài)的存儲問題，而MaxCompute能夠解決數(shù)據(jù)倉庫的快速搭建和成本問題。但由于沒有或者只進行了少量重構(gòu)，因此應(yīng)用的技術(shù)棧本身幾乎沒有發(fā)生變化，也就是說，軟件的架構(gòu)沒有發(fā)生變化，只是軟件運行的平臺和運維的技術(shù)體系發(fā)生了變化，即只有平臺層面的變化。

而軟件在分布式場景下需要解決的問題，包括穩(wěn)定性、組件或服務(wù)之間的數(shù)據(jù)同步、整體的高可用或容災(zāi)、CI/CD過程的自動化、資源利用率不高、端到端鏈路跟蹤等，仍然需要應(yīng)用自行解決。這些問題并不會因為應(yīng)用遷移到了云平臺就從根本上得到了解決。

當(dāng)然，各云平臺為了幫助應(yīng)用解決上述分布式復(fù)雜性問題，不斷推出各類云服務(wù)，但是由于應(yīng)用架構(gòu)本身并沒有發(fā)生變化，因此這些云服務(wù)并不能幫助應(yīng)用解決整體問題，只能從局部提升應(yīng)用的效率。

面對大量的業(yè)務(wù)需求和場景迭代，很多云平臺都提供非常專業(yè)的垂直領(lǐng)域服務(wù)，這些服務(wù)比企業(yè)基于開源自行搭建的系統(tǒng)具備更高的SLA（Service Level Agreement，服務(wù)等級協(xié)議）。

比如，在數(shù)據(jù)持久性方面，亞馬遜AWS的數(shù)據(jù)持久性可以達到99.9…%（11個9），阿里云OSS的數(shù)據(jù)持久性甚至達到了99.9…%（12個9）；在跨可用區(qū)的高可用方面，阿里云RocketMQ的高可用達到了99.95%，即使整個機房不可用也能繼續(xù)對外提供消息服務(wù)。

• 如果不是應(yīng)用的所有存儲訪問代碼都在S3或OSS上重構(gòu)，那么“木桶效應(yīng)”就會凸顯，即整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)持久性將取決于能力最差的組件；

• 如果應(yīng)用不是將所有自持的開源組件都遷移到云平臺上，那么當(dāng)一個機房出現(xiàn)故障時，應(yīng)用仍然會出現(xiàn)高可用性的問題；

• 如果應(yīng)用不是基于FaaS（Function as a Service，功能即服務(wù)）技術(shù)開發(fā)的，那么應(yīng)用仍然需要自行解決單個組件不可用時的Fail Over（失效轉(zhuǎn)移）以及故障恢復(fù)時的Fail Back（失效后自動恢復(fù)）等問題。

可見，應(yīng)用遷移到云上并不代表從此以后就高枕無憂了，如果應(yīng)用本身沒有基于“新”的云服務(wù)進行重構(gòu)，而是繼續(xù)采用“老”的架構(gòu)，那么即使業(yè)務(wù)運行沒有問題，應(yīng)用也不能充分利用“新”的云運行環(huán)境的能力。

因為這些架構(gòu)是為了“老”的分布式運行環(huán)境而設(shè)計的，不是“云原生的”，所以需要對這些架構(gòu)以及圍繞這些架構(gòu)建立的技術(shù)棧、工具鏈、交付體系進行升級，依托于云技術(shù)棧將其重新部署、部分重構(gòu)甚至全部重寫，才能將應(yīng)用變成“云原生的”，從而保證能夠充分利用云計算的能力。

為了讓應(yīng)用能夠更好地使用云的PaaS平臺能力開發(fā)SaaS（Software as a Service，軟件即服務(wù)），Heroku于2011年提出了十二因子應(yīng)用的概念。十二因子應(yīng)用適用于任何編程語言，通常被認為是最早的云原生應(yīng)用的技術(shù)特征，詳情請參考：

http:///zh_cn/

之后，Pivotal于2015年明確地提出了云原生的概念，指出云原生是一種可以充分利用云計算優(yōu)勢構(gòu)建和運行應(yīng)用的方式。

在經(jīng)過CNCF的修改后，最新版云原生的定義為：

云原生技術(shù)有利于各組織在公有云、私有云和混合云等新型動態(tài)環(huán)境中構(gòu)建和運行可彈性擴展的應(yīng)用。云原生的代表技術(shù)包括容器、服務(wù)網(wǎng)格、微服務(wù)、不可變基礎(chǔ)設(shè)施和聲明式API。這些技術(shù)能夠構(gòu)建容錯性好、易于管理和便于觀察的松耦合系統(tǒng)。結(jié)合可靠的自動化手段，云原生技術(shù)使工程師能夠輕松地對系統(tǒng)做出頻繁和可預(yù)測的重大變更。

上面三個主流的定義，分別從頂層架構(gòu)原則、計算模型和代表技術(shù)的角度，對云原生進行了描述。這些定義的共同點是它們都將云原生看作一種新的計算方式，讓應(yīng)用能夠充分使用云的計算優(yōu)勢。

進一步分析這些定義所體現(xiàn)出的技術(shù)觀點，我們可以達成這樣一個共識：只有結(jié)合云原生所提供的云服務(wù)，改造應(yīng)用的架構(gòu)，才能夠更好地使用云原生技術(shù)，更好地構(gòu)建彈性、穩(wěn)定、松耦合的分布式應(yīng)用，并解決分布式復(fù)雜性問題。

此外，對架構(gòu)的改造還意味著相關(guān)的開發(fā)模式、交付方式、運維方式等都要隨之改變，比如，采用微服務(wù)架構(gòu)重寫應(yīng)用，用聲明式API和自動化工具升級運維方式，等等。簡單來說，云原生使得整個軟件的生產(chǎn)流水線都發(fā)生了巨大的變化，而具體的變化程度又取決于企業(yè)對云原生的使用情況。

實際上，云原生的范圍還不止于此。要正確實施云原生這一新計算模式，還需要企業(yè)的IT決策者、架構(gòu)師、開發(fā)人員與運維人員正確理解和應(yīng)用云原生的理念，利用合適的云原生技術(shù)及產(chǎn)品。有太多的反例可以證明，僅靠單邊的技術(shù)升級是很難讓云原生升級產(chǎn)生價值的。

云原生相關(guān)概念之間的關(guān)系如圖1-1所示。

▲圖1-1 云原生相關(guān)概念之間的關(guān)系

在圖1-1中，現(xiàn)代化應(yīng)用在不少場合與云原生應(yīng)用的概念是等同的，因為它們的很多特征都是相似的，比如，都采用了容器技術(shù)打包和交付，都具備很強的彈性能力等。這兩個概念的細微差別在于：現(xiàn)代化應(yīng)用可以與云相關(guān)，也可以與云不相關(guān)；而云原生應(yīng)用通常都與云相關(guān)。

所以云原生（或者說云原生計算）應(yīng)當(dāng)包括云原生技術(shù)、云原生產(chǎn)品、云原生架構(gòu)以及構(gòu)建現(xiàn)代化應(yīng)用的開發(fā)理念，如DevOps，具體說明如下。

1. 云原生產(chǎn)品和云原生技術(shù)需要基于公有云、私有云或混合云的云基礎(chǔ)設(shè)施（IaaS）。

2. 云原生架構(gòu)和云原生開發(fā)理念是基于云原生技術(shù)和產(chǎn)品構(gòu)建或?qū)崿F(xiàn)的。注意，對于不是基于云原生技術(shù)或者產(chǎn)品的架構(gòu)和理念，如基于傳統(tǒng)物理服務(wù)器發(fā)布、構(gòu)建的DevOps，是不會被劃分到云原生范疇的。

3. 現(xiàn)代化應(yīng)用和云原生應(yīng)用是基于云原生的架構(gòu)和開發(fā)理念構(gòu)建或?qū)崿F(xiàn)的。

02 云原生是云計算的趨勢

如今，云計算已經(jīng)成為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新的基礎(chǔ)設(shè)施，同時也是國家“新基建”的核心環(huán)節(jié)，是物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的賦能平臺。從市場發(fā)展趨勢看，云計算將是未來IT的主流。

根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，未來云計算市場規(guī)模仍將保持20%以上的增長速度，到2025年，預(yù)計將有80%（2020年僅為10%）的企業(yè)會關(guān)掉自己的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，轉(zhuǎn)向云平臺。

2019年，我國云市場總規(guī)模達到了1334億元，同比增長38%，其中，公有云市場規(guī)模達到689億元，私有云市場規(guī)模達到645億元。在2020年年初，我國各行業(yè)對遠程辦公、遠程教育等的需求持續(xù)增長，預(yù)計到2022年，我國云市場總規(guī)模將突破3000億元。

此外，根據(jù)工業(yè)和信息化部提出的企業(yè)上云工作目標，2020年云計算將在各個行業(yè)廣泛普及，全國上云企業(yè)將新增100萬家。

從技術(shù)發(fā)展趨勢看，更多企業(yè)將會廣泛應(yīng)用云原生技術(shù)。在國家政策和企業(yè)需求的雙重驅(qū)動下，更多企業(yè)會選擇上云，中國云計算的強勢增長是必然趨勢，這也注定了更多企業(yè)將會關(guān)注、應(yīng)用、采納能夠充分利用云計算能力的云原生技術(shù)和產(chǎn)品。

據(jù)Gartner預(yù)測，到2023年，全球70%的企業(yè)都將在生產(chǎn)中運行三個或更多的容器化應(yīng)用。

據(jù)中國信息通信研究院（簡稱信通院）統(tǒng)計，2019年43.9%的被訪企業(yè)表示已使用容器技術(shù)部署業(yè)務(wù)應(yīng)用，另外計劃使用容器技術(shù)部署業(yè)務(wù)應(yīng)用的企業(yè)占比為40.8%；28.9%的企業(yè)已使用微服務(wù)架構(gòu)進行應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，還有46.8%的企業(yè)計劃使用微服務(wù)架構(gòu)。

從軟件開發(fā)角度看，云原生技術(shù)為企業(yè)帶來了更快進行業(yè)務(wù)創(chuàng)新的價值。越來越多的企業(yè)逐漸意識到了云服務(wù)的專業(yè)性和高SLA，這些企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中將IaaS和PaaS的通用技術(shù)復(fù)雜性委托給了云平臺，從而能夠更好地專注于自身業(yè)務(wù)邏輯的創(chuàng)新。

利用云原生技術(shù)重塑企業(yè)的軟件生產(chǎn)流水線，可以加大業(yè)務(wù)組件的復(fù)用程度，將軟件交付周期從周、天降低到小時甚至分鐘級別，從而提升業(yè)務(wù)的市場嗅覺靈敏度，增強市場反應(yīng)能力。

從應(yīng)用技術(shù)棧角度看，越來越多的企業(yè)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)無法滿足數(shù)字化業(yè)務(wù)的需要，所以會對應(yīng)用進行徹底升級，會更多地采用云原生技術(shù)和云原生架構(gòu)作為構(gòu)建現(xiàn)代化應(yīng)用的核心框架，從而幫助企業(yè)打造具備彈性、韌性、可觀測性、API驅(qū)動、多語言支持、高度自動化、可持續(xù)交付等特性的現(xiàn)代化應(yīng)用軟件。

03 云原生是云計算的再升級

從云原生的定位可以看到，云原生包含大量新的PaaS層技術(shù)和新的開發(fā)理念，是釋放云計算價值的最短路徑，也推動著云計算的再升級。

整個云原生技術(shù)棧都是基于開源、開放的技術(shù)標準。CNCF也在致力于云原生技術(shù)的標準化，為云原生技術(shù)和產(chǎn)品的用戶提供使用云服務(wù)的標準界面，同時避免了廠商鎖定。

進一步看基于云原生技術(shù)和云原生架構(gòu)重構(gòu)或重寫的應(yīng)用，比如，基于服務(wù)網(wǎng)格或無服務(wù)器技術(shù)（Serverless）的應(yīng)用，它們天然具備水平擴展的能力，可隨時應(yīng)對互聯(lián)網(wǎng)時代高速增長的業(yè)務(wù)規(guī)模，同時還內(nèi)置了高可用能力，所以應(yīng)用無須關(guān)注分布式環(huán)境下的高可用方案。

• 對于云平臺而言，云原生技術(shù)也催生了諸如阿里云新一代神龍、AWS Nitro系統(tǒng)之類的架構(gòu)升級，使得新的計算基礎(chǔ)設(shè)施能夠為應(yīng)用提供更高的性能、彈性和計算密度；

• 云存儲能夠幫助企業(yè)實現(xiàn)存儲計算分離，避免分布式環(huán)境下多副本存儲，同時還具備自定義密鑰加密落盤的高級安全特性；

• 基于硬件offload（卸載，通過硬件提供加速功能）的網(wǎng)絡(luò)在overlay（一種在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上疊加的虛擬化技術(shù)）的場景下為應(yīng)用提供千萬級PPS（Packet Per Second，數(shù)據(jù)包/秒，寬帶速率）的SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）能力。

所以，云原生不僅是對使用云的應(yīng)用架構(gòu)的再升級，也是對云平臺的技術(shù)和云服務(wù)的再升級。從構(gòu)建現(xiàn)代化應(yīng)用的角度，我們可以發(fā)現(xiàn)，云原生對應(yīng)用的重構(gòu)體現(xiàn)在應(yīng)用開發(fā)的整個生命周期中。