云原生2.0白皮书（2021）

Posted 2021-07-11 全栈云技术架构

云原生是近几年云计算领域炙手可热的话题，云原生技术已成为驱动业务增长的重要引擎。同时，作为新型基础设施的重要支撑技术，云原生也逐渐在人工智能、大数据、边缘计算、5G 等新兴领域崭露头角。伴随各行业上云的逐步深化，云原生化转型进程进一步加速。

云原生的技术理念始于 Netflflix 等厂商从 2009 年起在公有云上的开发和部署实践。2015 年云原生基金会 CNCF 成立，标志着云原生从技术理念转化为开源实现，并给出了目前被广泛接受的定义：云原生技术有利于各组织在公有云、私有云和混合云等新型动态环境中，构建和运行可弹性扩展的应用。云原生的代表技术包括容器、服务网格、微服务、不可变基础设施和声明式 API。

CNCF 致力于通过培养和维持一个开源、供应商中立的项目生态系统来推动云原生技术的广泛采用，进而实现让云原生无处不在的愿景。CNCF 对云原生的定义让云原生的概念进一步具体化，从而让云原生更容易被各行业理解，为云原生在全行业广泛应用奠定了基础。过去几年中，云原生关键技术正在被广泛采纳，CNCF 调查报告显示，超过 8 成的用户已经或计划使用微服务架构进行业务开发部署等，这使得用户对云原生技术的认知和使用进入新的阶段，技术生态也在快速的更迭。

来源：https://landscape.cncf.io

CNCF 成立 5 年多来，开源为云原生技术带来了前所未有的发展浪潮，极大的加速了云原生在全球范围内快速应用和发展。云原生技术生态也日趋完善，细分项目不断涌现。相较于早年的云原生技术生态主要集中在容器、微服务、DevOps 等技术领域，现如今的技术生态已扩展至底层技术、编排及管理技术、安全技术、监测分析技术、大数据技术、人工智能技术、数据库技术以及场景化应用等众多分支，初步形成了支撑应用云原生化构建的全生命周期技术链。同时细分领域的技术也趋于多元化发展，CNCF 的云原生开源版图，由开始单一的容器编排项目 Kubernetes，发展到如今 5大类 100 多个项目的，Kubernetes 已经成为云原生的操作系统，在其上发展出面向各行业、不同功能、不同应用场景的开源项目，Spark、Flink、Kafka、Redis 等开源项目也陆续加入 CNCF 的云原生技术图谱，进一步完善了云原生技术生态。

云原生开源项目从基础的容器引擎出发，不断扩展应用领域，对边缘、异构等各类场景的适配能力不断深入。从早期开源的容器引擎项目 Docker，到实现容器高效编排的 Kubernetes、Swarm、Mesos，再到为了更好的解决微服务治理的难题，基于 Service Mesh 技术推出的 Istio，以及针对边缘场景推出的 KubeEdge、K3s、OpenYurt，面向高性能异构计算场景的 Volcano 等项目，无一不成为加速云原生与行业融合、推动各行业创新的助推器。

开源项目的不断更新和逐步成熟，也促使各企业在 AI、大数据、边缘、高性能计算等新兴业务场景不断采用云原生技术来构建创新解决方案。

云原生技术与边缘计算相结合，可以比较好的解决传统方案中轻量化、异构设备管理、海量应用运维管理的难题，如目前国内最大的边缘计算落地项目——国家路网中心的全国高速公路取消省界收费站项目，就使用了基于云原生技术的边缘计算解决方案，解决了 10 万 + 异构设备管理、30 多万边缘应用管理的难题。主流的云计算厂商也相继推出了云原生边缘计算解决方案，如华为云智能边缘平台 IEF、AWS的 GreenGrass、阿里云的 ACK@Edge 等等。

云原生在高性能计算（HPC）领域的应用呈现出快速上升的势头。云原生在科研及学术机构、生物、制药等行业率先得到应用，例如欧洲核子研究中心（CERN）、中国科学院上海生命科学研究院、中国农业大学、华大基因、未来组等单位都已经将传统的高性能计算业务升级为云原生架构。为了更好的支撑高性能计算场景，各云计算厂商也纷纷推出面向高性能计算专场的云原生解决方案，比如华为云推出的云原生高性能计算解决方案、AWS 推出了可运行在容器平台的 Batch 服务。

云原生与商业场景的深度融合，不仅为各行业注入了发展与创新的新动能，也促使云原生技术更快发展、生态更加成熟。简单来看，企业 IT 建设所依赖的基础资源经历了从服务器到云化资源的发展历程，正在快速进入云原生阶段。

企业数字化转型初期，主要是将业务从线下搬迁上云，在这一阶段企业主要是的把业务简单部署和运行在云上，可以称之为 ON CLOUD。这种形态下，通过资源池云化，解决了 IDC 时代运维、部署、扩容的难题，但传统应用单体架构厚重、烟囱式架构等带来的一系列应用层面的问题并没有得到有效解决，云对业务的价值主要还停留在资源供给的阶段，无法充分发挥出云的价值。

云原生 2.0 参考架构

随着企业数字化转型的深入，企业需要充分享受云计算带来的红利，需要让业务能力生于云、长于云，由现在的ON CLOUD 进阶到 IN CLOUD，同时基于云构建的新生能力与既有能力有机协同、立而不破。生于云是指基于云原生的技术、架构和服务来构建企业应用，长于云是指充分利用云的优势来助力企业应用和业务发展，将企业的数字化建设、业务智能升级带入新阶段，我们称之为云原生 2.0 时代。

经过十几年的发展，云计算作为数字化转型的重要基础设施，已经由“面向云迁移应用”的阶段演进到“面向云构建应用”的阶段，即由“以资源为中心”演进到“以应用为中心”的云原生基础设施阶段。

随着人工智能、5G、HPC、边缘计算等新业务的逐渐落地和普及，对算力多样化提出了更高的要求。针对特定的业务场景采用专有的硬件可以提供更好的计算效能，越来越多的异构计算硬件如 GPU、FPGA、ASIC、SoC 等被应用到专有的领域。云原生 2.0 时代，基础设施的特征之一就是向下统一管理和支持各种异构硬件，向上屏蔽底层多种硬件的差异性。真正做到以应用为中心，应用无需关心底层的硬件设备，无需针对特定硬件做任何特殊处理。

传统高性能计算 (HPC) 领域广泛采用 InfifiniBand 技术获得高吞吐和低时延的无损网络通讯能力，但这一技术体系专用网络硬件成本高昂、组网规模不可扩展、技术演进缓慢，无法满足云原生时代的平民化可支付、高弹性大规模使用要求。领先的云厂商开始基于智能网卡的可编程和卸载能力，对无损网络通讯协议进行了重新设计，在主机侧智能网卡中采用创新的拥塞控制算法，在大大降低丢包发生概率的同时，保持转发队列的低水位，从而兼顾大带宽和低时延要求，并且也去除了对 PFC 的依赖，利用普通的以太网交换设备就可以实现大规模组网，解决了横向扩展的问题。

以 AWS SRD 和华为云 CurreNET 为代表的高性能协议栈技术在高性能计算（100G）和低时延云存储（10 微秒级时延）技术领域取得突破。未来高性能网络通讯协议在云原生领域的应用将不再局限于传统的高性能计算和存储领域，会在扩展至更广泛的云原生技术和行业应用中，如：ServiceMesh、 云原生的中间件（内存数据库，消息中间件等）等技术，云视频、云原生的金融交易等行业。

如今各个云服务厂商大力推广的 Serverless 计算，能在很大程度上提高用户的灵活性和创新能力，使用户可以在不考虑服务器的情况下构建并运行应用程序和服务，消除管理基础设施的压力。但当前的 Serverless 架构仍被限定在某个Region 内，大部分的云服务厂商仍依据成本，用户量等因素在不同的地域（Region）建设资源，用户再根据业务、成本、性能等因素选择相应 Region 的资源提交作业。

随着用户业务量的增长，多 Region 投递任务的管理能力也成为一个重要的考量因素，尤其考虑到不同 Region 的建设、运维、商业成本差异。全域调度（Regionless）是面向跨 Region 场景的下一代无服务计算（Serverless 2.0）。

根据业务请求、资源成本等因素在多个 Region 中选择最合适的资源池来处理客户的计算任务，并且支持多种任务投递策略，满足客户各种业务场景下的诉求，比如成本优先、速度优先、指定时间执行等等。全域调度不仅能够通过全局资源的调配来达到降本增效的目的，还能将用户从多 Region 的管理与运维中解放出来，让客户聚焦到业务本身，提供真正的 Serverless 体验。

云原生技术更多内容，请参考“云原生2.0白皮书“，白皮书下载链接和目录如下：

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