微服务容器化、编排与服务网格技术全解析

### 微服务容器化、编排与服务网格技术全解析 在构建基于微服务的架构时，不可变性和即时性是优先选择容器而非虚拟机（VM）的关键原因。下面将详细介绍容器化、容器编排、云服务提供商的容器管理服务以及服务网格等相关内容。 #### 1. 微服务容器化 容器化应用是一种嵌入了应用程序及其所需的一切（操作系统、库和配置）的容器镜像，允许独立、即时和按需实例化。这些镜像由多个层组成，例如： 1. 第1层：基础操作系统层 2. 第2层：基础操作系统层 + 企业工具 3. 第3层：基础操作系统层 + 企业工具 + 应用程序二进制文件 4. 第4层：基础操作系统层 + 企业工具 + 应用程序二进制文件 + 应用程序 分层结构使得构建时间更快。例如，如果只有应用程序是新的，只需将其添加到第3层即可。容器化概念已有十多年历史，在2010年代中期由Docker推向主流。Docker不仅代表容器技术，也是背后的公司，它创造了容器化应用的概念。Docker容器运行时是无状态、不可变的实例，运行在易失性空间中，非常符合微服务精简、快速和无状态的原则，这促使大多数企业选择将微服务作为Docker容器运行。 通常，开发微服务的工程团队会设置构建管道，将源代码转换为容器。典型的构建管道包括以下步骤： - 从代码仓库检出代码，编译代码，进行静态检查，将其转换为可运行格式的二进制文件。 - 对二进制文件进行版本控制，并将其存储在工件仓库中。 - 下载二进制文件，通过添加环境信息将其转换为容器镜像，并创建容器。 - 检查容器镜像是否存在安全漏洞，对其进行版本控制，并将其存储到容器注册表中。 需要注意的是，容器并不等同于Docker，还有rkt、lxc和containerd等其他选项。但由于Docker是事实上的容器化标准，这里主要关注其一般功能和原则。在进行云迁移之前，建立自动化流程尤为重要。在容器世界中，选定的候选版本应该被锁定，以确保微服务及其环境以二进制形式被冻结和标记，同时保证应用程序镜像具有以下特性： - **可移植性**：镜像可以在从开发者机器到本地或云端的生产服务器的任何地方下载和运行。 - **可预测性**：不仅应用程序的行为，其环境的行为也是已知且可追溯的。 - **高性能**：部署、取消部署、回滚等许多过程都非常快速。 尽管容器化在过去十年中经历了大量的研究、发展、标准化和改进，但也有一些需要注意的地方。一方面，在某些计算场景下，容器中的应用程序并不总是比VM更快，例如在与存储交互密切的重I/O操作中，VM表现更好。另一方面，不安全的容器化应用（或容器本身）造成的损害可能比VM更严重，因为容器与主机操作系统内核共享更多内容。不过，这些问题并不妨碍容器化的使用，工程师们正在努力改进容器和操作系统内核，以实现更严格的安全性和更好的性能。 #### 2. 容器编排 容器作为进程在主机操作系统上运行，模拟整个机器。虽然它们在资源效率方面有显著提升，但仅靠容器本身并不是一个完整的解决方案。当尝试大规模运行基于容器的应用程序时，会出现许多复杂情况。例如，一个拥有超过40个微服务、产生超过一百个容器的Energence家庭平台，仅靠手动脚本无法管理容器的供应、监控、可用性、可扩展性、负载均衡等。因此，需要手动或自动化的流程来管理容器的生命周期，包括创建、复制、监控、退役和销毁。 为了有效利用云的能力，需要一个可编程的基础设施来处理以下任务： - **创建**：在底层计算引擎上配置、准备、调度和启动容器。 - **设置和监控**：将容器连接到网络，设置流量流，并监控其健康状况。 - **重新创建**：销毁失败的容器，将其从网络中移除，并创建新实例进行替换。 此外，还需要控制容器实例的扩展（或缩减），并在容器实例启动时设置连接和路由流量。随着新容器的创建和旧容器的退役，流量路由是一个持续的活动。 成熟的架构包含数百个微服务，每个微服务可能有一到几十个副本。管理如此大量的容器生命周期是一项艰巨的任务，因此出现了Kubernetes、Mesos和Docker Swarm等平台，它们能够大规模管理容器的生命周期。 典型的容器编排平台通常由以下组件组成： - **人工集群**：建立在许多虚拟或物理机器上，这些机器称为节点。 - **控制器**：集中控制各种容器的生命周期，通常提供命令行或API端点，用于提交配置、拓扑和其他规范。 - **代理**：每个节点上可能存在代理，用于本地管理节点，并允许集中控制器管理节点上的进程和容器实例。 - **虚拟网络**：覆盖在节点之间的基本网络之上，确保运行的容器实例所需的地址和其他物理网络特征被抽象化，容器无需知道其他容器实例运行在哪台物理机器上。 典型的容器编排过程如下： 1. 构建过程向容器编排平台提交请求，指定部署的拓扑细节，如容器镜像在容器注册表中的坐标（名称、版本等）、需要运行的副本数量、要暴露和消费的服务端点以及环境配置。 2. 容器编排平台接收请求后，执行以下操作： - 从容器注册表中拉取适当的容器镜像。 - 规划运行指定数量的容器实例所需的计算能力。 - 尝试根据性能和可用性保证找到并分配资源。 - 调度并启动容器镜像作为运行进程。 - 定期探测运行中的容器，直到它们准备好接收流量。 - 一旦准备好，转移流量并有效地按指定方式启用容器镜像，并尝试自我修复。 除了初始配置，编排平台