云原生應用開發(fā)與部署面臨的挑戰(zhàn)及其應對方案

摘要：隨著云計算的發(fā)展和普及，云原生應用作為一種新的應用開發(fā)和部署方式備受關注，以其高度的可擴展性、可移植性和彈性成為現(xiàn)代云環(huán)境下的首選開發(fā)模式。文章首先分析了微服務架構管理的復雜性、持續(xù)集成與持續(xù)部署（CI/CD）的自動化難題及跨多云和混合云環(huán)境下存在的兼容性問題等帶來的挑戰(zhàn)，并提出應對方案;其次采用Kubernetes進行統(tǒng)一的微服務管理，利用開源工具實現(xiàn)CI/CD自動化流程，以及設計跨云應用的統(tǒng)一部署策略;最后分析和總結云原生應用的發(fā)展趨勢，為軟件工程在應用開發(fā)與持續(xù)部署領域提供了有益的參考和啟示。關鍵詞：云原生應用;微服務;持續(xù)集成與持續(xù)部署（CI/CD）;Kubernetes;跨云部署0引言（Introduction）隨著云計算技術的蓬勃發(fā)展，一種新的應用開發(fā)與部署模式———云原生應用逐漸成為研究熱點，受到業(yè)界的廣泛關注[1]。云原生應用具備的彈性、可移植性及高度的可擴展性等特點使其成為現(xiàn)代云環(huán)境下的首選開發(fā)模式，在現(xiàn)代軟件工程領域中占據(jù)了不可替代的地位，但云原生應用在興起的同時也面臨一系列開發(fā)與部署方面的挑戰(zhàn)，例如微服務架構的管理具有一定的復雜性、持續(xù)集成與持續(xù)部署（CI/CD）的自動化難度大及跨多云和混合云環(huán)境的兼容性問題還未解決等，成為阻礙其進一步普及應用的關鍵因素。目前，很少有綜述性的文獻研究云原生應用開發(fā)與部署面臨的挑戰(zhàn)及應對方案，如何解決這些問題并將這種開發(fā)模式全面推廣到社會應用化大生產(chǎn)中，以釋放云原生應用的真正潛力，成為學者和工程師們亟待探討的問題?；诖?，本文主要圍繞云原生應用開發(fā)與部署過程中面臨的挑戰(zhàn)進行了深入的分析，并提出了應對策略，希望能為相關研究者和技術應用工程師提供有益的參考。1云原生應用的核心特性及其對開發(fā)與部署的影響（Thecorefeaturesofcloudnativeapplicationsandtheirimpactondevelopmentanddeployment）云原生應用是近年來隨著云計算技術逐漸成熟而興起的一個概念，代表一種新的應用開發(fā)和部署方式。在云原生應用這種模式下，應用被設計成在云環(huán)境中運行，充分利用了云的彈性、可擴展性和可分布式處理等特性。（1）云原生應用的核心特性之一是它的微服務架構。與傳統(tǒng)的單體應用不同，微服務架構將應用分解為一組小型、自治、可獨立部署的服務，這種分解使得應用的開發(fā)、部署和維護更為簡便，同時支持更為靈活的擴展。但與此同時，云原生應用的廣泛應用也帶來了服務間通信、數(shù)據(jù)一致性和事務管理等多方面的一系列更加復雜的問題。（2）容器化是云原生應用的另一個核心特性。容器提供了一個隔離的環(huán)境，使應用可以在其中運行而不受外部環(huán)境的干擾。Docker和Kubernetes等技術的興起，使得容器的管理、編排和部署變得更加簡單[2]。容器化使應用的部署和遷移更快捷，可以輕松地從一個環(huán)境遷移到另一個環(huán)境，如從開發(fā)環(huán)境遷移到生產(chǎn)環(huán)境。（3）云原生應用通常設計為無狀態(tài)或將狀態(tài)分離。這意味著應用的邏輯和數(shù)據(jù)存儲是分離的，可以讓應用更容易地擴展和遷移，不必擔心數(shù)據(jù)的同步問題，但也面臨數(shù)據(jù)管理和持久化的挑戰(zhàn)[3]。表1總結了云原生應用的核心特性及其在開發(fā)和部署方面的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)。（4）云原生應用的開發(fā)和部署需要考慮多云和混合云，這意味著應用可能需要在不同的云服務提供商之間遷移，或者在私有云和公有云之間遷移。雖然這為應用提供了更大的靈活性，但是也帶來了兼容、數(shù)據(jù)遷移和網(wǎng)絡連接等方面的問題。綜上所述，云原生應用的核心特性為其在現(xiàn)代軟件開發(fā)中提供了巨大的優(yōu)勢，但也帶來了開發(fā)和部署上的一系列挑戰(zhàn)[4]。2微服務架構在云原生應用中的應用與管理挑戰(zhàn)（Applicationandmanagementchallengesofmicroservicearchitectureincloudnativeapplications）微服務架構作為云原生應用中的一個核心組成部分，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代軟件開發(fā)的標準，它可以將大型復雜的應用拆分為多個獨立、松散耦合的服務，每個服務都執(zhí)行特定的業(yè)務功能，并可以獨立開發(fā)、部署和擴展。這種模式為企業(yè)的微服務架構帶來了更快的迭代、更好的可擴展性和更高的容錯性。與此同時，微服務架構也給開發(fā)和運維團隊帶來了一系列新的挑戰(zhàn)[5]。在微服務架構中，服務間的通信變得尤為關鍵。云原生應用中的通信經(jīng)常采用輕量級的協(xié)議，如REST或gRPC。但隨著服務數(shù)量的增加，跟蹤和管理這些服務間的通信變得越來越困難。例如，如何保證服務間數(shù)據(jù)的一致性、如何處理網(wǎng)絡延遲或失敗、如何保證通信的安全性等，都是開發(fā)者必須解決的問題[2]。此外，服務發(fā)現(xiàn)和負載均衡也是微服務架構面臨的重要挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的單體應用中，所有組件都在同一個進程中運行，而在微服務架構中，每個服務可能有多個實例分布在不同的主機或容器中。這就要求有一種機制確保請求被正確地路由到可用的服務實例，并在服務實例之間進行負載均衡。如表2所示列出了微服務架構在云原生應用中面臨的幾個關鍵挑戰(zhàn)及其潛在影響。為了應對表2中的挑戰(zhàn)，經(jīng)常采用一些先進的工具和方法。例如，使用Kubernetes解決服務發(fā)現(xiàn)和負載均衡問題，Kubernetes內(nèi)置了服務發(fā)現(xiàn)和負載均衡的機制。服務網(wǎng)格技術Istio和Linkerd可以跟蹤服務間的通信，為微服務提供了統(tǒng)一的通信層[6]。盡管以上工具和方法的應用可以提高云原生應用的技術性能，但對其微服務架構的管理仍然是一項復雜的任務，例如如何設計服務的粒度、如何確保服務的獨立性和自治性、如何處理跨服務的數(shù)據(jù)和事務一致性等，要解決微服務架構在云原生應用中的關鍵問題，需要開發(fā)者和運維團隊具備扎實的基礎知識和豐富的工作經(jīng)驗。3持續(xù)集成與持續(xù)部署（CI/CD）在云原生環(huán)境中的實踐與難點（Thepracticeanddifficultiesofcontinuousintegrationandcontinuousdeployment（CI/CD）incloudnativeenvironment）持續(xù)集成與持續(xù)部署（ContinuousIntegration/ContinuousDelivery，CI/CD）是現(xiàn)代軟件開發(fā)中的關鍵環(huán)節(jié)，它為開發(fā)團隊提供了一種快速、可靠的方式集成和部署代碼。在云原生的環(huán)境中，CI/CD更為關鍵，因為云原生應用經(jīng)常需要在多個環(huán)境中部署、擴展和運行。然而在實踐中，CI/CD在云原生環(huán)境中面臨以下難題[7]。（1）云原生應用的微服務架構需要部署大量的服務和組件，要求CI/CD流程能夠支持多服務的部署，同時確保服務間的依賴關系得到正確的管理。例如，當一個服務的新版本部署后，它可能需要與其他服務進行通信，這就要求這些服務能夠與新版本的Web系統(tǒng)更新兼容。（2）云原生環(huán)境的動態(tài)和彈性特性意味著CI/CD流程需要處理動態(tài)的資源分配、服務發(fā)現(xiàn)和負載均衡。例如，當新的服務實例啟動或關閉時，CI/CD工具需要自動將它們添加到服務器或從負載均衡器中移除。（3）云原生應用常常部署在多云或混合云的環(huán)境中，這就要求CI/CD工具能夠支持多種云服務提供商的API，例如AWS、MicrosoftAzure和GoogleCloudPlatform的服務、API和部署模型都不相同，但是CI/CD流程需要適應這些差異。表3列出了CI/CD應用于云原生環(huán)境中的主要問題及其可能造成的影響。為了解決這些問題，許多CI/CD工具和平臺已經(jīng)開始為云原生環(huán)境提供特定的特性支持和插件。例如，Jenkins、TravisCI和CircleCI都提供了對容器和Kubernetes的原生支持，使開發(fā)者能夠輕松地構建、測試和部署云原生應用。開發(fā)和運維團隊需要密切合作，確保CI/CD流程與云原生應用的特性和需求相匹配。此外，開發(fā)團隊需要不斷地學習和掌握新的技術和方法，以滿足不斷變化的業(yè)務和技術需求[8]。4跨多云和混合云環(huán)境下的應用部署策略與面臨的挑戰(zhàn)（Applicationofdeploymentstrategiesandchallengesacrossmulti-cloudandhybrid-cloudenvironments）跨多云和混合云環(huán)境是企業(yè)應用部署的發(fā)展趨勢，它們提供了強大的靈活性、冗余性和自由度。多云策略允許組織跨多個公有云服務提供者部署應用，而混合云策略結合了公有云和私有云（或傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心）的優(yōu)勢，但在實施這些策略的過程中，開發(fā)和運維團隊也面臨一系列新的挑戰(zhàn)[9]。4.1跨多云和混合云環(huán)境中組件與架構設計模仿SSM（Spring、SpringMVC、MyBatis的縮寫）是目前JavaEE企業(yè)級開發(fā)中最受歡迎的框架、組件的有序集合，擁有功能完善﹑輕量級的云服務實現(xiàn)組件，例如在服務發(fā)現(xiàn)治理、服務容錯﹑服務網(wǎng)關、服務配置、負載均衡、消息總線服務跟蹤等方面均有經(jīng)過實踐檢驗的成熟組件[10]?；赟pring、SpringMVC和MyBatis三個框架分工的SSM架構整合工作原理如圖1所示。（1）SpringMVC負責管理表現(xiàn)層的Handler。SpringMVC容器是Spring容器的子容器，因此SpringMVC容器可以調(diào)用Spring容器中的Service對象。（2）Spring負責事務管理，Spring可以管理持久層的Mapper對象和業(yè)務層的Service對象。由于Mapper對象和Service對象都在Spring容器中，所以可以在業(yè)務邏輯層通過Service對象調(diào)用持久層的Mapper對象。（3）MyBatis負責與數(shù)據(jù)庫進行交互。整合SSM框架后，當SpringMVC接收到請求，可以通過Service對象執(zhí)行對應的業(yè)務邏輯代碼，再由Service層裝載Mapper對象，最終由Mapper對象完成數(shù)據(jù)交互。在SSM框架整合過程中，SpringMVC和MyBatis沒有直接的交集，所以只需要將Spring分別與SpringMVC和MyBatis整合，就可以完成SSM框架的整合設計?；赟SM架構案例設計實現(xiàn)思路如下：①搭建項目基礎結構。首先在數(shù)據(jù)庫中搭建項目對應的數(shù)據(jù)庫環(huán)境;其次創(chuàng)建一個MavenWeb項目，并引入案例所需的依賴;最后創(chuàng)建項目的實體類，創(chuàng)建三層架構對應的模塊、類和接口。②整合Spring和MyBatis。在Spring配置文件中配置數(shù)據(jù)源信息，并且將SqlSessionFactory對象和Mapper對象都交由Spring管理。③整合Spring和SpringMVC。SpringMVC是Spring框架中的一個模塊，Spring整合SpringMVC只需在項目啟動時分別加載各自的配置即可。案例編寫完成之后，客戶端向云服務器端發(fā)送請求，如果云服務器端能將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)正確響應給客戶端，就可以認為SSM框架整合成功。4.2跨多云和混合云環(huán)境中應用開發(fā)部署架構每個云服務提供者都有其獨特的API、服務和特性，這意味著當應用需要在多個云環(huán)境中部署時，需要針對這些差異進行代碼或配置的調(diào)整[11]。例如，云計算在AWS的S3和Azure的BlobStorage中的功能相似，但它們的API和使用方式可能不同，AWS與MicrosoftAzure兩個計算行業(yè)巨頭的云原生服務部署架構如圖2所示。4.3跨多云和混合云部署中的關鍵因素網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)傳輸是跨多云和混合云部署中的一個關鍵因素，跨多云和混合云部署中面臨的主要挑戰(zhàn)是在不同的云環(huán)境中確保數(shù)據(jù)的一致性和數(shù)據(jù)的高效傳輸。安全性和合規(guī)性也是跨多云和混合云部署要重要考慮的問題。不同云提供商可能有不同的安全標準和工具，而跨云部署意味著組織需要確保所有的環(huán)境都符合統(tǒng)一的安全和合規(guī)性要求。同時，應用分布管理和監(jiān)控也變得更加復雜。當應用分布在多個云環(huán)境中時，如何有效地跟蹤資源使用、性能指標和故障情況，是組織需要解決的問題。使用容器和Kubernetes可以簡化跨多個云環(huán)境的應用部署。容器提供了一種標準化的方式打包和運行應用，而Kubernetes則為跨云部署提供了一套統(tǒng)一的管理和編排工具。此外，服務網(wǎng)格技術（如Istio）提供了一種跨多云環(huán)境的通信和管理解決方案[12]。4.4跨多云和混合云環(huán)境中為企業(yè)提供管理平臺當前，多數(shù)企業(yè)選擇使用多云管理平臺，這些平臺提供了跨多個云環(huán)境的統(tǒng)一管理、監(jiān)控和自動化工具，這些工具幫助組織簡化操作、減少錯誤和提高效率，特別是多云和混合云模式為企業(yè)管理平臺提供了更大的靈活性和選擇性，但也提高了跨多云和混合云環(huán)境中管理的復雜性。為解決管理的高復雜性問題，企業(yè)需要制定明確的策略、使用適當?shù)墓ぞ吆头椒ǎ约白⒅財?shù)據(jù)安全性和成本控制，還需要有效地管理多個云平臺上的應用，實現(xiàn)更高效的云計算環(huán)境。在不斷發(fā)展的