【云原生生态圈】从云计算到云原生的出现

本专栏将从基础开始，循序渐进，由浅入深讲解云原生相关知识，希望大家都能够从中有所收获，也请大家多多支持。
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文章目录

1 云计算是什么

1.1 云计算的历史

在介绍云原生之前，先看看过去几十年间，云计算领域的发展演进历程。

1.2 云计算的远古时代

云计算的历史事实上需要追溯到60多年前的计算机远古历史：

• 1955年，John McCarthy（备注：John McCarthy是Artificial Intelligence/人工智能一词的提出者）创造了一种在用户群中共享计算时间的理论。
• 1959年6月，在国际信息处理大会上克里斯托弗Christopher Strachey发表了《Time Sharing in Large Fast Computer》论文，提出了虚拟化概念。该文被公认为虚拟化技术的最早论述。
• 1965年8月，IBM推出System/360 Model 67 和 TSS 分时共享系统（Time Sharing System），通过虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor）虚拟所有的硬件接口，允许多个用户共享同一高性能计算设备的使用时间，也就是最原始的虚拟机技术。
• 在20世纪60年代中期，美国计算机科学家 JCR Licklider 提出计算机互联系统(an interconnected system of computers)的想法。
• 1969年，在 JCR Licklider 的革命性创意的帮助下，Bob Taylor 和 Larry Roberts 开发了互联网的前身 ARPANET（Advanced Research Projects Agency Network），允许不同物理位置的计算机进行网络连接和资源共享。
• 1972年，IBM发布了名为VM（Virtual Machine）的操作系统。在90年代，虚拟机的使用开始流行
• 1974年，Popek和Goldberg发表了《Formal Requirements for Virtualizable Third Generation Architectures》提出了虚拟化准备的充分条件，指出满足条件的控制程序可以被称为虚拟机监视器Virtual Machine Monitor （VMM）：（1）一致性：一个运行于虚拟机上的程序，其行为应当与直接运行于物理机上的行为基本一致，只允许有细微的差异如系统时间方面；（2）可控性：VMM对系统资源有完全的控制能力和管理权限；（3）高效性：绝大部分的虚拟机指令应当由硬件直接执行而无需VMM的参与。
• 1978年，IBM获得了独立磁盘冗余阵列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID）概念的专利。该专利将物理设备组合为池，然后从池中切出一组逻辑单元号（Logical Unit Number，LUN）并将其提供给主机使用。虽然该技术直到1988年IBM才与加利福尼亚州立大学伯克利分校联合开发了第一个实用版本，但该专利第1次将虚拟化技术引入存储之中。

“Time-Sharing”的背景：自20世纪50年代，人类使用大型计算机系统来处理数据。而在早期，大型计算机体积庞大而且价格高昂。为了提高投资回报率，购买大型机的组织开始实施“分时调度（time-sharing）”，然后从没有处理能力的终端访问大型计算机。“分时”理论可以充分利用可用的计算时间，可以用于为无力购买自己的大型机的小公司提供计算时间。

这里便陆续出现了云计算的基本前提：共享计算能力和共享网络，并出现了虚拟机，虚拟网络和早期基础设施。

但是在2000年前后虚拟化技术成熟之前，市场处于物理机时代。当时如果要启用一个新的应用，需要购买一台或者一个机架的新服务器。

1.3 虚拟化技术成熟

在2000年前后，虚拟化技术逐渐发展成熟：

• 1998年，VMware成立并首次引入X86的虚拟技术，通过运行在Windows NT上的VMware来启动Windows 95。
• 1999年，VMWare推出可在X86平台上流畅运行的第一款VMware Workstation，从此虚拟化技术终于走下了大型机的神话。之后，研发人员和发烧友开始在普通PC和工作站上大量使用该虚拟化解决方案。
• 1999年，IEEE颁布了用以标准化VLAN实现方案的802.1Q协议标准草案，从而可以将大型网络划分为多个小网络，使得广播和组播流量不会占据更多带宽的问题；同时，可以利用VLAN标签提供更高的网络段间的安全性。
• 2000年，IEEE颁布了虚拟专用网（Virtual Private Network）VPN标准草案，从而使得私有网络可以跨公网进行建立。
• 2000年，Citrix桌面虚拟化产品正式发布。
• 2001年，VMware发布了第一个针对x86服务器的虚拟化产品ESX和GSX，即ESX-i的前身。
• 2003年10月，Xen虚拟化项目首次面世推出了1.0版本，此时仅支持半虚拟化Para-Virtualization。之后，基于Xen虚拟化解决方案陆续被Redhat、Novell和Sun等的Linux发行版集成，作为默认的虚拟化解决方案。
• 2003年，Microsoft收购Connectix获得虚拟化技术进入桌面虚拟化领域，之后很快推出了Virtual Server免费版。
• 2005年，Xen 3.0发布，该版本可以在32位服务器上运行，同时该版本开始正式支持Intel的VT技术和IA64架构，从而使得Xen虚拟机可以运行完全没有修改的操作系统。该版本是Xen真正意义上可用的版本。
• 2006年10月，以色列的创业公司Qumranet在完成了虚拟化Hypervisor基本功能、动态迁移以及主要的性能优化之后，正式对外宣布了KVM的诞生。同年10月，KVM模块的源代码被正式接纳进入Linux Kernel，成为内核源代码的一部分。备注：Qumranet在2008年被RedHat收购。
• 2009年4月，VMware推出业界首款云操作系统VMware vSphere。

云计算的重要里程碑之一是2001年VMWare带来的可用于X86的虚拟化计划。通过虚拟机，可以在同一台物理机器上运行多个虚拟机，这意味着可以降低服务器的数量，而且速度和弹性也远超物理机。

1.4 基于虚拟机的云计算

在虚拟化技术成熟之后，云计算市场才真正出现，此时基于虚拟机技术诞生了众多的云计算产品，也陆续出现了IaaS、PaaS等平台和公有云、私有云、混合云等形态：

• 2006年，AWS推出首批云产品Simple Storage Service (S3)和Elastic Compute Cloud（EC2），使企业可以利用AWS的基础设施构建自己的应用程序
• 2008年4月，Google App Engine发布，是 Google 管理的数据中心中用于 WEB 应用程序的开发和托管的平台。
• 2009年，Heroku 推出第一款公有云 PaaS （Platform-as-a-Service）
• 2010年1月，微软发布 Microsoft Azure云平台服务。备注：Microsoft Azure 于2008年宣布。
• 2010年7月，Rackspace Hosting和NASA联合推出了一项名为OpenStack的开源云软件计划
• 2011年，Pivotal推出了开源版PaaS Cloud Foundry，作为Heroku PaaS的开源替代品，并于2014年底推出了Cloud Foundry Foundation。
• 2013年底，Google 推出 Google Compute Engine （GCE）正式版。备注：GCE的测试版本于2008年发布，预览版于2012年发布。
• 2014年，AWS推出 Lambda，允许在AWS中运行代码而无需配置或管理服务器，即Faas/Serverless。

在这期间，出现了云计算的多个重要里程碑：

1. IaaS的出现：通过按时计费的方式租借服务器，将资本支出（Capex）转变为运营支出（Opex），这使得云计算得以大规模兴起和普及。
2. PaaS的出现
3. 开源IaaS的出现：云计算已经开始进入开源时代
4. 开源PaaS的出现
5. FaaS的出现

补充术语介绍，Capex Vs. Opex：

• Capex = capital expenditure / 资本支出
• Opex = operational expenditure / 运营支出

1.5 容器的兴起和编排大战

2013年，在云计算领域发生了一件影响深广的技术变革：容器。

容器技术可以说是过去十年间对软件开发行业改变最大的技术，而从虚拟机到容器，整个云计算市场发生了一次重大变革，甚至是洗牌。基于容器技术的容器编排市场，则经历了Mesos、Swarm、kubernetes三家的一场史诗大战，最终以kubernetes全面胜利而告终：

• 2008年，LXC（Linux Container）容器发布，这是一种内核虚拟化技术，可以提供轻量级的虚拟化，以便隔离进程和资源。LXC是Docker最初使用的具体内核功能实现
• 2013年，Docker发布，组合LXC，Union File System和cgroups等Linux技术创建容器化标准，docker风靡一时，container逐步替代VM，云计算进入容器时代
• 2014年底，CoreOS正式发布了CoreOS的开源容器引擎Rocket（简称rkt）
• 2014年10月，Google 开源 kubernetes，并在2015年捐赠给 CNCF
• 2015年6月，OCI组织成立，旨在制定并维护容器镜像格式和容器运行时的正式规范，以便在不同的操作系统和平台之间移植
• 2015年7月，Google联合Linux基金会成立了CNCF组织，kubernetes 成为 CNCF 管理的首个开源项目
• 2015年，CNCF组织开始力推 Cloud Nativ ，完全基于开源软件技术栈，Cloud Native 的重要理念是：以微服务的方式部署应用，每个应用都打包为自己的容器并动态编排这些容器以优化资源利用
• 2017年9月，Mesos宣布了对Kubernetes的支持
• 2017年10月，Docker宣布将在下一版Docker，将同时支持自家调度引擎Swarm和来自Google的调度平台Kubernetes
• 2018年3月，Kubernetes 从 CNCF 毕业，成为 CNCF 第一个毕业项目

这里有两个重要的里程碑：

1. 2013年，Docker发布，容器逐步替代VM，云计算进入容器时代
2. 2017年底，Kubernetes 赢得容器编排的胜利，云计算进入 Kubernetes 时代

在容器编排大战期间，以 kubernetes 为核心的CNCF Cloud Native生态系统也得以迅猛发展，云原生成为云计算市场的技术新热点。

1.6 云计算演进总结

云计算的发展演进历史，有以下规律：

• 核心构建块的变化：从早期的物理服务器，通过虚拟化技术演进为虚拟机，再摆脱机器的限制缩小为构建块，最后通过容器化技术演进为目前的container
• 隔离单元：无论是启动时间还是单元大小，物理机、虚拟机、容器一路走来，实现了从重量级到轻量级的转变
• 供应商：从闭源到开源，从单一供应商到跨越多个供应商

下图形象的概述了这二十年云计算的演进过程：从传统预制IT、托管到云，以及云的不同形态如IaaS、PaaS、SaaS等。

对于XaaS的一路演进，可以简单归纳为：

• 有了IaaS，客户不用关注物理机器
• 有了PaaS，客户不用关注操作系统
• 有了FaaS，客户不用关注应用程序

在这过去的二十年间，云计算几乎重新定义了整个行业的格局，越来越多的企业开始降低对IT基础设施的直接资本投入，不再倾向于维护自建的数据中心，而是开始通过上云的方式来获取更强大的计算、存储能力，并实现按时按需付费。这不仅仅降低IT支出，同时也降低了整个行业的技术壁垒，使得更多的公司尤其是初创公司可以更快地实践业务想法并迅速推送到市场。

2 云原生出现的背景

2.1 软件正在改变世界

Software is Eating The World —— by Mark Andreessen, in 2011

Mark Andreessen是风险投资公司Andreessen-Horowitz的联合创始人和合伙人，该公司投资了Facebook，Groupon，Skype，Twitter，Zynga和Foursquare等，Mark Andreessen也是LinkedIn的投资者。

在2011年8月20日的华尔街日报上，Mark Andreessen发表了名为 “Why Software Is Eating the World” 的文章，当时正值惠普宣布放弃陷入困境的个人电脑业务，转而投入软件投资，并看好未来的增长潜力；与此同时，谷歌计划收购手机制造商摩托罗拉移动公司；苹果在过去几周成为美国最大的公司，以市值来判断，超越埃克森美孚。

援引原文部分内容：

我们处于戏剧性和广泛的技术和经济转变的中间，软件公司准备接管大量的经济。

越来越多的主要企业和行业正运行在软件上并提供在线服务 - 从电影到农业再到国防。许多获奖者都是硅谷式的创业技术公司，他们正在入侵和推翻既有的行业结构。

为什么现在发生这种情况？

计算机革命六十年，微处理器发明四十年，现代互联网兴起二十年，通过软件转变行业所需的所有技术终于有效，并可在全球范围内广泛传播。

十年前，当我在创办的Netscape公司时，大概5000千人使用了宽带互联网，而现在有超过20亿人使用宽带互联网。在接下来的10年里，我预计全球至少有50亿人拥有智能手机，每个人每天都可以随时随地使用这种手机充分利用互联网。

在后端，软件编程工具和基于互联网的服务可以轻松地在许多行业中推出新的全球软件驱动的初创企业 - 无需投资新的基础设施和培训新员工。2000年，当我的合伙人Ben Horowitz担任第一家云计算公司Loudcloud的首席执行官时，运营基本互联网应用程序每月的成本约为15万美元。今天在亚马逊云中运行相同的应用程序每月花费大约1500美元。

文中列出了被重塑的产业，具体有 : 最大的书店 Amazon、最多人订阅的Video service Netflix、最大的音乐公司iTune、 Spotify and Pandora等、成长最快的娱乐领域 videogame、最好的电影制片厂 Pixar、最大的行销平台 : Google、Groupon、 Facebook等、成长最快的电信公司 : Skype 、成长最快招聘公司 LinkedIn。

文章发表于2011年，在8年后的2019年再来看，感触更加深刻。

补充：有兴趣的同学可以看一下这个文章： A Review of ‘Why Software is Eating The World’: How have the companies fared?: 这是在2018年，有人撰文分析了在上文中提到的几家主要软件公司的发展情况：Facebook/Apple/Amazon/Netflix/Google。

2.2 移动互联网在加剧变化

在“Software is Eating The World”一文中，作者展望互联网规模时，写道：

在接下来的10年里，我预计全球至少有50亿人拥有智能手机，每个人每天都可以随时随地使用手机充分利用互联网。

在8年之后的2019年，我们已经可以清晰的确认Mark Andreessen的预测很正确，移动互联网时代的用户规模已经开始向人口基数看齐。

而移动互联网如此巨大的用户规模会对软件开发有什么影响？

援引Netflix的一页PPT，这里按照规模和变更速度将软件企业划分为四个象限/四种类型：

1. 企业IT：规模小，变化慢，容易处理
2. 电信：规模大，变化慢，主要应对硬件失败
3. 初创公司：规模小，变化快，主要应对软件失败
4. 网络规模的互联网企业：规模大，变化快，软硬件或者说所有东西都会出问题

在十年前乃至二十年前的互联网时代，大多数软件企业都位于上图左边的两个象限：规模或许有大有小，但是变更速度相对今天都不高。当企业发展壮大时，体现的也更多是在规模上，变更速度并不会发生质的变化。

而今天的移动互联网时代，则都位于上图右边的两个象限：无论规模是大是小，变更速度都要求非常高。并且当企业逐步发展壮大，规模十倍百倍增长时，对变更速度的要求并不会降低，甚至会要求更快。

在移动互联网时代，能够成长并发展起来的这些公司，他们的共同点是什么：

• 快速变更，不断创新，随时调整
• 提供持续可用的服务，因对各种可能的错误和中断
• 弹性可扩展的系统，因对用户规模的快速增长
• 提供新的用户体验，以移动为中心

这样的背景下，对软件开发的有了更高的要求，软件开发的方式也不得不跟随时代而变化：首当其冲的就是如何解决规模越来越大同时变更越来越快的难题。

Pivotal公司的Matt Stine对此描述如下：

We’re trying to bring a perceived conflict into balance: software-driven business agility vs. software system resiliency. We want to move fast and yet not break things. In order to do this, we’re going to change how we build software, not necessarily where we build software.

我们正努力平衡感知到的冲突：软件驱动的业务敏捷性 vs. 软件系统的弹性。我们希望快速前行而不破坏事物。为了做到这一点，我们将改变我们构建软件的方式，而不是在哪里构建软件。

2.3 软件上云大势所趋

将软件迁移到云上是应对这一挑战的自然演化方式，在过去二十年，从物理机到虚拟机到容器，从IaaS诞生到PaaS、CaaS、SaaS、FaaS一路演进，应用的构建和部署变的越来越轻、越来越快，而底层基础设施和平台则越来越强大，以不同形态的云对上层应用提供强力支撑。

关于云的定义，Matt Stine表示：

Obviously, we need a place to do this: “cloud.” I define cloud as any computing environment in which computing, networking, and storage resources can be provisioned and released elastically in an on-demand, self-service manner.

显然，我们需要一个地方来做到这一点：“云”。我将云定义为可以按需，自助服务方式弹性配置和发布计算，网络和存储资源的任何计算环境。

2006年AWS通过提供EC2服务开创了IaaS市场。通过按时计费的方式租借服务器，客户不承担资本支出，仅在使用服务时付费。将资本支出（Capex）转变为运营支出（Opex），这是云计算时代的真正开始，而之后PaaS，SaaS等的演进只是超云这个方向一步一步继续前行：

2.4 总结

前面我们谈到了软件对各行各业的渗透和对世界的改变，以及移动互联网时代巨大的用户基数下快速变更和不断创新的需求对软件开发方式带来的巨大推动力，结合上一篇文章描述的过去二十年间云计算的发展演进和软件上云的趋势，我们可以清晰的看到这样一个波澜壮阔的技术浪潮：

• 软件正在改变世界
• 移动互联网让这个变革影响到每一个人
• 传统软件开发方式受到巨大挑战
• 云计算普及，软件上云成为趋势
• 云的形态持续在演进

援引InfoQ主编徐川老师对云计算的总结：

• 云计算的技术逐渐发展成为它本来该有的模样；
• 以及与这样的云所匹配的软件架构；
• 以及与这样的架构所匹配的开发流程与方法论。

云原生由此诞生！