Kubernetes 次世代的云原生应用

核心观点

云原生基础设施已渡过野蛮生长期，正朝着统一应用标准方向迈进
Kubernetes 原语无法完整描述复杂的云原生应用体系，开发与运维关注点耦合严重
Operator 在丰富 Kubernetes 生态的同时加剧了云原生应用碎片化，急需统一的应用定义标准
OAM 通过分离研发和运维关注点，对资源对象进行抽象，实现化繁为简的目标
“Kubernetes 次世代"指的是在 Kubernetes 成为基础设施标准后，云原生生态重心向应用层转移的时代

云原生发展历程

Kubernetes 自 2014 年开源以来已走过近十年历程，开启了云原生时代。云原生的发展可分为以下几个阶段：

孵化期（2014 年）

2014 年 Google 开源 Kubernetes，此前 Docker 于 2013 年开源，DevOps 和微服务概念兴起。Google 联合其他厂商成立 CNCF，将 Kubernetes 作为初创项目捐献给基金会。

高速发展期（2015-2016 年）

Kubernetes 快速迭代，于 2017 年击败 Docker Swarm 和 Mesos，确立容器编排领导地位。CRD 和 Operator 模式的诞生极大增强了扩展性，促进生态繁荣。

野蛮生长期（2017-2018 年）

云原生应用默认运行在 Kubernetes 上。Google 主导的 Istio 和 Knative 相继开源，大量使用 Operator 扩展。2018 年 Kubernetes 从 CNCF 毕业，CNCF 重新定义云原生概念。

成熟普及期（2019 年至今）

Kubernetes 得到大规模应用，云原生概念深入人心。基于 Operator 的生态蓬勃发展，Service Mesh 和 Serverless 快速演进，OAM 等应用定义标准涌现。

Kubernetes：云原生时代的奠基者

Kubernetes 继承了 Google Borg 系统经验，统一了 PaaS 平台基础设施层，设计遵循以下原则：

基础设施即代码（声明式 API）
不可变基础设施
幂等性
调节器模式（Operator 原理基础）

声明式 API 的创新

声明式 API 开创了云原生基调，支持应用编排和组件依赖定义。但声明的状态并非静态不变，可能受 HPA、自定义控制器等动态调整，需要通过动态准入控制确保一致性。

Kubernetes 原生应用架构

基于 Kubernetes 原语的云原生应用包含多个层次：

分层架构：

核心层：应用逻辑、服务定义、生命周期控制
隔离与访问层：资源限制、配置、身份认证、路由规则
调度层：各类调度控制器，主要扩展层
资源层：网络、存储等平台资源

这种分层设计支持职责分离，降低开发和运维复杂度。

云原生应用碎片化挑战

随着 Operator 生态繁荣，云原生应用出现碎片化趋势：

碎片化表现

标准缺失：缺乏统一的应用定义视图，增加沟通成本
治理松散：Operator 间可能冲突，产生不可预期结果
选择困难：同类资源多种实现（如 Ingress 有 10+ 种实现），选择困难
耦合严重：应用逻辑与运维特性耦合，不利于复用

Operator 模式的双刃剑

Operator 基于调节器模式，遵循四个原则：

使用数据结构进行输入输出
确保数据结构不可变
保持资源映射简单
使实际状态符合预期状态

虽然解决了有状态应用管理难题，但也带来了生态碎片化问题。

应用管理工具演进

Helm：包管理的先驱

Helm 通过 Chart 模板提供应用打包和版本管理能力：

核心能力：

打包：Chart 格式标准化应用描述
配置：values.yaml 和命令行参数管理
发布：Release 生命周期管理

Helm 主要关注 12 因素应用中的"发布"环节，但仍有局限性。

云原生应用统一模型

应用分层模型

分层说明：

应用定义层：Helm、CNAB、Pulumi 等，直接定义应用组成
负载定义层：基于 Operator 的 Serverless 负载，如 Istio、Knative
发布上线层：关注构建发布、GitOps、发布策略
Kubernetes 原语层：基础原语，Operator 构建基础

OAM：开放应用模型

OAM（Open Application Model）旨在解决云原生应用定义标准化问题：

设计理念：

关注点分离：开发者专注应用组件，运维者专注运维特征
高度可扩展：支持多种工作负载和运维策略
Kubernetes 友好：兼容现有 CRD Operator

核心概念：

Component：应用组件定义
Workload：运行时类型（容器、Serverless、VM 等）
Trait：运维特征（扩缩容、流量控制、安全策略）
ApplicationConfiguration：应用配置，关联组件和运维策略

工作流程：

开发者创建 Component 描述应用
运维创建各种 Trait 策略
ApplicationConfiguration 关联组件和策略
OAM Operator 生成对应 Workload 和 Trait
达到终态，完成发布

生态支持

目前支持 OAM 的项目包括：

Crossplane：多云基础设施管理
KPT：声明式配置管理工具
Vela：简化云原生应用交付的平台

CNCF SIG App Delivery 致力于推动云原生应用交付标准化。

技术趋势与展望

从基础设施到应用

云原生生态正从基础设施关注点向应用层转移：

基础设施标准化：Kubernetes 成为事实标准
应用定义统一：OAM 等标准化应用模型
开发者体验优化：降低云原生应用开发门槛
运维能力服务化：Trait 化的运维能力

面临的挑战

生态整合：如何整合众多开源项目
标准推广：新标准的采用和推广
人才培养：云原生应用开发和运维人才需求
最佳实践：建立行业最佳实践指南

总结

Kubernetes 次世代的核心在于解决云原生应用的碎片化问题，建立以应用为中心的统一标准。OAM 等解决方案通过关注点分离和标准化，为云原生应用定义了新的范式。

未来云原生生态将更加注重：

开发者体验的提升
应用定义的标准化
运维能力的服务化
生态整合的深化

这标志着云原生正从技术驱动转向应用驱动，从基础设施关注转向业务价值实现。

参考资料

发布于: 2024/01/15 • 最后更新: 2025/07/09 • 编辑页面