PaaS 平台的架构、现状及未来

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TruePaaS平台研发负责人。曾担任数梦工场PaaS平台研发。主要工作领域:linux驱动,内核,容器平台,PaaS,微服务架构。
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说起云计算平台,大家可能都知道有IaaS、PaaS和SaaS。IaaS和SaaS的概念大部分人都能很清晰的认知。说到IaaS大多会讲:存储、计算和网络这三大基础资源,说到SaaS大家会想到各种类型的应用,但是说到PaaS就没有一个非常明确的共识。做大数据平台的厂商会数自己的大数据平台是PaaS,做容器云的厂商会数自己的容器平台是PaaS,甚至传统的IaaS厂商会数自己的平台也是PaaS。那么PaaS究竟是什么呢?

PaaS的定义

云计算相关概念

我们来说PaaS的定义时就要先理解什么是云计算。云计算是指基于互联网等网络,通过虚拟化方式共享IT资源的新型计算模式。其核心思想是通过网络统一管理和调度计算、存储、网络、软件等资源,实现资源整合与配置优化,以服务方式满足不同用户随时获取并扩展、按需使用并付费,最大限度地降低成本等各类需求。

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目前云计算提供的服务模式主要包含三大类:基础设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)、软件即服务(SaaS)。

基础设施即服务(IaaS)

云计算服务商提供虚拟的硬件资源,如虚拟的主机、存储、网络、安全等资源,用户无需购买服务器、网络设备和存储设备,只需通过网络租赁即可搭建自己的应用系统。IaaS定位于底层,向用户提供可快速部署、按需分配、按需付费的高安全与高可靠的计算能力以及存储能力租用服务,并可为应用提供开放的云基础设施服务接口,用户可以根据业务需求灵活定制租用相应的基础设施资源。在这种服务模式下,用户无需考虑对琐碎的基础设施进行管理与维护,用户可直接在基础设施上面方便地加载应用。IaaS服务对应的用户是系统管理员。

平台即服务(PaaS)

PaaS提供商提供应用服务引擎,将软件研发测试和运维的平台作为一种服务提供,如应用程序接口(API)服务或应用运行时服务,用户基于这些服务构建业务应用。从用户角度来说,这意味着他们无需自行搭建开发,测试和运维平台,也不会在不同平台兼容性方面遇到困扰。PaaS服务对应的用户是应用的开发者和运维人员。

软件即服务(SaaS)

用户通过标准的 Web 浏览器来使用网络上的软件。从用户角度来说,这意味着前期无需在服务器或软件许可证授权上进行投资;从供应商角度来看,与常规的软件服务模式相比,维护一个应用软件的成本要相对低廉。SaaS供应商通常是按照客户所租用的软件模块来进行收费的,因此用户可以根据需求按需订购软件应用服务,而且SaaS的供应商会负责系统的部署、升级和维护。SaaS提供商对应的用户是应用软件使用的终端用户。

PaaS

平台即服务(PaaS)与基础设施即服务(IaaS)是不同的,PaaS并不是IaaS的一个扩展特性,对于基础设施即服务(IaaS)来说,基础单元就是资源,这里的资源是指服务器,磁盘,网络等,IaaS所做的一切就是按照需要提供这些资源。例如,亚马逊(amazon)的EC2服务,所有的工具都以资源为中心,所有的文档都是关于资源的,所有的开发都是专注于资源,同时人们也因为需要这些资源而使用它。

对于平台即服务(PaaS)来说,基础单元就是应用。那么什么是应用?就是一个系统,就是代码以及所有那些在任何时候都与这些代码通信的服务。这不仅仅是资源,事实上,一个应用是由很多单独的资源绑定在一起组成的。将所有这些资源连接在一起所需要付出的工作量通常被低估了。从一个单一的运行Apache和Mysql的服务器转移到一个拥有单独的负载均衡服务器,缓存服务器,应用服务器,数据库服务器以及冗余的失效恢复的系统架构需要大量的工作,包括前期投入以及后期维护。一个成熟的PaaS平台可以为用户提供上述的所有功能,在减少用户大量工作的前提下,大幅度提升用户应用的开发速度,运行稳定性,可靠性,极大的降低了用户的开发,测试及运维的成本。

利用PaaS可以做的另外一件事,就是从应用的角度来管理IaaS。通常情况下,使用者对于IaaS的资源需求实质上是来源于运行在IaaS之上的应用,如何根据应用的需求动态的使用IaaS资源又成为摆在云使用者面前的一个难题,PaaS作为SaaS与IaaS的沟通者,可以根据SaaS的需求动态的协调IaaS资源,使IaaS按需分配资源的理念变得更智能,更有实际意义。

IaaS为云使用者提供了按需分配的能力,用户可以按照自己的需求定制计算资源,存储资源,网络资源,并且利用云端的海量资源随时快速的开启资源,并在工作完成时,随时释放资源,在享受云带来的高可靠性的同时,也最大化的降低了使用成本,提升了资源利用率。

但是IaaS为云使用者带来的便利只局限在资源这个层面上,云使用者可以快速,稳定,海量的使用资源,但是一旦获取到资源后,云使用者依然要为运行在资源之上的应用搭建各种适配环境(部署),解决应用的各种依赖,安装应用要使用的各种服务,维护应用的运行生命周期。这些问题IaaS都没有解决,或者说,这些问题本质上也不是IaaS需要解决的问题,而是PaaS需要解决的问题。

综上,IaaS关注与硬件的自动化管理,目标是人与机器的解耦合,提升了效率和性能,而PaaS关注与应用的自动化管理,目标是应用与操作系统的解耦合,提升了弹性和控制。

PaaS的分类

通过上面的介绍,大致可以清晰IaaS、PaaS和SaaS的关系以及面向的用户。在继续介绍PaaS的技术细节前,我们需要了解一下PaaS平台自身的分类。Gartner把它们分为两类,一类是应用部署和运行平台APaaS(Application Platform As a Service),另一类是集成平台IPaaS(Integration Platform As a Service)。

  • APaaS是一种面向IT企业和机构的云计算应用开发与部署平台。APaaS主要为应用提供运行环境和数据存储,能够将本地部署的传统应用直接部署到APaaS上。

  • IPaaS是用于集成和协同的PaaS平台,不仅可以支持与现有云服务间的连接性,而且可以以安全的方式提供企业应用的访问能力。IPaaS主要用于集成和构建复合应用。

大数据厂商的PaaS实际上是属于IPaaS,而容器厂商和IaaS厂商的PaaS大致为APaaS。

APaaS的一般特性

大规模分布式系统

  • 完全模块化的分布式系统,保证云平台可靠性;
  • 每个模块单独存在和运行,通过消息总线进行通讯;
  • 系统耦合度低,便于弹性动态扩展;

弹性伸缩框架

  • 平台自身组件支持实时横向扩展;
  • 根据应用的负载情况,动态加载应用实例;
  • 应用实例支持实时水平扩展;

运维自动化

  • 日常运维操作简化;
  • 故障自动恢复;

应用部署简单化

  • 一键式应用快速部署;
  • 支持多种应用开发框架,包括Spring、.NET、Ruby on Rails,Node.js等;
  • 通过buildpack扩展运行不同语言应用的能力;

支持多种服务

  • 支持多种数据服务,包括MySQL、mongodb、PostgreSQL等;
  • 通过service broker组件扩展多种应用服务能力,包括数据库、中间件、缓存、云存储等。

主流PaaS平台架构及对比

了解了PaaS的分类,我们再来看看PaaS的具体技术对比。由于IPaaS具有很强的业务属性,因此这里我们主要来看一下更通用的APaaS,也是目前被大家最多提起的。说到PaaS,相信很多人都会把他和容器、Docker关联起来。下面来看几张图:

PaaS

上面这张图可以看出来从容器、编排、部署都自称为PaaS。

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正如国内的容器厂商都自称为PaaS平台一样,目前大多数人提到PaaS都会想到容器。每过几年总会有新的概念出来。下面再来看一张图。

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这张图很清晰的划分出了XaaS以及各种概念对应的平台。大家所熟知的容器平台在这里实际上是CaaS的一种。那么CaaS和PaaS有什么区别呢?我们接下来对比一下CaaS和PaaS里面最具代表性的两个平台:CaaS和CloudFoundry。

Docker/CaaS

Docker/CaaS 提供直接管理操作基础设施的性能,带来基础设施层面的灵活性。用户 通过直接操作容器可以更灵活的实现应用迁移、部署。但这个更加轻量的平台带来了用户学 习成本和使用复杂度的增加。

容器云平台的搭建只依托 Swarm/Mesos/K8s 等容器编排调度系统就可以实现,还需 要引入大量的第三方解决方案,例如日志、监控、网络等。这就意味着一定的试错成本,另 外第三方系统的成熟度发展不一,组成一套统一的云平台后进入生产环境的应用需要经过一 定周期的论证和验证。

Cloud Foundry 平台

Cloud Foundry 隐藏了基础设施层面的复杂度,提供应用层的管理操作,简化基础设 施和应用的构建管理,平台也使用容器技术,但仅仅是平台架构中的实现细节。通过 CF 可 以更加敏捷的实现应用开发、部署、业务实现等。

Cloud Foundry 的架构是一个相当完整的 PaaS 架构,模块丰富,平台自身可以提供 对于平台节点、应用的监控、管理,日志,自动化运维等完整的解决方案。每个模块都部署 在一个或多个虚拟机上。这些虚拟机是自动创建的,由 PaaS 管理他的生命周期。它的应用 部署跟 Docker 镜像部署不太一样,它是把程序包直接部署。一个命令行或是一个点击就可 以部署

在经过长时间的应用,Cloud Foundry 已有很多在生产环境的案例。Cloud Foundry 率先采用 RunC 作为容器运行时,而且刚刚做了一个 25 万个容器集群的测试,验 证了 PaaS+RunC 的大规模集群的支持。

可以这样来说:容器技术是PaaS平台的底层技术,是PaaS平台不可缺少的部分。但是把容器平台说成PaaS,未免会有点以偏概全了。

特性 Cloudfoundry Docker/CaaS
应用部署方式 直接部署程序Release包 需要制作Docker镜像
监控 完整解决方案 需要集成第三方工具
日志 完整解决方案 需要集成第三方工具
网络 完整解决方案 需要集成第三方工具
自动化运维 可以和IaaS联动 不支持IaaS联动

PaaS平台和SaaS应用市场的关系

大家有没有发现一个现象?10年以前,SaaS应用市场是非常少的。现在各大平台都会有自己的SaaS应用市场。出现这种现象的原因无外乎技术的进步,搭建SaaS应用市场的成本降低了。更确切的说:SaaS应用市场是PaaS平台的一种外延。在底层PaaS技术的支撑下,SaaS应用的开发、交付、运营的门槛大幅度的降低了。

基于PaaS平台构建的SaaS应用市场会逐步加快SaaS应用生态的发展。

PaaS平台下进行云原生应用开发

有了PaaS平台帮我们解决底层平台的问题,那么我们的应用开发者要怎么做才能开发出云原生应用呢?12-Factor 为构建如下的云原生应用提供了方法论:

  • 使用标准化流程自动配置,从而使新的开发者花费最少的学习成本加入这个项目。

  • 和操作系统之间尽可能的划清界限,在各个系统中提供最大的可移植性。

  • 适合部署在现代的云计算平台,从而在服务器和系统管理方面节省资源。

  • 将开发环境和生产环境的差异降至最低,并使用持续交付实施敏捷开发。

  • 可以在工具、架构和开发流程不发生明显变化的前提下实现扩展。

这套理论适用于任意语言和后端服务(数据库、消息队列、缓存等)开发的应用程序。

下面我们一起来看看具体包含哪些要素:

  • 基准代码:一份基准代码,多份部署
  • 依赖:显式声明依赖关系
  • 配置:在环境中存储配置
  • 后端服务:把后端服务当作附加资源
  • 构建,发布,运行:严格分离构建和运行
  • 进程:以一个或多个无状态进程运行应用
  • 端口绑定:通过端口绑定提供服务
  • 并发:通过进程模型进行扩展
  • 易处理:快速启动和优雅终止可最大化健壮性
  • 开发环境与线上环境等价:尽可能的保持开发,预发布,线上环境相同
  • 日志:把日志当作事件流
  • 管理进程:后台管理任务当作一次性进程运行

PaaS的未来发展

先抛一个结论:PaaS是云的未来

IaaS是一个资源转售的生意,PaaS代表了云计算的未来,PaaS解决的是平台架构的问题,同时也是真正做到按需付费。对于业务客户而言,底层技术不会给他们带来直接的业务价值,这也就决定了软件开发商更应该聚焦在业务层。高并发、高可靠、存储服务、应用自身维护等和业务不直接关联的平台服务都可以借助PaaS技术来完成。现在的创业团队可以借助各类PaaS技术快速的创建高并发、高可靠的应用,未来这种模式也会进一步普及。

  • 更融合的调度 物理机、虚拟机和容器各有优势,一个复杂的应用场景会用到各计算平台的优势,融合调度未来必然会成为主流框架。

  • 更融合的编排 说到调度,就离不开编排。当前阶段上云是大趋势,私有云加公有云的模式会长期持续。那么融合的编排框架也必然会成为解决成本问题的一个重要选择。

  • 更细粒度的弹性 IaaS解决了基础设施的弹性,但是还不够。技术的发展会进一步细化弹性的粒度,往更节约的方向发展。

  • 更高的资源利用率 当前的技术及架构下,计算资源很大一部分时间都是闲置的。以有限的资源来应对更高的数据处理要求,资源利用率会随着云技术的发展进一步提高。


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