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【大话IT】工业互联网云平台架构设计之容器技术解析

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日期:2016-08-08 14:57:54
发表于 2019-8-14 17:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
话题背景:
工业互联网其实主要是面向的制造业的数字化、网络化和智能化需求,构建基于海量数据的采集、汇聚分析和服务体系支撑之上。很多企业都想构建一个属于自己的资源泛在、连接、弹性供给、高效配置的开放式工业互联网平台。但是这样的平台如何构建?尤其是在底层PaaS平台上,直接采用开源的Kubernetes,显然存在太多挑战。本期我们将从工业互联网云应用场景出发,展开话题讨论。

话题讨论:
1、打造工业互联网云平台架构,您认为那些环节非常关键?
2、有人说容器是云原生应用的集大成者,您如何看待容器和云原生之间的关系?
3、您如何看待Kubernetes、Swarm、Rancher、Mesos、ECS等这些容器编排解决方案带来的价值?
4、从传统IT架构到K8S,您会做哪些准备,考量哪些要素?
5、如何解决K8S的集群管理、智能负载均衡等问题?
6、关于跨云的资源管理与调度问题,您有哪些实战经验?
7、您所在企业在容器以及云平台建设中有哪些新的规划和目标?(可选回答)

活动时间:2019年8月15日-2019年10月

奖项设置:
一等奖:价值200元一张京东购物卡
二等奖:爱奇艺电视果一枚
三运奖:中国数据库技术大会(DTCC)十周年纪念T恤 1件
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发表于 2019-8-22 13:05 | 显示全部楼层
本帖最后由 help01 于 2019-10-17 22:34 编辑

1、打造工业互联网云平台架构,您认为那些环节非常关键?
    工业应用程序被视为工业互联网平台的关腱,但同时也成为当前我国工业互联网平台发展的瓶颈之一。我国工业互联网平台发展尚属于初级阶段,工业PaaS平台赋能不够,工业互联网平台上所谓的工业应用程序基本上都是工业云平台上的云化软件“移植"而来,依靠工业paas上的行业机理模型“生长"出来的“原居民"工业应用程序较少,现象级工业 APP更是匮乏。一方面,基于工业Paas平台开发的工业应用程序数量少。另一方面,工业互联网平台尚没有培育出现象级工业应用程序。美国初创企业Uptake围绕卡特彼勒工程机械开发了状态监测和故障预警的工业应用程序,接入了超过300万的工程机械,公司目前的估值已经达到23亿美金。截至目前,尽管我国很多企业都在朝着建设跨行业、跨领域工业互联网平台的方向努力,但尚没有一家企业开发出现象级工业应用程序,来推广工业互联网平台的应用。

2、有人说容器是云原生应用的集大成者,您如何看待容器和云原生之间的关系?
    企业云应用开发要想快速迭代,容器化道路是最佳选择。容器在设计中融入了对云原生应用的深层支持。云原生应用有一套基准代码,以保证同一套代码容易迁移到不同环境中去运行。在容器中,Dockerfile也是基准代码的一部分,跟应用业务代码保存在同一个代码仓库中,用同一套版本标号。基于容器体系交付的软件产品不再是一个可执行程序,而是一个Docker镜像。Docker镜像的移动性比传统的可执行程序高得多。Docker 的出现正好解决了限制云原生应用构建、交付和运行的瓶颈,使得构建云原生应用成为了使用 Docker 的开发者自然而然的选择。

3、您如何看待Kubernetes、Swarm、Rancher、Mesos、ECS等这些容器编排解决方案带来的价值?
    容器编排工具为开发人员和基础设施团队提供了一个抽象层来处理大规模的容器化部署。典型的容器编排工具有助于虚拟化一组机器并将它们作为单个集群管理。容器编排工具也有助于将机器上的工作负载或容器移动到消费者透明的位置。
    首先,最直接的感受就是我们可以"轻装上阵"地开发复杂系统了。在采用Kubernetes解决方案之后,只需要一个精悍的小团队就能轻松应对。在这个团队里,一名架构师专注于系统"服务组件"的提炼,几名开发工程师专注于业务代码的开发,一名系统兼运维工程师负责Kubernetes的部署和运维,从此再也不用"996",这并不是因为我们少做了什么,而是因为Kubernetes已经帮我们做了很多。
    其次,使用Kubernetes就是在全面拥抱微服务架构。微服务架构的核心是将一个巨大的单体应用分解为很多小的互相连接的微服务,一个微服务背后可能有多个实例副本在支撑,副本的数量可能会虽社系统的负荷变化而进行调整,内嵌的负载均衡器在这里发挥了重要作用。微服务架构使得每个服务都可以由专门的开发团队开发,开发者可以自由选择开发技术,这对于大规模团队来说很有价值,另外每个微服务独立开发、升级、扩展,因此系统具备很高的稳定性和快速迭代进化能力。谷歌、亚马逊、eBay,等国内大厂也都采用了微服务架构,此次谷歌更是将微服务架构的基础设施直接打包到Kubernetes解决方案中,让我们有机会直接应用微服务架构解决复杂业务的架构问题。
    然后,我们的系统可以随时随地整体"搬迁"到公有云上。Kubernetes最初的目标就是运行在谷歌自家的公有云GCE中,未来会支持更多的公有云及是基于Openstack的私有云。同时,在Kubernetes的架构方案中,底层网络的细节完全被屏蔽,基于服务的Cluster IP甚至都无须我们改变运行期的配置文件,就能将系统从物理机环境中无缝迁移到公有云中,或者在服务高峰期将部分服务对应的Pod副本放入公有云中以提升系统的吞吐量,不仅节省了公司的硬件投入,还大大改善了客户体验。
    最后,Kubernetes系统架构具备了超强的横向扩容能力。对于互联网公司来说,用户规模就等价于资产,谁拥有更多的用户,就能在竞争中胜出。因此超强的横向扩容能力是互联网业务系统的关键指标之一。不需要修改代码,Kubernetes集群的规模可以实现平滑扩展。利用Kubernetes提供的工具,甚至可以在线完成集群扩容。只要我们的微服务设计得好,结合硬件或公有云资源的线性增加,系统就能够承受大量用户并发访问带来的的巨大压力。

4、从传统IT架构到K8S,您会做哪些准备,考量哪些要素?
    在评估企业中大规模实施Kubernetes的各种解决方案时需要考虑以下18项技术和运营能力:
    1.Kubernetes集群的高可用性
    Kubernetes不提供高可用性集群的开箱即用部署,并且必须由Kubernetes管理员配置HA。建议在负载平衡解决方案后面至少配置三个主节点,并使用etcd的集成或独立集群部署来存储所有集群状态信息。任何高可用性解决方案还必须考虑故障情况以及自动修复和恢复。
    2.支持的部署模型
    Kubernetes解决方案的部署模型定义了它将如何在企业环境中集成,以及它为将来的操作提供的支持服务级别协议(SLA)级别。
    Kubernetes解决方案的前三个部署模型是:
    传统的本地部署:用户可以自己在其基础架构上下载和部署Kubernetes,也可以使用专业服务和供应商的支持。
    托管Kubernetes即服务(KaaS):供应商将在由云或托管服务提供商托管的基础架构之上提供Kubernetes服务。
    混合云Kubernetes即服务:Kubernetes作为你选择的基础架构提供服务,在自己的本地数据中心或公有云基础架构。
    3.先决条件和操作系统要求
    企业Kubernetes解决方案的先决条件定义了在启动和运行Kubernetes之前需要满足的基础架构要求。某些解决方案需要昂贵的许可购买底层基础架构,例如虚拟机管理程序或对托管Kubernetes解决方案的投资。
    4.监控和运营管理
    必须始终监控生产Kubernetes集群以处理任何问题和中断,而不会严重影响用户的集群和应用程序可用性。企业Kubernetes解决方案必须提供此功能。
    5.集群升级
    Kubernetes拥有庞大的社区,每3个月推出一个新版本。企业级解决方案将支持集群的滚动升级,以便即使在升级集群时,集群API也始终可用。此外,它还可以在失败时回滚到以前的稳定版本。
    6.多集群管理
    单个Kubernetes集群可以水平扩展以支持大量工作负载。但是,在生产中运行Kubernetes需要能够运行多个Kubernetes集群,因为你需要通过将它们部署在单独的集群上来将dev/test/ staging应用程序与生产应用程序完全隔离。
    7.多租户,基于角色的访问控制和单点登录支持
    Kubernetes使用名称空间抽象支持集群级别的多租户。但是,在多集群环境中,你需要更高级别的多租户抽象来补充Kubernetes多租户,并为不同的用户团队提供适当的隔离级别。它应该与企业最常用的单点登录(SSO)解决方案集  成,例如Active Directory或ADFS,Okta和其他流行的SAML提供商。
    8.负载均衡
    Kubernetes自动将请求均衡到Kubernetes集群内的应用程序服务。但是,某些服务需要在外部公开以供外部客户使用。Kubernetes不为该类服务提供开箱即用的负载均衡解决方案。企业Kubernetes解决方案应包括强大的外部负载均衡功能,或与现有商业负载均衡无缝集成。
    9.私人注册表支持和镜像管理
    在Kubernetes集群上运行容器化应用程序需要访问容器注册表,其中将存储应用程序镜像。大型企业通常需要安全的私有容器注册表来存储其专有的应用程序镜像。企业Kubernetes解决方案应该提供开箱即用的镜像管理功能。
    10.混合云集成和API
    如今,每个企业都希望通过投资多云解决方案来构建与。将多个私有云和/或公有云作为云战略的一部分,可确保你不会陷入单一提供商,不会影响定价,在整个基础架构中实现高可用性,并满足独特的业务策略。
    11.企业级用户体验
    企业级用户体验就是拥有一个优秀的用户界面,使企业能够通过单一UI管理其混合环境。这提供了完整的可视性,简化了整个环境的通信。此UI应允许跨多个集群的操作:例如,全局搜索特定类型的工作负载或在不同区域,数据中心和云提供商上运行的所有集群中使用特定标签进行标记。
    12.应用程序生命周期管理 - 应用程序目录
    应用程序目录为Kubernetes上的一组预打包应用程序提供了轻松的一键式部署。它还为最终用户提供了一种工具,可以通过目录为其团队或组织中的其他人构建和发布他们自己的应用程序,以便以一键式方式进行部署。应用程序目录使组织能够对一组应用程序部署配方或蓝图进行标准化,从而避免配置的无序扩展。
    13.生产等级服务水平协议(SLA)
    随着越来越多的企业在Kubernetes上运营业务,IT必须确保它能够支持业务所需的SLA。IT必须确保开发人员和业务部门可以使用Kubernetes来支持关键计划。大多数需要99.9%的正常运行时间。
    14.易于设置,安装,连续使用,管理和维护
    成功的Kubernetes平台必须易于实施和维护,以便可以持续利用容器。仅这一点就是许多企业无法克服的主要障碍。
    15.网络支持和集成
    网络集成是在生产和规模上运行Kubernetes集群的关键组件。企业通常希望Kubernetes与他们目前正在标准化的软件定义网络(SDN)解决方案集成,或者像Calico或Weave这样的容器本机解决方案,为他们提供更多的隔离选择。
    16.存储支持和集成
    与网络类似,与企业级存储的集成是在生产中运行Kubernetes集群的重要组成部分。Kubernetes提供了一个名为Persistent Volumes的抽象来保存有状态应用程序持久化的数据。Enterprise Kubernetes产品将PV映射到实际的高可用存储技术非常重要。企业通常希望他们的Kubernetes部署与他们已部署的存储解决方案(如NetApp,Pure,SolidFire等)集成,或者他们可能希望与容器本机存储技术(如Portworx)集成。
    17.自助服务提供
    开发人员必须具有对一个或多个Kubernetes集群的自助访问权限,并且具有适当的隔离级别,因此只有具有相应权限的成员才能访问生产工作负载。
    18.内置CI/CD支持
    开发人员运行的最关键工作负载之一是持续集成/持续交付。强大的CI/CD管道对于确保敏捷开发和向客户快速交付新软件至关重要。

5、如何解决K8S的集群管理、智能负载均衡等问题?
    Kubernetes 是为生产环境而设计的容器调度管理系统,对于负载均衡、服务发现、高可用、滚动升级、自动伸缩等容器云平台的功能要求有原生支持。
    Service是对一组提供相同功能的Pods的抽象,并为它们提供一个统一的入口。借助Service,应用可以方便的实现服务发现与负载均衡,并实现应用的零宕机升级。
    Service通过标签来选取服务后端,一般配合Replication Controller或者Deployment来保证后端容器的正常运行。
    目前 kubernetes 共有三种服务暴露的方式:LoadBlancer Service、NodePort Service、Ingress。
    LoadBlancer Service是kubernetes深度结合云平台的一个组件;当使LoadBlancer Service暴露服务时,实际上是通过向底层云平台申请创建一个负载均衡器来向外暴露服务;目前LoadBlancer Service支持的云平台已经相对完善,比如国外的GCE、DigitalOcean,国内的 阿里云,私有云 OpenStack 等等,由于LoadBlancer Service深度结合了云平台,所以只能在一些云平台上来使用。
    NodePort Service,实质上就是通过在集群的每个node上暴露一个端口,然后将这个端口映射到某个具体的service来实现的,虽然每个node的端口有很多(默认的取值范围是 30000-32767),但是由于安全性和易用性(服务多了就乱了,还有端口冲突问题)实际使用可能并不多。
    Ingress可以实现使用nginx等开源的反向代理负载均衡器实现对外暴露服务,可以理解Ingress就是用于配置域名转发,在nginx中就类似upstream,它与ingress-controller结合使用,通过ingress-controller监控到pod及service的变化,动态地将ingress中的转发信息写到诸如nginx、apache、haproxy等组件中实现方向代理和负载均衡。

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发表于 2019-8-22 16:45 | 显示全部楼层
本帖最后由 renfengjun 于 2019-9-10 10:16 编辑

公司内部一直使用的是自研的一套框架加上puppet 和 ansible tower 完成公司内部app 以及 db server的 管理以及申请工作。有部分应用在aws,但是由于成本问题,aws上的应用不是很广泛。
也有一些团队在测试docker 以及kubernates 在云上的使用,如果能够降低使用成本公司应该会很愿意增加公有云的使用。
但是如果说使用docker 和kubernates 替换内部的现有自动化部署基础架构,感觉还不是很现实,因为公司内部使用的大多数还是一些开源技术,ansible tower 也只是使用了一小部分而已。

个人使用docker部署过一些数据库相关的应用,感觉还是很方便的。
但是对于公司来讲主要还是成本控制问题。所以至少对于公司现状,还没有替换的打算。




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发表于 2019-8-22 17:05 | 显示全部楼层
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日期:2019-08-27 15:07:44技术图书徽章
日期:2019-09-04 18:10:13
发表于 2019-8-22 19:36 | 显示全部楼层
话题讨论:
1、打造工业互联网云平台架构,您认为哪些环节非常关键?
需求环节:需求环节需要根据自身需要制定合理的业务需求,业务需求要考虑公司中长期发展目标,必须和公司发展方向保持一致,否则很容易导致需求梳理不完善,无法满足后期发展需求;需求制定好高骛远,脱离实际,导致无法和公司发展好好配合,还浪费资源。
技术环节:技术环节首先要考虑技术架构,目前云技术发展很快,需要根据自身需求和发展需要制定合理的中长期发展计划。有了业务需求和发展目前,才能制定出合理的技术方案和架构,然后规划处IT投入,包括硬件、软件和人员投入,以及后期的技术储备等。
管理环节:其实信息环节主要是把“互联网云平台”理解成一个共享、互助的互联网平台,在这个平台上自身能获取哪些有价值的信息,又能为平台贡献多少有用的信息。考虑到信息对各公司的重要性和保密性,所以,即便平台搭建好了。平台的安全性、运行稳定性、数据保密性谁来保障?
领导环节:任何改变现状的技术变革或更新,都会触及一部分人员的既得利益,会遇到很多人为阻力。所以这种项目必须有大领导的鼎力支持,否则项目推进过程中会阻力重重。

2、有人说容器是云原生应用的集大成者,您如何看待容器和云原生之间的关系?
“云原生”是一种构建和运行应用程序的方法,它利用了云计算交付模型的优势。“云原生”是关于如何创建和部署应用程序,和位置无关。 这意味着应用程序位于云中,而不是传统数据中心。意味着使用开源软件堆栈进行容器化,其中应用程序的每个部分都打包在自己的容器中,动态编排,以便每个部分都被主动调度和管理,以优化资源利用率和面向微服务的应用程序,以提高应用程序的整体灵活性和可维护性。
对于云原生应用程序而言,最大的不同之处在于应用程序的构建,交付和运维方式。“利用云服务意味着使用敏捷和可扩展的组件(如容器)来提供离散和可重用的功能,这些功能以良好描述的方式集成,甚至跨越多云等技术边界,这使得交付团队可以使用可重复的自动化和编排来快速迭代。”
云原生应用程序开发通常包括DevOps,敏捷方法,微服务,云平台,Kubernetes和Docker等容器,以及持续交付,简而言之,每种新的和现代的应用程序部署方法。

3、您如何看待Kubernetes、Swarm、Rancher、Mesos、ECS等这些容器编排解决方案带来的价值?
典型的容器编排工具有助于虚拟化一组机器并将它们作为单个集群管理。容器编排工具也有助于将机器上的工作负载或容器移动到消费者透明的位置。很多工具目前既支持基于Docker的容器,也支持非容器化二进制文件部署,例如独立的Spring Boot应用程序。这些容器编排工具的基本功能是从应用程序中抽象出实际的服务器实例。
容器编排工具的一些关键能力概括如下:
集群管理:将虚拟机和物理机器的集群管理为一台大型机器。这些机器在资源能力方面可能有些差异,但大体上都是以Linux作为操作系统的机器。这些虚拟集群可以建立在云上、本地或两者的混合。
部署:能处理有大量机器的应用程序和容器的自动部署。支持多个版本的应用程序容器,并且还支持跨越大量集群机器的滚动升级。这些工具还能够处理故障回滚。
可伸缩性:支持应用实例的自动和手动伸缩,以性能优化为主要目标。
健康:它管理集群、节点和应用程序的健康。可以从集群中移除异常的机器和应用程序实例。
基础结构抽象化:开发人员不必担心机器、容量等问题。完全是容器编排工具来决定如何调度和运行应用程序。这些工具也抽象化机器的细节、能力、使用和位置。对于应用程序所有者来说,它们相当于一个容量几乎无限的大型机器。
资源优化:这些工具以有效的方式在一组可用机器上分配容器工作负载,从而降低成本,通过从简单的到复杂的算法可有效地提高利用率。
资源分配:基于应用程序开发人员设置的资源可用性和约束来分配服务器。资源分配将基于约束、规则、端口要求、应用依赖性、健康等等。
服务可用性:确保服务在集群中正常运行。在机器故障的情况下,容器编排会自动通过在集群中的其他机器上重新启动这些服务来处理故障。
敏捷性:敏捷性工具能够快速分配工作负载到可用资源,或者在资源需求发生变化时跨机器移动工作量。此外,可以根据业务临界性、业务优先级等来设置约束重新调整资源。
隔离:一些工具提供了资源隔离。因此,即使应用程序不是容器化的,也可以实现资源隔离。

4、从传统IT架构到K8S,您会做哪些准备,考量哪些要素?
从传统IT架构到K8S,主要是应用微服务架构改造,传统应用架构并不适用容器部署,只有做微服务改造后的应用,才适用新的部署方式。
另外,新的IT架构,给运维工作也带来了新的挑战。需要具备更多的容器知识和运维思维方式的转变,之前不可能做到的事情,通过容器就可以很方便的实现,如短时间内大批量新增/回收应用节点。

5、如何解决K8S的集群管理、智能负载均衡等问题?
k8s是一个完备的分布式系统支持平台,k8s具有完备的集群管理能力,包括多层次的安全防护和准入机制、多租户应用支撑能力、透明的服务注册和服务发现机制、内建智能负载均衡器、强大的故障发现和自我修复能力、服务滚动升级能力和在线扩容能力、可扩展的资源自我调度机制,以及粒度度的资源配额管理能力。同时k8s提供了完善的管理工具。这些工具包含开发,部署测试,运维监控在内的各个环节,因此,k8s是一个全新的基于容器技术的分布式架构解决方案,并且是一个一站式完备的分布式系统开发和支撑平台。
Kubernetes关于服务的暴露主要是通过NodePort方式,通过绑定minion主机的某个端口,然后进行pod的请求转发和负载均衡,但这种方式下缺陷是
Service可能有很多个,如果每个都绑定一个node主机端口的话,主机需要开放外围一堆的端口进行服务调用,管理混乱
无法应用很多公司要求的防火墙规则.
理想的方式是通过一个外部的负载均衡器,绑定固定的端口,比如80,然后根据域名或者服务名向后面的Service ip转发,Nginx很好的解决了这个需求,但问题是如果有新的服务加入,如何去修改Nginx的配置,并且加载这些配置? Kubernetes给出的方案就是Ingress,Ingress包含了两大主件Ingress Controller和Ingress.
Ingress解决的是新的服务加入后,域名和服务的对应问题,基本上是一个ingress的对象,通过yaml进行创建和更新进行加载。
Ingress Controller是将Ingress这种变化生成一段Nginx的配置,然后将这个配置通过Kubernetes API写到Nginx的Pod中,然后reload.

6、关于跨云的资源管理与调度问题,您有哪些实战经验?
资源调度是指在特定的资源环境下,根据一定的资源使用规则,在不同的资源使用者之间进行资源调整的过程。这些资源使用者对应着不同的计算任务(例如一个虚拟解决方案),每个计算任务存操作系统中对应于一个或者多个进程。通常有两种途径可以实现计算任务的资源调度:在计算任务所在的机器上调整分配给它的资源使用量,或者将计算任务转移到其他机器上。
云资源调度问题主要分为三层:为应用程序调度资源,调度虚拟资源(如虚拟机)到物理资源,物理资源调度和落地。而且,在每一层可以有多个不同的目标进行优化。在应用层,可能要满足用户指定的服务水平目标(SLO) - 即调度QoS,优化提供商的效率,或者在两者之间协商一些妥协。在虚拟资源层,可以优化负载均衡,提高资源利用率例如CPU和内存的占比,此外还有成本效益或节能。

7、您所在企业在容器以及云平台建设中有哪些新的规划和目标?(可选回答)
边观察边实践,参考同行业案例。现在非核心的边缘业务尝试试用,核心业务暂时很迁到到容器以及云平台架构。

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