云原生應用開發與部署面臨的挑戰及其應對方案

李亮

摘要：隨著云計算的發展和普及，云原生應用作為一種新的應用開發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代云環境下的首選開發模式。文章首先分析了微服務架構管理的復雜性、持續集成與持續部署（CI/CD）的自動化難題及跨多云和混合云環境下存在的兼容性問題等帶來的挑戰，并提出應對方案;其次采用Kubernetes進行統一的微服務管理，利用開源工具實現CI/CD自動化流程，以及設計跨云應用的統一部署策略;最后分析和總結云原生應用的發展趨勢，為軟件工程在應用開發與持續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;持續集成與持續部署（CI/CD）;Kubernetes;跨云部署

0 引言（Introduction）

隨著云計算技術的蓬勃發展，一種新的應用開發與部署模式———云原生應用逐漸成為研究熱點，受到業界的廣泛關注[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代云環境下的首選開發模式，在現代軟件工程領域中占據了不可替代的地位，但云原生應用在興起的同時也面臨一系列開發與部署方面的挑戰，例如微服務架構的管理具有一定的復雜性、持續集成與持續部署（CI/CD）的自動化難度大及跨多云和混合云環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與部署面臨的挑戰及應對方案，如何解決這些問題并將這種開發模式全面推廣到社會應用化大生產中，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。基于此，本文主要圍繞云原生應用開發與部署過程中面臨的挑戰進行了深入的分析，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與部署的影響（The core features of cloud nativeapplications and their impact on developmentand deployment）

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、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、數據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境，使應用可以在其中運行而不受外部環境的干擾。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境遷移到另一個環境，如從開發環境遷移到生產環境。

（3）云原生應用通常設計為無狀態或將狀態分離。這意味著應用的邏輯和數據存儲是分離的，可以讓應用更容易地擴展和遷移，不必擔心數據的同步問題，但也面臨數據管理和持久化的挑戰[3]。

表1總結了云原生應用的核心特性及其在開發和部署方面的優勢和面臨的挑戰。

（4）云原生應用的開發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、數據遷移和網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代軟件開發中提供了巨大的優勢，但也帶來了開發和部署上的一系列挑戰[4]。

2 微服務架構在云原生應用中的應用與管理挑戰（Application and management challengesof microservice architecture in cloud nativeapplications）

微服務架構作為云原生應用中的一個核心組成部分，已經逐漸成為現代軟件開發的標準，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，每個服務都執行特定的業務功能，并可以獨立開發、部署和擴展。這種模式為企業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和運維團隊帶來了一系列新的挑戰[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常采用輕量級的協議，如REST或gRPC。但隨著服務數量的增加，跟蹤和管理這些服務間的通信變得越來越困難。例如，如何保證服務間數據的一致性、如何處理網絡延遲或失敗、如何保證通信的安全性等，都是開發者必須解決的問題[2]。

此外，服務發現和負載均衡也是微服務架構面臨的重要挑戰。在傳統的單體應用中，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及其潛在影響。

為了應對表2中的挑戰，經常采用一些先進的工具和方法。例如，使用Kubernetes解決服務發現和負載均衡問題，Kubernetes內置了服務發現和負載均衡的機制。服務網格技術Istio和Linkerd可以跟蹤服務間的通信，為微服務提供了統一的通信層[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據和事務一致性等，要解決微服務架構在云原生應用中的關鍵問題，需要開發者和運維團隊具備扎實的基礎知識和豐富的工作經驗。

3 持續集成與持續部署（CI/CD）在云原生環境中的實踐與難點（The practice and difficulties ofcontinuous integration and continuous deployment（CI/CD） in cloud native environment）

持續集成與持續部署（Continuous Integration/ContinuousDelivery，CI/CD）是現代軟件開發中的關鍵環節，它為開發團隊提供了一種快速、可靠的方式集成和部署代碼。在云原生的環境中，CI/CD更為關鍵，因為云原生應用經常需要在多個環境中部署、擴展和運行。然而在實踐中，CI/CD在云原生環境中面臨以下難題[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系統更新兼容。

（2）云原生環境的動態和彈性特性意味著CI/CD流程需要處理動態的資源分配、服務發現和負載均衡。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、Microsoft Azure和Google Cloud Platform 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工具和平臺已經開始為云原生環境提供特定的特性支持和插件。例如，Jenkins、Travis CI和CircleCI都提供了對容器和Kubernetes的原生支持，使開發者能夠輕松地構建、測試和部署云原生應用。開發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務和技術需求[8]。

4 跨多云和混合云環境下的應用部署策略與面臨的挑戰（Application of deploymentstrategies and challenges across multi-cloudand hybrid-cloud environments）

跨多云和混合云環境是企業應用部署的發展趨勢，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（或傳統數據中心）的優勢，但在實施這些策略的過程中，開發和運維團隊也面臨一系列新的挑戰[9]。

4.1 跨多云和混合云環境中組件與架構設計

模仿SSM（Spring、SpringMVC、MyBatis的縮寫）是目前JavaEE企業級開發中最受歡迎的框架、組件的有序集合，擁有功能完善﹑輕量級的云服務實現組件，例如在服務發現治理、服務容錯﹑服務網關、服務配置、負載均衡、消息總線服務跟蹤等方面均有經過實踐檢驗的成熟組件[10]。基于Spring、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負責管理表現層的Handler。SpringMVC容器是Spring容器的子容器，因此SpringMVC容器可以調用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，所以可以在業務邏輯層通過Service對象調用持久層的Mapper對象。

（3）MyBatis負責與數據庫進行交互。

整合SSM框架后，當SpringMVC接收到請求，可以通過Service對象執行對應的業務邏輯代碼，再由Service層裝載Mapper對象，最終由Mapper對象完成數據交互。

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。基于SSM架構案例設計實現思路如下：①搭建項目基礎結構。首先在數據庫中搭建項目對應的數據庫環境;其次創建一個Maven Web項目，并引入案例所需的依賴;最后創建項目的實體類，創建三層架構對應的模塊、類和接口。②整合Spring和MyBatis。在Spring配置文件中配置數據源信息，并且將SqlSessionFactory對象和Mapper對象都交由Spring管理。③整合Spring和Spring MVC。Spring MVC 是Spring框架中的一個模塊，Spring整合Spring MVC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送請求，如果云服務器端能將數據庫中的數據正確響應給客戶端，就可以認為SSM框架整合成功。

4.2 跨多云和混合云環境中應用開發部署架構

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境中部署時，需要針對這些差異進行代碼或配置的調整[11]。例如，云計算在AWS的S3和Azure的Blob Storage中的功能相似，但它們的API和使用方式可能不同，AWS與Microsoft Azure兩個計算行業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

網絡和數據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是在不同的云環境中確保數據的一致性和數據的高效傳輸。

安全性和合規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境都符合統一的安全和合規性要求。同時，應用分布管理和監控也變得更加復雜。當應用分布在多個云環境中時，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一的管理和編排工具。此外，服務網格技術（如Istio）提供了一種跨多云環境的通信和管理解決方案[12]。

4.4 跨多云和混合云環境中為企業提供管理平臺

當前，多數企業選擇使用多云管理平臺，這些平臺提供了跨多個云環境的統一管理、監控和自動化工具，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境中管理的復雜性。為解決管理的高復雜性問題，企業需要制定明確的策略、使用適當的工具和方法，以及注重數據安全性和成本控制，還需要有效地管理多個云平臺上的應用，實現更高效的云計算環境。在不斷發展的云計算領域，有效的多云和混合云策略將成為企業取得成功的關鍵[13]。

5 結論（Conclusion）

跨多云和混合云部署為現代企業帶來了前所未有的機會，但伴隨而來的技術和策略方面的挑戰也不容忽視。云原生應用是由微服務、容器、DevOps、服務網絡、不可變基礎、聲明式API等關鍵技術構建，面對多樣化的云環境，網絡性能及數據的一致性和安全性成為決策中需要考慮的核心因素。選擇合適的工具和平臺，實施統一的配置管理策略，以及加強對網絡與安全的重視，是確保應用成功部署的關鍵。正如本文探討，前瞻性的策略和持續的技術適應是企業在多云與混合云時代中得以蓬勃發展的基石。