本文的目的是提供對雲原生模式的一般了解和概述。

1.介紹

雲原生模式（Cloud Native Patterns）指的是一組架構和設計原則，使得應用程式能夠在雲計算環境中進行開發和部署。這些模式專門設計用于充分利用雲平台提供的能力，如可擴充性、彈性、伸縮性和易于管理性。通過采用雲原生模式，組織可以建構和營運在雲原生生态系統中高度适應的、可移植的和高效的應用程式。

以下是與雲原生應用程式相關的一些關鍵特性和模式。

2.微服務

微服務架構是雲原生生态系統中的基本模式之一。它将一個應用程式拆分為更小、松耦合的服務，可以獨立開發、部署和擴充。每個微服務專注于特定的業務功能，并通過明确定義的API與其他服務進行通信。

微服務架構的特征和原則如下：

服務獨立性：每個微服務都是一個自治單元，可以獨立于其他服務進行開發和部署。這種獨立性使得團隊能夠同時處理不同的服務，實作更快的開發周期和更容易的維護。
單一責任：每個微服務專注于一個特定的業務能力或功能。通過将功能分離為獨立的服務，可以更容易地了解、開發和測試每個服務。
通過API進行通信：微服務通過明确定義的API進行通信。這實作了服務之間的松耦合，因為它們可以獨立演進而不影響其他服務。API可以是同步的（例如，RESTful API）或異步的（例如，消息隊列或事件驅動的通信）。
資料管理：每個微服務都有自己獨立的資料庫或資料存儲，確定服務保持自包含和獨立。這種方法使得每個服務可以根據其特定需求選擇最合适的資料庫技術。
可伸縮性和彈性：微服務可以根據需求單獨進行擴充，實作有效的資源利用。如果某個服務出現高流量，隻需對該服務進行擴充，而無需對整個應用程式進行擴充。此外，由于服務之間松耦合，一個服務的故障不會導緻整個應用程式崩潰，提高了容錯性和彈性。
技術多樣性：微服務架構允許不同的服務使用不同的技術、程式設計語言和架構。這使得團隊可以根據每個服務的需求和團隊的專長選擇最合适的技術。
持續部署：微服務架構與持續部署實踐相契合。由于服務可以獨立開發和部署，團隊可以更頻繁地對單個服務進行更新，實作更快的疊代周期和更快的上市時間。
組織結構：微服務架構通常需要組織結構上的轉變。開發團隊通常圍繞特定的服務進行組織，而不是傳統的功能角色。這使得團隊能夠對其服務擁有端到端的所有權和責任。

3.容器

容器為應用程式提供了一個輕量級和可移植的運作環境。它們封裝了應用程式及其依賴項，確定在不同環境下具有一緻的行為。容器化使應用程式能夠高效地部署和擴充，并促進了服務的安全隔離和資源管理。

使用容器的關鍵點和優勢如下：

隔離性：容器提供程序級别的隔離，使應用程式能夠在獨立的環境中運作。這種隔離確定一個容器的更改或問題不會影響其他容器或底層主機系統。每個容器都有自己的檔案系統、庫和網絡接口，提供了安全且獨立的運作時環境。
可移植性：容器具有很高的可移植性，可以在不同的計算環境中一緻地運作，包括開發機器、測試環境和生産伺服器。容器将應用程式及其依賴項封裝成一個單一的包，使得在不同平台、作業系統和雲服務提供商上分發和部署應用程式變得簡單。
效率：與傳統的虛拟機相比，容器是輕量級的，并且開銷較小。它們共享主機系統的作業系統核心，允許多個容器高效地運作在同一基礎設施上。容器啟動快速，利用較少的系統資源，并可以快速擴充或縮減以滿足不同的工作負載需求。
可重複性：容器確定應用程式在不同的環境中一緻地運作。通過将應用程式及其依賴項打包成容器鏡像，開發人員可以建立可重複的建構，消除了“在我的機器上可以工作”的問題。這促進了開發、測試和生産環境之間的一緻性。
依賴管理：容器提供了一種将應用程式與其特定依賴項（包括庫、架構和運作時環境）捆綁在一起的機制。這消除了不同版本依賴項之間的沖突，并確定應用程式在底層主機系統無關的情況下運作所需的依賴項。
DevOps 支援：容器是DevOps實踐的關鍵支援者。通過将應用程式打包為容器，開發團隊可以更快、更一緻地建構、測試和部署應用程式。容器促進了持續內建和持續傳遞（CI/CD）工作流程，實作了無縫的應用程式更新和復原。
可擴充性和編排：容器可以根據應用程式需求輕松地擴充或縮減。容器編排平台（如Kubernetes）提供了對容器化應用程式的自動化管理和擴充。這些平台實作了高效的負載均衡、自動縮放、服務發現和自愈能力。
安全性：容器在作業系統級别提供隔離，增加了一層安全性。每個容器在自己獨立的環境中運作，降低了跨應用程式利用漏洞的風險。容器鏡像可以進行安全漏洞掃描，并可以應用通路控制機制，確定安全的部署和執行。

4.編排（Orchestration）

在計算和軟體開發的背景下，編排（Orchestration）指的是對系統或應用程式中的各種元件、服務和流程進行自動化管理和協調。它涉及控制執行流程、協調不同元素之間的互動，并管理資源以實作期望的結果。

在雲計算和分布式系統領域，容器編排成為一個重要的關注領域。在這裡，編排通常指的是對容器化應用程式和底層基礎設施的管理。最廣泛使用的容器編排平台是Kubernetes。

編排的關鍵點和優勢如下：

部署自動化：編排平台自動化應用程式的部署，簡化了複雜系統的管理。它們處理諸如排程容器、管理依賴關系和確定正确的資源配置設定等任務。編排簡化了應用程式的部署和擴充過程，減少了手動操作和潛在錯誤。
擴充和負載均衡：編排平台提供内置機制，根據需求來擴充容器化應用程式。它們可以自動擴充或縮減容器數量，将工作負載分布到可用資源上，并調整資源配置設定以優化性能。負載均衡確定請求均勻地分布到容器上，提高應用程式的可用性和響應能力。
服務發現：編排平台實作了自動的服務發現，使得容器能夠輕松找到并與彼此通信。它們提供了注冊和解析服務位址的機制，消除了手動配置的需求。服務發現簡化了動态環境下的管理，解決了IP位址變化的問題，并實作了微服務之間的有效通信。
自愈和容錯：編排平台監控容器的健康狀态，并自動處理故障。如果容器無響應或崩潰，編排系統可以檢測到故障，并執行諸如重新啟動容器或啟動新執行個體的操作。這種自愈能力提高了應用程式的可靠性，并確定持續的可用性。
滾動更新和復原：編排允許無停機的無縫更新應用程式。它支援滾動更新政策，逐漸以受控的方式更新容器，最小化服務中斷。如果出現問題，編排平台友善地復原到先前的版本，確定系統的穩定性和彈性。
配置管理：編排平台提供了管理配置參數和環境特定設定的機制。這使得在不同環境中一緻且集中地管理應用程式配置成為可能。配置管理簡化了在開發、測試和生産等多個階段部署應用程式的過程。
資源優化：編排平台通過根據資源可用性和工作負載需求有效地排程容器來優化資源利用。它們確定容器在節點之間以最大化資源利用和最小化浪費的方式分布。這将帶來更好的成本效益和對計算資源的更好利用。

5.不可變基礎設施（Immutable Infrastructure）

雲原生應用程式通常使用不可變基礎設施原則建構。不可變基礎設施将現有的基礎設施元件視為可丢棄的，專注于在每次更改時建立新的執行個體。這種方式確定了一緻性，簡化了管理，并降低了配置漂移的風險。

不可變基礎設施的關鍵點和優勢如下：

不可變性：不可變基礎設施将基礎設施元件視為可丢棄的單元。一旦建立，它們不再進行修改，而是完全替換為新的執行個體。這確定了一緻性，并消除了随着時間推移由于手動更改或更新而引起的配置漂移。
自動化：不可變基礎設施嚴重依賴自動化來配置和部署基礎設施。諸如基礎設施即代碼（IaC）和配置管理等工具可以以程式設計方式定義和配置基礎設施。這種自動化確定了不同環境之間的一緻性和可重制性。
一緻性：在不可變基礎設施中，每次部署或更改都會生成一個全新且相同的基礎設施元件執行個體。這種一緻性簡化了故障排除、測試和部署過程，因為基礎設施的狀态由于配置更改或更新而沒有變化。
復原：由于每次更改或部署都涉及建立一個新的執行個體，是以復原到先前的版本變得非常簡單。如果出現問題，復原意味着丢棄新的執行個體，并将其替換為先前已知的良好版本。這有助于更快地恢複和減少故障的影響。
可擴充性：不可變基礎設施通過建立多個相同的執行個體實作水準擴充。新執行個體可以快速配置并添加以處理增加的負載，不再需要的執行個體可以輕松終止。這種彈性使系統能夠根據需求進行擴充和縮減，確定資源的最佳利用。
安全性：不可變基礎設施通過減少攻擊面來增強安全性。由于執行個體被替換而不是修改，當建立新執行個體時，消除了運作時引入的任何潛在漏洞。它還簡化了安全更新和更新檔過程，因為新執行個體可以預先應用最新的更新。
測試和驗證：不可變基礎設施使測試和驗證更可靠。每次部署都會生成一個新的執行個體，更容易驗證更改，并確定它們在獨立環境中正常運作。這種方法有助于持續內建和持續傳遞（CI/CD）流程，因為每個更改都在基礎設施的新執行個體上進行測試。
基礎設施恢複：在基礎設施故障或災難事件發生時，不可變基礎設施簡化了恢複過程。通過提供新執行個體，可以快速将基礎設施恢複到已知的良好狀态，而無需依賴複雜的恢複過程或備份。

6.DevOps

雲原生開發實踐強調開發團隊和運維團隊之間的緊密協作。DevOps的原則和實踐，如持續內建、持續傳遞和基礎設施自動化，對于實作快速開發、頻繁部署和高效運維至關重要。

DevOps是一組将軟體開發（Dev）和 IT 運維（Ops）結合起來，促進開發團隊和運維團隊之間協作、溝通和整合的實踐方法。DevOps的目标是使組織能夠更快、更可靠、更高效地傳遞軟體和服務，同時確定高品質和客戶滿意度。

DevOps的關鍵點和優勢如下：

文化：DevOps倡導協作、共同責任和持續改進的文化。它打破了開發團隊和運維團隊之間的壁壘，鼓勵開放的溝通和對整個軟體開發生命周期的共同擁有感。
自動化：自動化是DevOps的基本原則。通過自動化重複性和手動任務，如建構過程、測試、部署和基礎設施建立，組織可以實作更快、更可靠的軟體傳遞。自動化有助于減少錯誤，確定一緻性，并為團隊節省時間，專注于創新和高價值的工作。
持續內建和持續傳遞（CI/CD）：CI/CD是DevOps的實踐方法，它頻繁地內建代碼變更，自動建構和測試軟體，并快速可靠地傳遞到生産環境。CI/CD管道自動化了代碼內建、測試和部署的步驟，使組織能夠更頻繁、更自信地釋出新功能和更新。
基礎設施即代碼（IaC）：DevOps強調将基礎設施視為代碼進行處理，這意味着基礎設施資源、配置和依賴關系是使用代碼和版本控制系統定義和管理的。基礎設施即代碼實作了環境的一緻和可重複的建立和配置，進而實作更好的一緻性、可擴充性和可重制性。
監控和回報循環：DevOps倡導對應用程式和基礎設施進行持續監控，以了解性能、可用性和使用者體驗。監控使團隊能夠識别問題、檢測異常，并主動解決潛在問題。回報循環提供了寶貴的資料，用于改善軟體品質、優先處理增強需求，并做出明智的決策。
協作和溝通：DevOps強調開發、運維、品質保證團隊以及其他利益相關者之間的協作和有效溝通。這包括培育跨職能團隊、共享知識和技能，鼓勵回報，并從成功和失敗中學習。
安全性：DevOps在整個軟體開發生命周期中內建安全實踐，早期應用安全措施以降低風險。這包括在開發和部署過程中整合安全控制和漏洞掃描，定期進行安全評估，并将安全測試整合到CI/CD管道中。
持續學習和改進：DevOps鼓勵持續學習和改進的文化。團隊定期反思其流程，識别改進的領域，并實施變革以提高效率、品質和協作。這包括接納新技術、采用最佳實踐，并培育實驗和創新的文化。

7.基礎設施即代碼(IaC)

基礎設施即代碼（Infrastructure as Code，IaC）是一種實踐方法，它使用聲明性配置檔案來進行基礎設施資源的建立和管理。IaC工具，如Terraform或AWS CloudFormation，使得基礎設施可以進行版本控制、測試和與應用程式代碼一起部署，進而提高一緻性和可重制性。

基礎設施即代碼的關鍵點和優勢如下：

聲明性配置：通過IaC，基礎設施資源及其配置以代碼或配置檔案的形式進行聲明性定義。這樣可以實作一緻性和可重複性的基礎設施建立，確定基礎設施始終處于所需的狀态。
版本控制：基礎設施代碼和配置檔案可以使用像Git這樣的版本控制系統進行版本管理。版本控制可以追蹤更改、復原到以前的版本，并在團隊之間協作進行基礎設施配置。它還有助于對基礎設施的更改進行審計和記錄。
自動化：IaC允許自動化基礎設施建立和配置過程。可以使用工具和架構（如Terraform、AWS CloudFormation或Ansible）來執行基礎設施代碼。自動化確定基礎設施的一緻性建立，消除了手動、容易出錯和耗時的過程。
可擴充性和可重複性：IaC可以輕松擴充基礎設施資源以滿足不同的需求。通過以代碼的形式定義基礎設施配置，可以在不同環境（如開發、測試和生産）中複制基礎設施環境。這種可擴充性和可重複性促進了一緻性和可靠的部署。
基礎設施測試：可以使用各種測試架構和工具對基礎設施代碼進行測試。通過應用測試實踐，組織可以在部署之前驗證基礎設施配置的正确性和可靠性。基礎設施測試有助于在開發過程的早期階段識别和解決問題，減少配置錯誤或不一緻性的風險。
協作：基礎設施代碼可以在整個組織中由團隊共享、審查和協作。協作平台（如Git倉庫或代碼審查工具）促進協作和知識共享，使團隊能夠共同努力改進基礎設施配置。
合規性和可審計性：IaC有助于滿足安全和法規要求。可以設計基礎設施配置以強制執行安全最佳實踐，并将合規性控制嵌入基礎設施代碼中。這使得組織能夠具有基礎設施更改的可審計路徑，并確定基礎設施始終符合安全政策。
災難恢複和可重複環境：在災難事件中或為測試或開發目的建立相同環境時，IaC使組織能夠快速準确地重新建立整個基礎設施環境。通過将基礎設施配置存儲為代碼，組織可以更高效、一緻地恢複和重建基礎設施環境。

8.可觀測性(Observability)

雲原生應用程式需要強大的可觀測性能力來監視、調試和診斷分布式系統中的問題。集中式日志記錄、分布式追蹤和應用程式名額等技術可以幫助了解應用程式和基礎設施元件的行為和性能。

可觀測性是軟體工程和系統管理中的一個概念和實踐，指的是基于系統的外部輸出（如日志、名額和跟蹤）來擷取對系統内部狀态和行為的洞察力。它涉及監視、記錄、追蹤和分析系統資料，以了解和解決問題、確定系統性能并做出明智的決策。

可觀測性的關鍵點和優勢：

監控：監控涉及收集和分析系統資料，以評估應用程式和基礎設施元件的健康狀況、性能和可用性。這包括CPU使用率、記憶體使用率、響應時間和錯誤率等名額。監控提供實時的系統行為可視性，幫助檢測異常或性能瓶頸。
日志記錄：日志記錄涉及捕獲和存儲相關的系統和應用程式事件、錯誤和資訊。日志提供了活動的時間記錄，可用于故障排除、審計和分析系統行為。日志條目通常包括時間戳、嚴重級别和上下文資訊，以幫助診斷問題。
追蹤：追蹤涉及捕獲和跟蹤在分布式系統内不同元件和服務之間的請求和互動流程。分布式追蹤有助于識别性能問題、延遲瓶頸和不同服務之間的依賴關系。它提供了關于請求在系統中的傳播方式的詳細視圖，使得能夠分析複雜的互動。
名額：名額是對系統行為和性能的定量測量。它們捕獲響應時間、錯誤率、吞吐量和資源使用率等資料。名額有助于追蹤系統的整體健康狀況和性能，識别趨勢，并基于預定義的門檻值觸發警報或自動化操作。
警報：可觀測性系統通常包括警報機制，當滿足某些預定義的條件或門檻值時，通知系統管理者或相關利益相關者。警報可以基于名額、日志模式或其他可觀測性資料。它們有助于及時識别和響應關鍵問題，減少停機時間并提高系統可靠性。
可視化和分析：可觀測性平台提供工具和儀表闆，用于可視化和分析系統資料。這些可視化幫助利益相關者了解系統行為，發現模式，識别相關性，并進行根本原因分析。可視化和分析工具簡化了對複雜系統資料的解釋和了解。
分布式系統：在多個元件和服務互相互動的分布式系統中，可觀測性變得特别重要。分布式追蹤和日志記錄有助于跟蹤不同服務之間的請求和資料流。監控和名額提供了系統健康狀況、性能和資源利用的統一視圖。
自動化和機器學習：可觀測性實踐可以利用自動化和機器學習技術來增強模式和異常的分析和檢測。自動異常檢測有助于識别異常的系統行為，而機器學習算法可以根據曆史可觀測性資料提供洞察和預測。

9.自動擴充(Auto Scaling)

雲原生應用程式利用自動根據需求進行資源擴充或縮減的能力。自動擴充確定應用程式能夠有效地處理不同的工作負載，最大程度地利用資源并降低成本。

自動擴充，也稱為自動縮放，是由雲計算平台提供的功能，允許應用程式和基礎設施資源根據預定義的條件或名額自動調整其容量。自動擴充使組織能夠根據需求的變化動态地擴充或縮減資源，以確定最佳性能和資源利用。

自動擴充的關鍵點和優勢：

彈性：自動擴充為應用程式和基礎設施資源提供了彈性。它允許組織根據需求對資源進行擴充，例如虛拟機、容器或無伺服器函數。自動擴充可以根據預定義的條件自動執行，如CPU使用率、網絡流量或隊列長度。
性能優化：自動擴充確定應用程式和系統在需求變化時不會出現性能下降。在高峰使用期間擴充資源有助于保持響應能力，防止服務中斷。在低需求期間縮減資源可以優化資源使用率并降低成本。
成本效率：自動擴充通過根據需求動态調整資源容量來優化資源成本。在需要時擴充資源可以確定足夠的性能，而在低需求期間縮減資源可以減少資源量和相關成本。這種彈性使組織隻需按需支付所需資源的費用。
高可用性和容錯性：自動擴充增強了系統的可用性和容錯性。通過自動擴充資源，系統可以将工作負載分布在多個執行個體上，降低故障或超載的風險。如果執行個體或元件發生故障，自動擴充可以啟動新執行個體以維持服務的可用性和可靠性。
無縫使用者體驗：自動擴充通過動态調整資源來适應需求，確定了一緻和可靠的使用者體驗。應用程式可以在高流量或高使用期間進行擴充，防止減速或服務中斷。這使得使用者體驗無縫，系統能夠适應增加的負載而不影響性能。
簡化運維：自動擴充自動化了資源管理過程，減少了手動幹預和人為錯誤的風險。管理者可以根據業務需求定義擴充政策和條件，而自動擴充系統則會處理其餘的事務。這簡化了運維工作，使團隊能夠專注于其他關鍵任務。
與其他服務的內建：自動擴充通常與其他雲服務內建，如負載均衡器、資料庫和消息系統。這種內建確定整個系統能夠協調擴充，平衡負載在多個資源群組件之間。
粒度和靈活性：自動擴充提供了資源擴充的粒度和靈活性。根據雲平台的不同，組織可以在不同級别上定義擴充政策，例如執行個體級别、服務級别，甚至是精細的函數級别。這允許對資源擴充進行細粒度的控制和優化，以滿足特定應用程式的需求。

10.總結

通過采用這些雲原生模式，組織可以在軟體開發和部署過程中實作更高的靈活性、可擴充性和彈性。這些模式促進了雲資源的高效利用，實作了快速疊代和部署，并促進了健壯和可擴充應用程式的開發。

原文連結

https://www.javacodegeeks.com/cloud-native-patterns

一文了解8種雲原生模式