楊小虎/博士、研究員，1994年起任教浙江大學計算機系/計算機學院，曾任浙江大學軟件學院常務副院長，現(xiàn)任浙江大學計算機軟件研究所副所長，浙江大學互聯(lián)網(wǎng)金融研究院副院長。長期從事軟件工程、金融科技（FinTech）、云計算等方面的研發(fā)工作，自2001年起創(chuàng)建并領(lǐng)導的浙江大學道富技術(shù)中心成為國際化產(chǎn)學研合作成功典范，近年來組織團隊積極開展云計算開源技術(shù)研發(fā)，對Kubernetes、Docker等重要開源項目的源代碼貢獻量超過1000萬行，在全球容器云開源技術(shù)領(lǐng)域具有較大影響力。

浙江大學計算機科學與技術(shù)學院簡介

浙江大學計算機科學與技術(shù)學院秉承“人為本，和為貴，變則通”的文化理念，以培養(yǎng)求是創(chuàng)新、與時俱進的具有國際視野的頂尖計算機人才為使命，先后培養(yǎng)了數(shù)位中國工程院院士和中國科學院院士。計算機學院下設(shè)5個系、4個研究所、2個中心，擁有計算機科學與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡空間安全、設(shè)計學4個國家一級學科。根據(jù)《基本科學指標》數(shù)據(jù)庫（ESI）2018年5月公布數(shù)據(jù)，浙江大學計算機學科ESI學科排名進入世界前千分之一，列全球第25位。2017年12月教育部公布的全國第四次學科評估中，浙江大學計算機學科和軟件工程學科均為A+，雙雙列全國并列第一。

近年來，新型開源云計算技術(shù)和社區(qū)蓬勃發(fā)展、影響巨大。包括浙江大學在內(nèi)的大量機構(gòu)和個人通過github、Stack Overflow等協(xié)同平臺完成了大量新思想、新技術(shù)的交流，創(chuàng)造了前所未有的包括容器、微服務、AI等技術(shù)的開源云原生生態(tài)系統(tǒng)。

企業(yè)、高校、個人緊密協(xié)作，助力開源云原生生態(tài)發(fā)展

由浙江大學、Google、RedHat、華為等企業(yè)于2015年共同參與成立的云原生基金會（Cloud Native Computing Foundation，CNCF）秉承著協(xié)助、使能、鼓勵（help, enable, encourage）的宗旨，海納百川，是當前在容器、微服務、云原生領(lǐng)域最活躍的社區(qū)之一。CNCF通過構(gòu)建并推廣一系列的開源技術(shù)和標準，為在云原生時代構(gòu)建動態(tài)（dynamic）、分布式（distributed）環(huán)境下的可伸縮（scalable）、可運維（operable）、可觀測（observable）的敏捷應用與服務提供先進可靠的技術(shù)路線。

圖 1 CNCF組織構(gòu)建的云原生生態(tài)圖譜

以CNCF社區(qū)第一個宣布畢業(yè)的開源容器編排項目Kubernetes的代碼貢獻量統(tǒng)計為例，我們可以觀察到企業(yè)、高校和個人的緊密協(xié)作和貢獻是CNCF社區(qū)得以蓬勃發(fā)展的基石，自社區(qū)創(chuàng)立以來浙大一直積極持續(xù)的在社區(qū)進行投入，貢獻度始終排名全球第一梯隊，與華為一起領(lǐng)跑國內(nèi)Kubernetes社區(qū)生態(tài)。

技術(shù)標準化是開源社區(qū)健康發(fā)展的保障

如同生物多樣性對生物界進化的作用一般，技術(shù)多樣性同樣是技術(shù)得以不斷演化與進步的保證。當前CNCF社區(qū)已經(jīng)包含了20多個開源項目，而由CNCF繪制的云原生生態(tài)圖譜則包含了超過500種開源技術(shù)（圖 1）。在這樣充滿技術(shù)多樣性的生態(tài)系統(tǒng)中，技術(shù)標準保障了不同類型的技術(shù)無縫對接，防止出現(xiàn)同類技術(shù)惡意競爭的情況，是生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要保障。

2015年，CNCF成立之初，社區(qū)創(chuàng)始成員們就對技術(shù)標準化做出了富有建設(shè)性的設(shè)想，并做了CNCF社區(qū)未來工作范圍的總體架構(gòu)設(shè)計（見圖2），其中包括了資源調(diào)度、分布式系統(tǒng)服務、應用定義與編排等技術(shù)組件與一系列技術(shù)間的對接標準。眾多的尚處于設(shè)想中的技術(shù)標準，其中相當一部分，在2018年的今天都已經(jīng)成為了現(xiàn)實，包括容器運行時接口標準（Container Runtime Interface）、容器存儲接口標準（Container Storage Interface）和容器網(wǎng)絡接口標準（Container Network Interface）。當然在當今豐富的生態(tài)系統(tǒng)中也包含了CNCF成立之初沒有考慮到的技術(shù)標準，包括開放服務代理標準（Open Service Broker API）、云事件標準（Cloud Event）等等。

浙江大學一直關(guān)注并推進社區(qū)標準化工作的發(fā)展，曾參與OCI標準參考實現(xiàn)runc開源項目的研發(fā)，并作為maintainer參與cri-tools開源項目的研發(fā)，推進容器運行時標準（CRI）在社區(qū)的推廣。

圖 2 2015年 CNCF成立之初的架構(gòu)設(shè)想

基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定化和上層生態(tài)的繁榮

云原生開源技術(shù)圈流行一句話：“infrastructure should be boring“，即IT基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)技術(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。Open Container Initialitive（簡稱OCI）組織的出現(xiàn)，以及以containerd/runc為代表的基礎(chǔ)容器運行時參考實現(xiàn)的廣泛采用，標志著云原生時代的第一層基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定化。而Kubernetes在容器編排領(lǐng)域的勝出，則代表了云原生時代的第二層技術(shù)設(shè)施的穩(wěn)定化。

這些底層技術(shù)的穩(wěn)定使得生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的其他廠商有信心在相關(guān)技術(shù)上繼續(xù)投入，同樣也使得終端用戶有信心嘗試和采用云原生、微服務技術(shù)。更為重要的是為云原生生態(tài)內(nèi)的上層技術(shù)的繁榮帶來的強大的助推作用。

以Kubernetes API為基礎(chǔ)，在CNCF社區(qū)中出現(xiàn)了大量Kubernetes-Native的上層技術(shù)，包括Service Mesh類的Istio、Linkerd等，云原生存儲類的Rook項目，服務無計算/函數(shù)計算類的fission項目，快速部署管理深度學習框架的kubeflow項目，大數(shù)據(jù)類框架管理的Spark on Kubernetes，復雜應用定義與管理類的ksonnet、Helm項目等。這些上層技術(shù)的出現(xiàn)使得云原生可以被應用到更為廣泛的場景中，除了常見的無狀態(tài)/有狀態(tài)應用之外，也包括serverless、AI、大數(shù)據(jù)等多種場景，并反過來推進了Kubernetes等云原生技術(shù)的進一步推廣。

需要指出的是，在基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定化的大趨勢下，也存在一些底層的新興力量，比如近期Google發(fā)布的gVisor運行時技術(shù)，在遵循OCI運行時標準的同時，為容器運行時的實現(xiàn)帶來了全新的思路。

無服務的興起和云計算抽象層次的提升

無服務計算（serverless）是新近加入到云原生生態(tài)圖譜中的一大類新興技術(shù)（圖 4）。我們不應把無服務計算等價為某項具體的技術(shù)（比如亞馬遜的Lambda），也不應該將它等價為某類具體的技術(shù)（比如函數(shù)計算）。無服務技術(shù)代表了云計算服務抽象層次的提升。作為終端用戶，不再需要關(guān)于底層技術(shù)設(shè)施（如虛擬機集群的規(guī)格定義和管理），而將注意力集中到更高抽象層次的應用開發(fā)上去。

圖 3 CNCF社區(qū)中的服務無生態(tài)圖譜

從這個角度理解無服務計算，我們可以認為無服務計算是新的也是舊的。說它是舊的，因為它包括IT領(lǐng)域之前早就出現(xiàn)過的Mobile-Backend-as-a-Service（MBaaS），也包括2011年開源的經(jīng)典PaaS技術(shù)Cloud Foundry+BOSH+IaaS（雖然當時并未從serverless角度考慮，但通過BOSH自動調(diào)用IaaS層接口，我們可以實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的透明化管理，即實現(xiàn)根據(jù)工作負載動態(tài)調(diào)整Cloud Foundry所使用的IaaS虛擬機集群的規(guī)模，因此雖然PaaS和FaaS等serverless技術(shù)有所區(qū)別，我們將Cloud Foundry+BOSH+IaaS技術(shù)也歸類到無服務計算中）。說它是新的，因為以AWS Lambda為代表的函數(shù)計算，以及更為近期的AWS Fargate和Azure ACI（Azure Container Instances）以及華為云CCI（Cloud Container Instance）服務正在不斷擴充無服務計算的內(nèi)涵。浙江大學一直致力于新型云計算技術(shù)的研發(fā)，早在2011年就開始參與Cloud Foundry開源項目，而在近期又參與到fission等開源FaaS項目中。

無服務計算符合云計算一直以來細化分工、提升生產(chǎn)力的總體思想，我們可以預測，無服務計算將不僅限于函數(shù)計算，而將在未來演化出多種形式的計算模式，而面向無服務計算的安全、監(jiān)控等多方面相關(guān)技術(shù)生態(tài)將進一步繁榮（當前CNCF的無服務生態(tài)圖譜中僅僅包含工具、框架等少數(shù)類別，如圖 4所示）。由于涉及到應用架構(gòu)的演進，無服務計算的落地不會發(fā)生在一夜之間，而將結(jié)合微服務技術(shù)，在未來的幾年里緩慢推進。而在此過程中類似CNCF社區(qū)中的virtual kubelet技術(shù)將作為新舊架構(gòu)應用開發(fā)運維模式的銜接與橋梁。

云-邊-端一體化的計算新格局

IDC此前的數(shù)據(jù)顯示，隨著5G的到來和IoT的發(fā)展，到2020年，將有超過500億的終端設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。而考慮到帶寬的消耗、網(wǎng)絡的延遲、以及數(shù)據(jù)隱私性保護等挑戰(zhàn)，在智慧城市、智慧醫(yī)療、智能制造、智能家居等數(shù)據(jù)量龐大、對處理延遲敏感、對數(shù)據(jù)隱私敏感的場景下，終端設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中有超過半數(shù)需要在終端設(shè)備或網(wǎng)絡邊緣側(cè)就近分析處理，而中心化的云端只處理計算資源需求大、實時性要求不高的計算任務，如AI模型訓練。未來的計算不僅僅局限在大型數(shù)據(jù)中心，而將分布在由云-邊-端構(gòu)成的一體化連續(xù)頻譜上。

從計算平臺的角度看，云-邊-端一體化的計算新格局至少提出了以下兩大挑戰(zhàn)：邊緣操作系統(tǒng)和端云一體化管理平臺。

當我們把終端設(shè)備和接入網(wǎng)關(guān)等構(gòu)成的集群當做一個個的小型數(shù)據(jù)中心，每個邊緣節(jié)點不再運行單一的任務，而是變成一個可以動態(tài)執(zhí)行被調(diào)度該節(jié)點的多類型任務的通用計算節(jié)點。因此邊緣操作系統(tǒng)不僅僅需要負責邊緣設(shè)備上的任務調(diào)度、存儲網(wǎng)絡管理等傳統(tǒng)操作系統(tǒng)職責，也需要提供一套完整的安全隔離機制，以防止動態(tài)調(diào)度到同一邊緣設(shè)備上任務之間的相互影響。

而容器作為一類輕量級的操作系統(tǒng)隔離技術(shù)就可以在這里發(fā)揮作用。根據(jù)不同場景下資源的豐富程度和功能需求，在具體做法上我們可以看到部署完整的Docker方案的實踐，也可以看到更加輕量化的以containerd/runc為基礎(chǔ)構(gòu)建的開源IoT平臺eliot，或者類似百度IoT Intelligent Edge平臺那樣基于Linux內(nèi)核的namespace，cgroup技術(shù)直接構(gòu)建定制化容器隔離的技術(shù)方案。浙江大學在這方面的研究主要圍繞著unikernel技術(shù)，相比常見的containerd/runc容器技術(shù)，通過rumpkernel，OSv等unikernel技術(shù)可以進一步減少攻擊面，減少資源占用和加快響應速度，實現(xiàn)邊緣設(shè)備上安全計算環(huán)境。

端云一體化管理平臺負責管理邊緣設(shè)備構(gòu)成的大量小型數(shù)據(jù)中心。開源社區(qū)已經(jīng)有關(guān)于如何將Kubernetes等優(yōu)秀的容器編排引擎應用到大量小型數(shù)據(jù)中心的管理上。2018年5月在丹麥哥本哈根舉行的KubeCon+CloudNativeCon大會上開辟了專門的session討論Kubernetes與邊緣計算話題。跟CNCF同在Linux基金會下的EdgeX Foundry社區(qū)也發(fā)起了EdgeX Foundry on Kubernetes，即將該社區(qū)的邊緣計算平臺EdgeX運行在Kubernetes之上，利用Kubernetes完成資源調(diào)度管理的技術(shù)討論。微軟的IoT Edge Virtual Kubelet開源項目（圖 5）旨在討論如何使用Kubernetes構(gòu)建包含傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心和邊緣計算的混合端云一體化管理平臺。浙江大學在CNCF社區(qū)的frakti項目中將unikernel作為Kubernetes的一個運行時，為Kubernetes在邊緣計算場景下的應用做出了有益的嘗試。

圖 4 微軟的IoT Edge Virtual Kubelet開源項目架構(gòu)，使用Kubernetes構(gòu)建包含傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心和邊緣計算的混合端云一體化管理平臺。圖片來源：github.com/azure/iot-edge-virtual-kubelet-provider

學術(shù)界對云原生的關(guān)注與推動

近5年以來以容器、微服務技術(shù)為代表，在IT工業(yè)界蓬勃發(fā)展的云原生技術(shù)浪潮也吸引了學術(shù)界的注意力。一方面，來自Google的行業(yè)專家發(fā)表的《Large-scale cluster management at Google with Borg》、《Design patterns for container-based distributed systems》等論文讓學者了解了容器、微服務技術(shù)如何支持Google等大型互聯(lián)網(wǎng)公司高可靠、高伸縮性的全球服務體系。各行各業(yè)的研究者正在創(chuàng)造性地使用容器等云原生技術(shù)推動資源調(diào)度、邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等各領(lǐng)域的發(fā)展。另一方面，軟件工程領(lǐng)域的學者也高度關(guān)注這場基于開源協(xié)作開發(fā)平臺的新技術(shù)浪潮，紛紛開始研究開源項目的演化迭代，開源社區(qū)的形成以及開源社區(qū)的內(nèi)部交流如何促進高質(zhì)量開源軟件的研發(fā)。

IEEE Cloud Computing Initiative在2017年特地出版了針對云原生技術(shù)的專刊（2017 vol.4 Issue 5）鼓勵學術(shù)界更多地參與到這場云原生運動中。在該增刊的引言部分美國Indiana大學的Dennis Gannon教授與來自亞馬遜、微軟的云計算行業(yè)專家共同探討了云原生技術(shù)的定義，列舉了當前業(yè)界基于云原生架構(gòu)構(gòu)建的大型軟件系統(tǒng)，總結(jié)了容器技術(shù)、service fabric、serverless等云原生核心技術(shù)，并探討云原生技術(shù)對于IT行業(yè)的重大影響以及未來云原生技術(shù)在邊緣計算等新方向的應用與挑戰(zhàn)。