容器化架构：组件和设计原则

什么是容器化架构？

容器化架构使得将软件及其依赖项打包在一个称为容器的隔离单元中成为可能，该单元可以在任何环境中一致运行。容器是真正可移植的，与传统的软件部署不同，在传统的软件部署中，软件无法在没有错误和不兼容的情况下移动到另一个环境。

容器类似于传统虚拟化架构中的虚拟机，但它们更轻量级——它们需要更少的服务器资源并且启动速度更快。从技术上讲，容器与虚拟机不同，因为它与其他容器和应用程序共享操作系统内核，而虚拟机则运行完整的虚拟操作系统。

容器化可帮助开发人员和运营团队管理和自动化软件开发和部署。容器化使得将基础设施定义为代码（IaC）成为可能——在简单的配置文件中指定所需的基础设施，并根据需要多次部署。它对于管理由大量独立组件组成的微服务应用程序特别有用。

根据云原生计算基金会(CNCF)的定义，容器是云原生环境的关键部分。它们是云原生应用程序的重要组成部分，从头开始构建，以利用云的弹性和自动化。

容器化应用程序的构建块

以下是典型容器化应用程序架构的三个要素。

容器引擎
容器引擎（通常称为操作系统级虚拟化）基于内核允许多个隔离实例的操作系统。每个实例称为容器、虚拟化引擎或“监狱”。

开发人员使用容器创建资源隔离的虚拟主机，并可以在容器内部署应用程序、配置和其他依赖项。这减少了管理应用程序所需的管理开销，并使它们易于在环境之间部署和迁移。开发人员还可以使用容器在托管环境中部署应用程序，与虚拟机相比，效率更高且资源利用率更低。

容器编排器
容器编排软件允许开发人员使用容器集群的概念来部署大量容器并大规模管理它们。Orchestrator可帮助IT管理员自动执行运行容器实例、配置主机以及将容器连接到功能组的过程。

通过容器编排，可以管理由大量容器组成的应用程序或应用程序生态系统的生命周期。协调员可以：

根据策略、应用程序负载和环境指标自动部署容器
识别失败的容器或集群并修复它们
管理应用程序配置
将容器连接到存储并管理网络
通过限制容器之间以及容器与外部系统之间的访问来提高安全性

托管Kubernetes服务
托管Kubernetes服务在容器编排器之上添加了另一个级别的管理。设置和管理像Kubernetes这样的工具具有挑战性，并且需要专业知识。

这些服务允许组织提供容器映像以及高级扩展和操作策略，并自动创建Kubernetes集群。可以通过API、基于Web的控制台或CLI命令来管理集群。托管Kubernetes通常在公共云上提供，但也有一些平台可以在本地数据中心运行。

容器化架构的10个优势

过去，虚拟化提供了一种简化单个服务器上多个操作系统分布的方法。容器化被认为是虚拟化的下一代发展，其重点是将操作系统和应用程序分解为提供某些功能的软件片段。由于代码被分解为函数并单独打包，因此变得更加高效和可移植。

以下是实施容器化架构的十大好处：

降低基础设施运营成本，因为您可以在单个虚拟机上运行多个容器。
可扩展性——在微服务级别，无需扩展虚拟机或实例。
通过部署集和副本实现微服务的即时复制。
灵活的路由——您可以在容器化平台本机支持的服务之间进行设置。
弹性——当容器发生故障时，可以轻松地使用同一映像中的新容器刷新/重新部署。
完全可移植性——在本地位置和云环境之间。
独立于操作系统——无需运行操作系统。您所需要的只是在主机操作系统之上部署容器引擎。
新容器的快速部署。您还可以使用相同的环境快速终止旧容器。
轻量级——由于容器在没有操作系统的情况下运行，因此它们非常轻量级，并且比镜像要求低得多。
更快的“计算准备就绪”——您可以在几秒钟内启动和停止容器——比虚拟机快得多。

容器和微服务架构

微服务架构将应用程序划分为多个独立的服务，每个服务都由一个小团队开发和维护。每个微服务都有自己的CI/CD管道，可以随时部署到生产中，而不依赖于其他微服务。

打包和部署微服务的常见方法是在容器中。整个微服务应用程序可以使用容器编排器部署为集群。与完整的虚拟机或裸机服务器相比，使用容器进行微服务有几个优点：

容器是轻量级的，使得在一台物理主机上运行更多微服务实例成为可能。
容器可以轻松实现自动化，与CI/CD工作流程紧密集成。
容器是不可变的，因此在新版本发布时可以轻松拆除和替换微服务实例。
容器可以在本地开发环境、本地数据中心和云环境之间轻松移植，从而可以在一种环境中开发微服务并部署到另一种环境。

基于容器的应用程序设计

以下是关键设计原则的概述，可帮助您创建有效的基于容器的应用程序架构：

可观察性——确保运行时环境可以观察容器的健康状况所必需的。可观察性使您能够自动化容器的生命周期。可观察性的最低要求是让运行时执行运行状况检查的应用程序编程接口(API)。您还应该配置事件日志。
图像不变性——容器是为了临时使用而构建的。部署后您无法进行更改。相反，您需要构建新的容器映像，然后基于该映像部署新的容器版本。然后您应该停止旧容器，因为不再需要它。您可以使用协调器自动化此过程。
可处置性——容器化的一个主要优势是能够快速扩展、修复、关闭和启动应用程序或代码组件。此功能可让您快速部署补丁并处理突然的变化和容量需求。为了确保您的应用程序可以做到这一点，您应该使用正在读取并快速
处理的小型容器。
安全性——为了保护您的云原生应用程序，您需要建立容器安全实践和流程。您可以通过手动配置安全性来做到这一点，但请务必添加可以支持您的工作负载的自动化。最低安全要求包括使用可信图像、管理访问、集成安全测试工具以及向自动化部署添加安全扫描和控制。