譯者 | 李睿

審校 | 梁策 孫淑娟

如今，“云原生”這一概念已多用來表示應(yīng)用邏輯和基礎(chǔ)設(shè)施(包括數(shù)據(jù)庫)的最佳實踐集合。然而，早在云計算或云原生概念出現(xiàn)幾十年前，許多支持應(yīng)用程序運行的數(shù)據(jù)庫就已存在，只是這些傳統(tǒng)解決方案的數(shù)據(jù)引力限制了應(yīng)用程序和工作負載的移動能力。隨著企業(yè)將業(yè)務(wù)遷移到云端，數(shù)據(jù)存儲方法該怎樣發(fā)展?需不需要云原生數(shù)據(jù)庫?云原生數(shù)據(jù)庫又意味著什么?以下我們來一一解答。

什么是云原生?

要定義“云原生”，需要先來明白什么是“原生”(Native)。對于個人而言，原生二字可能會讓你聯(lián)想到母語、本國或本地之類的概念，亦或是自然界里野生動物的原生棲息地，包括各個物種如何適應(yīng)所處環(huán)境等。因此，我們也從這里出發(fā)來理解云原生的含義。

以下是云原生計算基金會(CNCF)對該術(shù)語的定義： “云原生技術(shù)使企業(yè)能夠在公共云、私有云和混合云等現(xiàn)代動態(tài)環(huán)境中構(gòu)建和運行可擴展的應(yīng)用程序，容器、服務(wù)網(wǎng)格、微服務(wù)、不可變基礎(chǔ)設(shè)施以及聲明性API都是典型例子。這些技術(shù)使松散耦合的系統(tǒng)具有彈性、可管理性和可觀察性，輔以強大的自動化，工程師可以最少的工作量進行高頻預(yù)測性更改?！?/p>

這一定義范圍相當寬泛，但來定義云原生數(shù)據(jù)庫還是有些吃力，就如CNCF景觀圖數(shù)據(jù)庫部分所示：

數(shù)據(jù)庫只是龐大的云計算領(lǐng)域中的一小部分

仔細觀察就會發(fā)現(xiàn)，這里包含各種各樣的產(chǎn)品：如傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫和NoSQL數(shù)據(jù)庫，它們支持各種不同的數(shù)據(jù)模型，包括鍵/值、文檔和圖形。此外還包括現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫之上的分層聚類、查詢或模式管理技術(shù)。這還不包括CNCF領(lǐng)域的其他有關(guān)類別，例如用于數(shù)據(jù)移動的流式傳輸和消息傳遞，或用于持久性的云原生存儲。

這些數(shù)據(jù)庫中哪些是云原生呢?除了專為云設(shè)計的數(shù)據(jù)庫，是否也包括那些可以適應(yīng)云中工作的數(shù)據(jù)庫?在比爾·懷爾德 (Bill Wilder) 2012年出版的《云架構(gòu)模式》(Cloud Architecture Patterns)一書中，他提出了一個有趣觀點，把“云原生”定義為：“任何經(jīng)過架構(gòu)而能充分利用云平臺的應(yīng)用程序”。

根據(jù)這個定義，云原生數(shù)據(jù)庫就是那些經(jīng)過架構(gòu)，能充分利用底層云基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)庫。但是，這樣定義也會有爭議。

為什么要關(guān)心數(shù)據(jù)庫是否是云原生?

或者換個方式來問，云原生數(shù)據(jù)庫有什么優(yōu)勢?其中，推動云計算普及的兩個主要因素包括：成本和上市時間。

• 成本——即用即付的能力對于提高云采用率至關(guān)重要(但不意味著云計算價格低廉或成本管理簡單)。
• 上市時間——快速啟動基礎(chǔ)設(shè)施以進行原型設(shè)計、開發(fā)、測試和交付新應(yīng)用程序和功能的能力(但不意味著云開發(fā)和運營容易)。

就像堆棧選擇中的其他因素一樣，這些目標也適用于數(shù)據(jù)庫選擇。

云原生數(shù)據(jù)庫的特征是什么?

現(xiàn)在，我們可以重新審視CNCF的定義，以有助于成本和上市時間目標實現(xiàn)來歸納出云原生數(shù)據(jù)庫的特征：

• 可擴展性——系統(tǒng)必須能夠動態(tài)增加容量，以吸收額外的工作負載。
• 彈性——必須能夠縮減規(guī)模，以便用戶只為所需資源付費。
• 恢復(fù)能力——系統(tǒng)抵受故障，必須保障不丟失數(shù)據(jù)。
• 可觀察性——能夠跟蹤活動，以及運行狀況檢查和處理故障轉(zhuǎn)移。
• 自動化——將操作任務(wù)落實為可重復(fù)邏輯，以降低出錯可能。這一特性最難實現(xiàn)，但對于實現(xiàn)大規(guī)模高交付速度至關(guān)重要。

云原生數(shù)據(jù)庫旨在落實這些要求，這讓它們與那些可以通過一些調(diào)整部署到云中的數(shù)據(jù)庫——“云就緒”數(shù)據(jù)庫區(qū)分開來。

什么最能代表云原生數(shù)據(jù)庫?

本文以Apache Cassandra?為例來審視云原生數(shù)據(jù)庫的定義。雖然Cassandra在開發(fā)時“云原生”一詞尚未普及，但由于受到了公共云基礎(chǔ)設(shè)施的啟發(fā)(例如亞馬遜AWS的Dynamo論文和谷歌公司的BigTable)，它在架構(gòu)影響上有許多相似之處。因為這層關(guān)系，Cassandra體現(xiàn)了以下原則：

• Cassandra通過添加節(jié)點展示了橫向可擴展性，并且可以彈性縮減，以在高峰負載期之外釋放資源。
• 在默認情況下，Cassandra是一個AP系統(tǒng)，也就是說，它如CAP定理中所述的那樣優(yōu)先考慮可用性和分區(qū)容錯性，而不是一致性。Cassandra的內(nèi)置復(fù)制、無共享架構(gòu)和自我修復(fù)功能有助于保證彈性。
• Cassandra節(jié)點公開日志記錄、指標和查詢跟蹤，從而實現(xiàn)可觀察性。
• 自動化是Cassandra最具挑戰(zhàn)性的方面，這也是數(shù)據(jù)庫常碰到的一個問題。

雖然Cassandra集群自動化的初始部署比較簡單，但其他任務(wù)(例如擴展或升級)可能非常耗時且難以自動化。畢竟，即使是對單節(jié)點數(shù)據(jù)庫操作也很有挑戰(zhàn)，許多數(shù)據(jù)庫管理員也都認同這點。幸運的是，K8ssandra項目為在Kubernetes上部署Cassandra提供了最佳實踐，其中包括在交付運營(“Day 2”)后的自動化操作方面取得了重大進展。

云原生數(shù)據(jù)庫是否必須在Kubernetes上運行?

有關(guān)Kubernetes，當人們談?wù)撛浦械臄?shù)據(jù)庫時，實際上是在說需要某種存儲的有狀態(tài)工作負載。但在云計算世界中，有狀態(tài)是個麻煩事。數(shù)據(jù)引力相當棘手——由于法規(guī)和法律的限制，數(shù)據(jù)可能難以移動，而且成本可能會變得非常高昂。

由于最初不是為有狀態(tài)工作負載而設(shè)計，在開始使用Kubernetes部署容器化應(yīng)用程序時，其面臨的挑戰(zhàn)有增無減。目前出現(xiàn)了推動部署數(shù)據(jù)庫在Kubernetes上運行的新趨勢，以在單一平臺上運行整個堆棧來最大限度地提升開發(fā)和運營效率。Kubernetes對云原生數(shù)據(jù)庫有哪些額外要求呢?

(1)容器化

首先，數(shù)據(jù)庫必須在容器中運行。這聽起來顯而易見，但也需要做些工作。存儲必須外部化，內(nèi)存和其他計算資源必須適當調(diào)整，應(yīng)用程序日志和指標必須可用于基礎(chǔ)設(shè)施，以進行監(jiān)控和日志聚合。

(2)存儲

接下來，需要將數(shù)據(jù)庫的存儲需求映射到Kubernetes架構(gòu)。每個數(shù)據(jù)庫節(jié)點最起碼要提出一個持久卷聲明，Kubernetes可以使用它來分配具有適當容量和輸入/輸出(I/O)特征的存儲卷。數(shù)據(jù)庫通常使用Kubernetes狀態(tài)集進行部署，這有助于管理存儲卷到pod的映射，并保持一致、可預(yù)測的身份。

(3)自動化操作

最后，需要工具來管理和自動化數(shù)據(jù)庫操作，這當中包括安裝和維護。通常這由Kubernetes操作員模式實現(xiàn)。操作員模式本身是一個控制回路，它觀察Kubernetes資源的狀態(tài)，并采取措施以助其實現(xiàn)。這樣的話，它們就類似于Kubernetes的內(nèi)置控制器，但關(guān)鍵區(qū)別在于它們了解特定域的狀態(tài)，從而幫助Kubernetes做出更好決策。

例如，K8ssandra項目使用cass-operator，它定義了一個名為“Cassandra Datacenter”的Kubernetes自定義資源(CRD)，由它來描述Cassandra集群每個頂級故障域的期望狀態(tài)。這比處理有狀態(tài)集或單個pod的抽象水平更高。

Kubernetes數(shù)據(jù)庫操作員通常有助于解答以下問題：

• 故障轉(zhuǎn)移期間會發(fā)生什么?(pod、磁盤、網(wǎng)絡(luò))
• 向外擴展時會發(fā)生什么?(pod重新安排)
• 如何執(zhí)行備份?
• 如何有效檢測和預(yù)防故障?
• 軟件如何升級?(滾動重啟)

結(jié)論

云原生數(shù)據(jù)庫是按可擴展性、彈性、韌性、可觀察性和自動化等云原生原則設(shè)計的數(shù)據(jù)庫。就如Cassandra所示，自動化通常是最終關(guān)卡，但在Kubernetes中運行數(shù)據(jù)庫可以有效助力企業(yè)朝著這一目標邁進。

原文標題：The Search for a Cloud-Native Databaseby，作者：Pieter Humphrey