進入21世紀后，虛擬機技術(shù)進入相對成熟階段，由于虛擬機的“笨重”，開發(fā)者們開始追求一種更加輕便的虛擬化技術(shù)。2010年，由 NASA 和 Rackspace 聯(lián)合開發(fā)的開源平臺 OpenStack 誕生，幫助服務(wù)商和企業(yè)實現(xiàn)云基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)。它將開源、開放的思想帶到了云原生領(lǐng)域，并為云原生發(fā)展掀開了新篇章。

2020年，OpenStack基金會更名為開放基礎(chǔ)設(shè)施基金會OIF，OpenStack 從“云”拓展到了“開放基礎(chǔ)設(shè)施”。

緊接著，OpenStack從最初的虛擬化管理Nova和對象存儲Swift ，逐漸發(fā)展到包含虛擬化管理、SDN、SDS 服務(wù)編排和容器管理等功能覆蓋全面的開源項目集合。同時緊跟云原生技術(shù)演進潮流，與容器、Kubernetes、AI 相關(guān)的更多開源技術(shù)緊密合作。2021年11月,OIF基金會宣布了開放基礎(chǔ)設(shè)施的新標準 LOKI——Linux、OpenStack、Kubernetes 等組成的開放基礎(chǔ)設(shè)施管理軟件。

在今年4月，OIF發(fā)布了OpenStack Yoga版本，并宣布，待下一個被稱為終結(jié)者的 Zed 版本發(fā)布之后，OpenStack 將以穩(wěn)定的狀態(tài)成為企業(yè)IT的生產(chǎn)級工具。這意味著云原生逐漸進入后OpenStack 時代，2017 年起，各大云廠商都陸續(xù)開始包裝和提供容器的商業(yè)化服務(wù)，提供基于 Kubernetes 的商業(yè)服務(wù)產(chǎn)品，容器技術(shù)逐漸走向成熟和標準化、商業(yè)化，成為虛擬化的新代表產(chǎn)品，圍繞容器發(fā)展的云原生逐漸走向普適的階段，已經(jīng)應(yīng)用容器的企業(yè)正在進行著云原生的新一輪技術(shù)演進。

一、后OpenStack時代的Kubernetes:從“解決難用”到“用的好”

數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速增加了企業(yè)對于云原生的需求，容器技術(shù)覆蓋率提高，IDC預(yù)測，容器軟件市場在近幾年呈爆發(fā)式增長，并且未來五年仍然會保持超過 40% 的復(fù)合增長率。

進而，企業(yè)對容器管理的需求會直線提升，容器管理成為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的主戰(zhàn)場。據(jù) Gartner 預(yù)測，到 2025 年，成熟經(jīng)濟體中 85% 的大型企業(yè)將更多地使用容器管理。

如今在大多企業(yè)的業(yè)務(wù)場景中，企業(yè)組織需要確保多個容器可同時協(xié)同工作，這方面的工作大部分都是又編排引擎完成。隨著 Kubernetes 的興起與演進，目前已經(jīng)克服了容器編排過程中許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

或許因為 Kubernetes 想要解決的問題太多，所以導(dǎo)致其復(fù)雜度很高，于是不少企業(yè)也在應(yīng)用其他容器管理解決方案。然而市場數(shù)據(jù)證明，Kubernetes 依舊是大多企業(yè)的選擇。CNCF 最近的一份報告顯示，Kubernetes 在全球已擁有近 600 萬個企業(yè)用戶，成為云上應(yīng)用程序主要的部署模式。

盡管 Kubernetes 覆蓋率高，但這也并不意味著已經(jīng)在應(yīng)用它的用戶滿意，常被吐槽“難用但還很需要”。在 Kubernetes 的實際使用過程中，經(jīng)常會遇見一些“難用”問題，比如創(chuàng)建容器時間過長、低吞吐量/ RPS /突發(fā)并發(fā)、容器擴展速度慢、集群擴展速度慢、Sidecar 資源開銷、資源利用率低等，為此，英特爾提出了創(chuàng)新的“SW+HW 功能解析”解決方案，開發(fā)工作主要集中在資源編排(Orchestration)和可觀測行(Observability)兩方面：

●基于快照+熱代碼塊來創(chuàng)建容器;

●分片式多調(diào)度器;

●彈性 POD 的自動擴展;

●基于遙測的快速預(yù)測，用于實時擴展的決策;

●動態(tài)插入/刪除 POD 中的 Sidecar 容器;

●鏈接設(shè)備的親和調(diào)度/分配(NUMA, GPU+Smart NIC 等);

●實時 “節(jié)點資源變化” 反饋給 Kubernetes 調(diào)度器。

以上提到的這些技術(shù)都符合 Kubernetes 的 API 規(guī)范并可與現(xiàn)有的 API 兼容，確保用戶在不修改已有 Kubernetes 代碼的情況下便能安裝使用。為了方便用戶測試、評估這些技術(shù)，英特爾還直接提供了容器鏡像的方式讓用戶可以通過Operator等標準的 Kubernetes 應(yīng)用部署方法來安裝部署。

解決完容器“難用”問題，就要接著考慮如何“用得好”的問題。“用的好”的前提是選對架構(gòu)。在后 OpenStack 時代，企業(yè)使用云原生架構(gòu)的目的是追求敏捷、彈性、高性能和效率。要想達到這些目的，單純依靠軟件層面的優(yōu)化是不夠的，以Serverless為例，很多部署中會出現(xiàn)的問題，比如函數(shù)冷啟動等，都需要通過硬件層面的優(yōu)化來解決。

隨著數(shù)據(jù)逐漸擴散至邊緣場景，越來越多的企業(yè)期望通過云原生架構(gòu)實現(xiàn)云邊端一體化協(xié)同的基礎(chǔ)設(shè)施，英特爾一直在為此做出努力，聚焦企業(yè)發(fā)展不同階段的不同需求，針對性提出架構(gòu)優(yōu)化方案。

其次，企業(yè)部分廣泛存在的AI訴求也對“用得好”提出了挑戰(zhàn)。如今幾乎每個應(yīng)用功能都離不開 AI，然而 AI 模型從開發(fā)進入到生產(chǎn)部署階段面臨著多重困難和挑戰(zhàn)。一般而言，AI 模型需要經(jīng)過大量的調(diào)試和測試，通常需要 2-3 天才能部署上線;而且 AI 線上服務(wù)計算資源通常較固定，對于突發(fā)需求資源響應(yīng)慢，又面臨著業(yè)務(wù)擴展難的問題。

作為云原生的核心技術(shù)， Kubernetes 能夠管理云平臺中多個主機上的容器化應(yīng)用，能夠完成 AI 資源的統(tǒng)一部署、規(guī)劃、更新、維護，有效提高 AI 資源管理率。此外，在基于 Kubernetes 的 AI 開發(fā)平臺建設(shè)實踐中，使用 CPU 服務(wù)器可有效利用空置資源、空閑時間，并通過 Kubernetes 的彈性資源調(diào)度分配給其它應(yīng)用。而且 CPU 作為通用算力提供者，在采購成本、使用難度等方面有著重要優(yōu)勢，不僅支持 AI 運算，還可用于其他應(yīng)用負載。

在 Kubernetes 發(fā)布初期，針對 CPU 和內(nèi)存的管理與分配做的比較簡單，隨著新版本的發(fā)布，逐步有一些新的功能加進來(如 CPU Manager、Topology Manager 等)，但 Kubernetes 缺省的 CPU Manager、Topology Manager 仍無法了解服務(wù)器級硬件的復(fù)雜內(nèi)部架構(gòu)和 CPU 本身的能力，這就可能會導(dǎo)致 CPU 的資源分配決策和計算性能無法達到最優(yōu)。對于英特爾?至強?可擴展處理器來說，其架構(gòu)復(fù)雜、功能強大，如果想要在上面部署 Kubernetes 集群來高效支撐云業(yè)務(wù)，就需要對其拓撲結(jié)構(gòu)和 CPU 的強大功能暴露給 Kubernetes集群，這時英特爾? CRI-RM 因此而生。

在英特爾研發(fā)團隊的不懈努力下，如今英特爾?CRI-RM 助力下的 CPU 在 AI 場景中能夠更顯威力。英特爾?CRI-RM 是英特爾初創(chuàng)的一個開源項目，其目的是通過在節(jié)點上的動態(tài)劃分系統(tǒng)資源，配合 Kubernetes 調(diào)度器，實現(xiàn)在節(jié)點層面上的最優(yōu)任務(wù)編排，把英特爾平臺的特性完美的適配到 Kubernetes 的集群環(huán)境里。

浪潮在 AIStation V3 中應(yīng)用了英特爾?CRI-RM 組件，該組件可以插在 Kubelet 和 CR 之間，截取來自 Kubelet CRI 協(xié)議的請求， 扮演 CR 的非透明代理，跟蹤所有集群節(jié)點容器狀態(tài)，能夠更好 地將處理器、內(nèi)存、IO 外設(shè)、內(nèi)存控制器等資源分配給應(yīng)用負載。在 Tensorflow 等測試用例中，這一優(yōu)化被證明能夠?qū)崿F(xiàn)高達 57.76% 的性能提升。這意味著在未對硬件配置進行更新的前提下，CRI-RM 的應(yīng)用會帶來大幅度的性能提升，使得用戶無需在進行硬件投入便能夠獲得可觀的 AI 訓練性能提升，從而提高基礎(chǔ)設(shè)施的利用效率，并節(jié)約了總體擁有成本。

通過浪潮的實踐，我們基本就能夠看出，英特爾的軟件開發(fā)和創(chuàng)新的起點就是充分利用硬件資源潛能來優(yōu)化應(yīng)用，加速應(yīng)用負載使其在英特爾平臺上以達到更好的開發(fā)和用戶體驗。又比如 QAT 加速卡，在云原生領(lǐng)域的各種網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊中，它便有效提速了安全加解密(TLS)和壓縮/解壓縮的處理性能，從而幫助軟件獲得更好的性能。

二、企業(yè)當下需要的是“一站式”容器解決方案

用過 OpenStack 的人都知道，版本升級是 OpenStack 商業(yè)化應(yīng)用的最大痛點。每年兩次版本升級令企業(yè)真的有點吃不消，舊操作系統(tǒng)無法滿足新版本的升級需求，用戶輕易不敢進行升級。雖然說 OpenStack 將在 Zed 版本之后，從“A”開始重新命名，每年兩次大版本升級改為每年一次大版本升級，但這依舊滿足不了如今企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中上云的需求。

隨著技術(shù)發(fā)生變革，用戶需要的是一套能從產(chǎn)品端到服務(wù)端的一站式解決方案來滿足需求。因為這些需求的存在，越來越多的團隊會基于 Kubernetes 構(gòu)建上層抽象，增加更多的擴展能力，以“應(yīng)用”為中心構(gòu)建高可擴展的云原生平臺。

比如青云科技開源的KubeSphere項目，在 Kubernetes 之上構(gòu)建的面向云原生應(yīng)用的分布式操作系統(tǒng)，完全開源，支持多云與多集群管理，提供全棧的 IT 自動化運維能力，簡化企業(yè)的 DevOps 工作流。它的架構(gòu)可以非常方便地使第三方應(yīng)用與云原生生態(tài)組件進行“即插即用”的集成。此外，KubeSphere 還開源了 KubeKey 幫助企業(yè)一鍵在公有云或數(shù)據(jù)中心快速搭建 Kubernetes 集群，提供單節(jié)點、多節(jié)點、集群插件安裝，以及集群升級與運維。

基于對企業(yè)用戶的需求洞察，青云科技在發(fā)展 KubeSphere 的社區(qū)的同時，還圍繞 KubeSphere 這一核心產(chǎn)品開發(fā)了企業(yè)級容器平臺—— KubeSphere 企業(yè)版。目前已經(jīng)在金融、運營商、工業(yè)、教育、能源、交通物流、零售電商和政府等行業(yè)積累了大量成功經(jīng)驗。像中金蒼穹容器平臺、易方達基金 PaaS 平臺、云天化集團容器云平臺、中移金科容器云平臺都是 KubeSphere企業(yè)版的優(yōu)秀實踐。

為了真正幫助企業(yè)更好地落地云原生應(yīng)用場景，青云科技廣泛聯(lián)合云原生生態(tài)體系各層面合作伙伴，打造開放共生的云原生生態(tài)圈。硬件層面的生態(tài)合作是其中重要的一部分，因為在當前的云原生生態(tài)環(huán)境下，云原生容器化平臺上的軟件應(yīng)用效率和硬件技術(shù)之前的關(guān)系更加緊密，其運行更需要調(diào)動硬件的加速能力。于是擁有獨特硬件黑科技優(yōu)勢的英特爾成為了青云科技的合作伙伴，為 KubeSphere 企業(yè)版提供了許多支持。

英特爾幫 KubeSphere 企業(yè)版實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)功能增強，通過開發(fā)并開源 Multus 的 CNI 插件、提供“將多個接口添加到 Pod”的功能，成功解決了因 Kubernetes 缺乏支持多個網(wǎng)絡(luò)接口能力，而受制于單一網(wǎng)絡(luò)解決方案的企業(yè)用戶的需求。如今的 KubeSphere 企業(yè)版在優(yōu)化后的 Intel Multus 解決方案的助力下，實現(xiàn)了更強大、更多元的網(wǎng)絡(luò)管理和擴展能力，支持用戶在創(chuàng)建應(yīng)用負載時可以自定義選擇多塊網(wǎng)卡，同時支持網(wǎng)卡資源池管理。

圖：應(yīng)用負載選擇多網(wǎng)卡

此外，為了檢測 Kubernetes Cluster 中每個 Node 的特性能力，英特爾還開發(fā)了 NFD(Node Feature Discovery)，而 KubeSphere 企業(yè)版深度集成了 NFD，使其節(jié)點管理得到增強。KubeSphere 企業(yè)版通過把節(jié)點更詳細的 Label 發(fā)送到 KubeSphere 企業(yè)版 Master Scheduler 之上，應(yīng)用負載獲得了更精準的調(diào)度，使其更充分地利用硬件資源。

圖：測試結(jié)果-Node Feature Discovery啟動成功

另外值得一提的是，CPU Manager 給 KubeSphere 企業(yè)版帶來的性能提升表現(xiàn)十分亮眼。當我們測試部署不同的 Redis pod 會發(fā)現(xiàn)，開啟 CPU Manager 后的 Redis 的讀寫性能與開啟前的讀寫性能相比，Redis 性能最高可以提升超過 9%。

圖：Redis 性能測試圖

三、容器好用，但也需要“注意安全”

虛擬化技術(shù)突破了操作系統(tǒng)與物理硬件的局限，在異構(gòu)資源整合、集中管理、提高硬件利用率等方面具有很強的優(yōu)勢，但這同時也增加了發(fā)生系統(tǒng)安全問題的概率，虛擬化的安全直接影響著云原生架構(gòu)的安全，間接影響著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成果及業(yè)務(wù)發(fā)展。

作為云原生虛擬化常用的技術(shù)，容器確實好用，但是容器安全問題也一直是行業(yè)內(nèi)備受詬病的問題。傳統(tǒng)的容器基于 NameSpace 和 Cgroup 進行隔離，在帶來輕量簡潔的同時，也帶來了許多安全隱患。容器作為一種相對于虛擬機來說更加輕量的虛擬化技術(shù)，容器雖然能夠提供一個與系統(tǒng)中其他進程資源相隔離的執(zhí)行環(huán)境，但還是與宿主機系統(tǒng)共享內(nèi)核的，很容易因為隔離性不足而產(chǎn)生安全隱患。尤其是在多租戶的場景下，一旦容器里的應(yīng)用逃逸到內(nèi)核，后果將不堪設(shè)想。

據(jù) Red Hat 公司調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：有 94% 的受訪者在過去 12 個月內(nèi)遭遇過 Kubernetes 安全事件。而 Akamai 日前也進行了一項實驗，將一個簡單的 Docker 容器蜜罐用于攻擊測試，結(jié)果顯示該容器在 24 小時內(nèi)被攻擊者用于四起不同的犯罪活動。這些數(shù)據(jù)都在告訴我們，解決企業(yè)容器安全問題刻不容緩。

所以很多廠商在構(gòu)建企業(yè)級容器管理平臺時都會著重考慮容器安全問題，像我們剛剛提到的KubeSphere 企業(yè)版，它的一大亮點就是“安全加固”。在英特爾容器解決方案加持下的 KubeSphere 企業(yè)版，深度集成了 Kata Containers，用戶可以在創(chuàng)建符合自身業(yè)務(wù)需求的運行時，通過 KubeSphere 企業(yè)版的管理頁面進行統(tǒng)一管理。

圖：一鍵選擇Kata

Kata Containers 的核心亮點就是采用輕量級虛擬化作為容器的隔離，使得它兼具容器的速度和虛擬機的安全隔離，這一點解決了長期以來困擾容器發(fā)展的安全隔離性不足問題，大大促進了云原生的發(fā)展。

作為符合 OCI 標準的輕量級 VM，可無縫地與 Docker 及 Kubernetes 對接。Kata Containers 運行的應(yīng)用負載具備獨立內(nèi)核，同時借助英特爾? VT 技術(shù)，具備其他輕量級 VM 所不具備的優(yōu)異性能。它整合了英特爾的 Clear Containers 和 Hyper.sh 的 runV，在能夠充分利用英特爾? 架構(gòu)平臺性能優(yōu)勢的同時，還支持其他架構(gòu)的硬件。

Kata Containers 的隔離原理就是在請求創(chuàng)建容器實例時，首先啟動一個輕量化虛擬機，然后將容器鏡像掛載到虛擬機里，從而在這個虛擬機里啟動和運行這個容器應(yīng)用程序。其本質(zhì)是一個虛擬機實例，但拉起虛擬機的過程和運行在虛擬機里這個事實對用戶是透明的，這種方式并不改變用戶使用容器的習慣。

Kata containers 可以被用在很多場景，目前云服務(wù)提供商 CSP 們的使用場景主要包括安全容器實例服務(wù)、容器運行時的業(yè)務(wù)隔離等。感興趣的開發(fā)者可以參閱公開的應(yīng)用案例集：https://katacontainers.io/use-cases/目前 Kata Containers 2.0 已經(jīng)發(fā)布，社區(qū)正在醞釀 Kata Containers 3.0 的規(guī)劃和開發(fā)，其主要開發(fā)方向?qū)⒕劢褂趦?yōu)化性能、加強安全、提高可用性和穩(wěn)定性方面。

另外，一個基于 Kata Containers 的典型用例也十分值得大家去了解——機密容器 (Confidential containers)，它是一個基于硬件TEE的技術(shù)方案，目前是 CNCF 的沙箱項目。機密容器是機密計算(Confidential Computing)的一個具體實現(xiàn)，其主要目標是對數(shù)據(jù)在使用中的保護，隨著云計算的大規(guī)模部署，機密計算旨在允許將云提供商從可信計算基礎(chǔ)(TCB)中移除，以便只有硬件和受保護的應(yīng)用程序本身在可信邊界內(nèi)，這使租戶可以放心地、安全地把業(yè)務(wù)負載轉(zhuǎn)移到公有云上去。

要知道，英特爾? SGX 一直是業(yè)內(nèi)機密計算方案的主要推動者。英特爾? SGX 在內(nèi)存空間中“開辟”出了一個可信的、受到嚴密保護的安全“飛地”，可通過嚴格的訪問控制和加密操作去保障數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)機密性和代碼完整性，確保主機操作系統(tǒng)、BIOS 等高等級應(yīng)用和底層基礎(chǔ)系統(tǒng)都不能對其隨意訪問。即便應(yīng)用、底層基礎(chǔ)系統(tǒng)在惡意攻擊中受損，“飛地”也可通過基于硬件的、增強型的安全防護來阻斷攻擊。

同時英特爾? SGX 的鑒權(quán)能力可在阻斷攻擊的同時證明自己的運行未被篡改。如果需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)“可用不可見”，英特爾? SGX 也能以“飛地”機制為機密計算中的數(shù)據(jù)與代碼提供安全島。

“飛地”空間越大，其能承載和提供保護的應(yīng)用程序和核心數(shù)據(jù)也就越多，于是英特爾對 SGX 技術(shù)進行了全面強化，在配置了面向單路和雙路的第三代英特爾? 至強? 可擴展處理器的系統(tǒng)中，目前雙路系統(tǒng)中最高可支持1TB容量的“飛地”空間，能夠讓用戶在云上實現(xiàn)更大數(shù)據(jù)量的機密計算，輕松應(yīng)對更多安全挑戰(zhàn)。

四、寫在最后

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等創(chuàng)新技術(shù)席卷大多數(shù)行業(yè)和地域，疫情防護常態(tài)化暴露出來的企業(yè)“數(shù)字缺陷”加快了數(shù)字化轉(zhuǎn)型速度。企業(yè)想要成功實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，構(gòu)建云原生技術(shù)架構(gòu)，就一定要利用好容器技術(shù)。

在后 OpenStack 時代，云原生未來的發(fā)展趨勢就是將管理基礎(chǔ)設(shè)施(計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲)的負擔卸載給云服務(wù)提供商(公共云/私有云/邊緣云)，以便開發(fā)人員可以專注于應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)邏輯而不是基礎(chǔ)設(shè)施，從而以更低的資本性支出和管理支出、更快地使應(yīng)用上市。如果更具象一點，則是將大型復(fù)雜的單體應(yīng)用程序分解為小的模塊化執(zhí)行單元，以便于修改程序或添加功能，更好地代碼重用，更少地維護開銷。

作為云原生發(fā)展的基石，容器技術(shù)將再次順應(yīng)云原生發(fā)展潮流，解決上述的這些需求。隨著技術(shù)的演進，企業(yè)勢必會越來越重視如何使容器技術(shù)更好地為業(yè)務(wù)帶來價值這件事。那在這個過程中，勢必會遇見各種各樣的挑戰(zhàn)，面對挑戰(zhàn)，我們需要的做的就是迎難而上。

對正處在數(shù)字化轉(zhuǎn)型關(guān)鍵期的企業(yè)來說，在降本增效的大目標下，應(yīng)用英特爾等廠商提供的商用解決方案也是很不錯的選擇，不僅能夠幫助企業(yè)降低人力成本，還能夠大大地提高管理效率。

審核編輯：湯梓紅