Cloud-native Applikationen
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Das Dokument beschreibt cloud-native Anwendungen (CNA), die aus elastischen, verteilten, service-orientierten Komponenten bestehen und speziell für die Cloud entwickelt wurden. Es werden Prinzipien wie zustandsisolierte Komponenten, elastische Ressourcennutzung und lose Kopplung hervorgehoben, um die Skalierbarkeit und Resilienz der Anwendungen zu optimieren. Zudem behandelt es die Bedeutung von Cloud-native Datenbanken und Plattformen für die Automatisierung und effiziente Bereitstellung von Diensten.
Cloud-native Applikationen
- 1. Cloud-native Applikationen Der Cloud-native Stack Inhaltliche Entwicklung: Prof. Dr. Nane Kratzke, Fachhochschule Lübeck, Mönkhofer Weg 239, 23562 Lübeck unter Mitwirkung von: Dr. Adersberger, QAware Beispiel für Kostenassoziativität: Der Betrieb einer vituellen Maschine für 100 Std. oder 100 virtueller Maschi- nen für 1 Std. kostet (fast) dasselbe. Weiterführende Links: www.qaware.de/news/cloud-ready www.sigs-datacom.de/wissen IaaS Provider6 (Public, Private, Hybrid) stellen Computing, Networking und Storage Ressourcen für elastische Plattformen bereit, sowohl als Ressourcen für Container Plattformen als auch für Stateful Services. Infrastructure Layer (IaaS) Cloud-native Datenbanken4 : Zur Zustandsisolierung werden häufig Cloud-native Datenbanken genutzt. Diese sind teilweise sogar transak tional, relational und verstehen SQL. Cloud-native Datenbanken positio nierensichimCAP-Theorem:CP(con- sensus) oder AP (eventual consis- tency). Cloud-native Datenbanken sind stark zweckgebunden (z.B. kleiner Zustandsraum über viele Anwendungen, großer Zustands- raum + SQL + CP; großer Zustands- raum + NoSQL). ClusteredStorageSysteme5 stellen persistenten Objekt-, Datei- oder Blockspeicher für Stateful Services sowie für Container und Dienste bereit. „Eine Cloud-native Applikation ist ein verteiltes, elastisches und horizontal skalierbares Softwaresystem, welches aus Service- orientierten Komponenten (Diensten) besteht, die Zustände in ei- nem Minimum an zustandsbehafteten Komponenten isolieren. Die Applikation und ihre Komponenten werden gemäß Cloud-spezifi- scher Entwurfsmuster entworfen und auf einer elastischen Platt- form betrieben.“ Definition Referenzmodell Definitionund Erläuterungen CNAEngineering Trends CNA unterscheiden sich damit von „klassischen“ Multi-Tier Applikationen vor allem hin- sichtlich des Grades ihrer Verteilung und ihrer Elastizität. CNA sind elastisch, d.h. sie können ihren Ressourcenbedarf dem zu verarbeitenden Workload (idealerweise vollautomatisch) anpassen, um so das Pay-as-you-go Prinzip und die Kostenassoziativität des Cloud Computing als Kostenvorteil zu nutzen. CNA sind insbesondere für Anwendungen interessant, deren Workload schwer prog nostizierbar ist, deren Nutzung Peak-Loads unterliegt oder für die exponentielles Wachstum angestrebt wird. Prinzipien von CNA: L I D E A Isolated State Um horizontale Skalierbarkeit zu opti mieren, versucht man zustandsbehaftete Komponenten und deren Skalierungskom- plexität zu isolieren. Distributed CNAsindverteilteSysteme(web-scale),die aus unabhängig voneinander austausch baren Diensten komponiert werden. Elastic CNAsindelastisch,d.h.siefordernRessour cen (Compute, Storage, Network) abhängig von einer Last an (wenig Last → wenig Res- sourcen, hohe Last → mehr Ressourcen). Die Skalierung erfolgt dabei meist horizon- tal (mehr Ressourcen) und nicht vertikal (stärkere Ressourcen). Automated CNA sollten meist auf automatisierten Plattformen betrieben werden die wenig bis keinen Operatoreingriff erfordern. Loosely coupled Die Dienste rufen sich untereinander idea lerweise nicht direkt auf, sondern inter agieren indirekt über entkoppelnde Mes- saging-Lösungen. In Anlehnung an: Fehling, C., Leymann, F., Retter, R., Schupeck, W., Arbitter, P., „Cloud Computing Patterns -Fundamentals to Design, Build, and Manage Cloud Applications“, Springer, 2014 Design for Failure („Everthing fails all the time“): Mittels Resilienz schützen sich Cloud-native Applikationen z.B. per Circuit Breaker vor einer fehlerhaften und langsamen Umgebung. Ein- zelne Serviceausfälle sollten nie die gesamte Cloud-native Applikation beeinträchtigen. Center of Excellence Elastische Plattformen Eine verteilte Middleware zur Ausführung standardisierter Con- tainer. Diese Plattformen dienen der Ressourcen-effizienteren Nutzung und Integration von IaaS Infrastrukturen un- terschiedlicher Cloud Provider. Zustandsisolierung Zustandslose Komponenten sind einfacher horizontal zu skalieren. Zustandsbehaftete Komponenten können nicht vermieden werden. Um Gesamtsysteme einfach skalieren zu können, versucht man Zustände in we- nigen zustandsbehafteten Komponenten zu isolieren, um Skalierungskom- plexität auf diese zu beschränken. Dies erfolgt häufig mittels sogenannter Cloud-native Datenbanken (die von sich aus horizontal skalierbar sind). DevOps Ein auf Deployment Automatisierung basie- render Ansatz Softwareentwicklung mit dem IT-Betrieb agiler zu verschränken. Für eine besse- re Diagnostizierbarkeit werden Logs, Traces und Metriken so zusammengeführt und bereitgestellt, dass sie möglichst zentral analysierbar sind. Container Um Deployments zu standardisie ren, werden Komponenten häufig in Form unabhängiger Container bereitge stellt. Diese Container umfassen den Code, Laufzeitumgebung, System Biblio- theken und erforderliche Konfiguration. Lose Kopplung Service Komposition kann mittels Events oder Datenkopplung erfolgen. Bei Eventba sierter Kopplung werden häufig Messaging oder Streaming-Systeme eingesetzt. Erfolgt die Kopp- lung datengestützt werden meist Cloud-native Datenbankeneingesetzt(s.a.Zustandsisolierung) 1 Framework Dienste: Apache Spark, Fission, Spring by Pivotal | 2 Messaging und Streaming Dienste: Active MQ, Rabbit MQ, Kafka | 3 Elastische Container Plattformen: Docker, Data- center, Kubernetes, Mesos | 4 Cloud-native Datenbanken: Beispiele für kleiner Zustandsraum + CP: Zookeeper, ETCD • großer Zustandsraum + SQL + CP: Cockroach DB • großer Zu- standsraum + NoSQL (+ AP): Cassandra, MongoDB, CouchDB, neo4j | 5 Clustered Storage Systeme: Ceph, GlustersFS | 6 IaaS Provider: Amazon Web Servies, Google Compute Engine, Microsoft Azure, OpenStack … Microservices Microservices sind kleine, unab- hängig voneinander austauschbare und horizontal skalierbare Dienste für eine klar umrissene fachliche Aufgabe. Micro- services bieten häufig eine REST Schnitt- stelle, die API-getrieben entwickelt wird. Eine CNA wird von Endnutzern als „die Applikation“ empfun- den. Sie setzt sich im Hintergrund aus für den Nutzer nicht mehr direkt sichtbaren Diensten zusammen. App Layer (SaaS) Applikationsspezifischer Dienst A Applikationsspezifischer Dienst B Applikationsspezifischer Dienst C stützen sich auf funktionale Dienste ab.Cloud-native Applikation Service Layer (XaaS) Cluster Layer (PaaS) CNA werden häufig auf elastischen Self-Service-Plattformen betrieben und basieren auf Software-Defined-Infrastruktur Prinzipien. Architekturen von CNA sind meist Service-orientiert und folgen zunehmend der pragmatischen Microservice-Interpretation dieses Ansatzes. CNA Entwicklungsmethodiken beruhen oft auf Cloud-spezifischen Software- entwicklungsmustern und DevOps Ansätzen. (N. Kratzke, P.-C. Quint, Understanding Cloud-native Applications after 10 Years of Cloud Computing, Journal of Software and Systems, 2017) Portierbare (Multi-)Cloud Runtime Enviroment für Container Access management Authentication Auto scaling, Load balancing Health checking, Rolling updating Image registry Registry/service discovery Ressource monitoring Weitere Dienste (Logs, Traces, Metric Consolidation and Analysis, Batchjobs, Service Meshes) Framework Dienste1 ermöglichen eine schnellere Entwicklung App-spezifischer Dienste. Messaging und Streaming Dienste2 ermöglichen lose (Echtzeit-)Kopplung von Diensten. werden auf elastischen Plattformen betrieben.Funktionale Dienste Elastische Container Plattformen3 integrieren IaaS Ressourcen zu einem logischen Cluster. Cloud-native Applikationen (CNA): Softwaresysteme, die explizit für die Cloud entwickelt werden Stateful Services Dienste interagieren hierzu mit anderen Diensten. Diens- te werden mittels standardisierter Deployment Units (z.B. Container) ausgebracht. Stateful Services3 dienen dem Iso- lieren von Zuständen. Container Plattformen stellen elastische Cloud Runtime Enviroments für Dienste und deren Container bereit mit erforderlichen Features wie: Tools (Beispiele) Cloud Application Maturity Level In Anlehnung an: OPEN DATA CENTER ALLIANCE Best Practices: Architecting Cloud- Aware Applications (Rev. 1.0) und Mario-Leander Reimer (QAWare) Level Maturity 3 | Adaptive Cloud Native Applikation skaliert elastisch (lastabhängig) Migration auf andere Infra- strukturen ohne Service Downtime 2 | Abstracted Cloud Resilient Dienste sind stateless Applikation ist designed for failure Applikation ist Infrastruktur agnostisch (runs anywhere) 1 | Loosely Coupled Cloud Friendly Applikation ist aus lose gekoppel- ten Diensten komponiert Dienste sind per Namen adressierbar Applikation berücksichtigt 12-Factor App Prinzipien Applikation trennt Compute und Storage Dienste Applikation basiert auf Compute-, Storage- und Netzwerkdiensten 0 | Virtualized Cloud Ready Applikation läuft auf virtualisierter Infrastruktur Applikation kann automatisiert ausgeprägt werden IT-Probleme lösen. Digitale Zukunft gestalten.