从函数计算架构看Serverless的演进与思考
作者 | 杨皓然 阿里巴巴高级技术专家
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导读：云计算之所以能够成为 DT 时代颠覆性力量，是因为其本质是打破传统架构模式、降低成本并简化体系结构，用全新的思维更好的满足了用户需求。而无服务器计算（Serverless Computing）作为这个巨大市场的下一个阶段的进化产物，将真正帮助企业实现只专注于业务和构建应用程序，而不必担心 IT 基础设施，这也将成为云服务商未来竞争的关键。
什么是无服务器计算
云原生计算基金会（Cloud Native Computing Foundation, CNCF）对无服务器计算作了如下定义：
Serverless computing refers to the concept of building and running applications that do not require server management. It describes a finer-grained deployment model where applications, bundled as one or more functions, are uploaded to a platform and then executed, scaled, and billed in response to the exact demand needed at the moment.
无服务器计算是指开发者在构建和运行应用时无需管理服务器等基础设施。应用被解耦为细粒度的函数，函数是部署和运行的基本单位；用户只为实际使用的资源付费。可见，serverless 计算能够帮助应用开发者摆脱服务器等底层基础设施管理的负担，专注于业务层的创新。
图 1 - 无服务器计算的特点
无服务器计算的发展历史
实际上，Serverless 不是一个新概念。计算、存储等领域的很多服务都是 serverless 的模式。例如阿里云推出的第一个云服务，对象存储（OSS），就是 serverless 形态的存储服务。用户不需要关心数据是如何存储在底层服务器上，只为实际使用的存储资源付费。
统计数据表明，近年来，各个云服务商推出的新服务/新功能，超过 70% 都是 serverless 形态。随着云端 serverless 类型的服务种类越来越丰富，用户能够快速使用多种服务构建弹性高可用的云原生应用。因此，serverless 计算正变得越来越流行。
图 2 – 无服务器计算已经无处不在
从函数计算架构看无服务器计算的特性
在 serverless 计算中，平台服务接管了底层基础设施的管理，因此平台服务必须处理好容错和资源伸缩等问题，才能充分发挥 serverless 计算的能力。
从阿里云函数计算架构图不难看出：API 服务层完成身份验证、元数据的读写等功能。
- 同步调用函数时，API 服务模块从资源调度模块获取可用的函数执行引擎并发送请求，最后取回结果；
- 异步调用函数时，则将事件写入到消息队列后即返回。由事件分发模块分发事件，整个流程和同步调用类似。
图 3 - 阿里云函数计算架构
实时弹性伸缩是函数计算的核心优势，当用户负载出现波峰时，系统能实时扩张资源，平滑应对峰值访问。以异步事件处理为例，整个处理流程分为三步：
- 事件写入函数计算的事件队列；
- 事件分发器从队列中读取事件，并调用对应的函数处理事件；
- 用户函数处理事件。
图 4 - 函数计算实时伸缩
函数计算系统会监控用户的负载变化，各组件均能够根据用户负载动态伸缩。如上图所示，当用户 A 的事件产生速率变大时，系统会自动在每个环节给 A 分配更多的资源，以匹配事件处理的能力。
函数计算采用多级资源调度策略，系统会根据用户负载和资源池水位预判需求，提前准备好计算资源。依托于阿里云飞天分布式系统平台多年的技术积累，在调度的实时性和准确性上取得了很好的平衡，具备毫秒级弹性伸缩的能力。
无服务器计算的典型应用场景
借助函数计算，用户几乎可以构建任何类型的应用程序或后端服务，包括 Web 应用后端服务，大规模文件处理，数据实时流式处理等等。
例如借助对象存储和函数计算的集成，用户只需要编写函数处理单个视频。当有大量视频文件被上传到对象存储服务后，会自动触发多个函数实例并发处理。
图 5 - Serverless 视频转码服务
使用函数计算的 HTTP 触发器，用户只需要编写函数处理单个请求。当 TPS 升高时，函数计算会自动扩容计算资源执行多个函数实例处理请求。
图 6 - Serverless 网站后端服务
无服务器计算对用户的价值
自阿里云函数计算上线以来，被开发者广泛的用于大规模多媒体数据并行处理、日志/物联网数据的流式处理以及网站后端服务等场景中。从实际使用情况来看，serverless 计算在工程效率、可靠性、性能、成本和安全性等方面给用户带来了巨大的价值。
工程效率：借助函数计算和其他云端服务的集成，用户只需要编写少量代码就可以串联多个服务完成复杂的功能。用户不需要负担服务器配置/升级，资源扩容/缩容等繁琐工作，运维成本大幅降低；
可靠性：用户不需要购买或维护任何的服务器，不需要安装任何的软件，借助函数计算，系统自动处理基础设施层各种错误，减少宕机、网络中断等危机情况发生，提升系统可靠性；
弹性伸缩：应用程序所需计算资源的伸缩能在毫秒级别由 serverless 计算平台自动完成，用户不需要负责增减服务器的数量；
- 低成本：不需要对计算和存储之类的服务预留容量。如果代码没有运行，就不会收费。研究数据表明，70% 以上的服务器资源并未得到充分利用，函数计算采用全新模式，资源使用率达 100%，实践结果显示，通常能节省 10%-90% 的成本。
也就是说，借助函数计算意味着开发者可以专注在产品代码上，而无须管理和操作云端或本地的服务器或运行时。生产实践中，用户用几百行代码就可以实现一个规模上亿、日调用次数几十亿次的图片处理服务。
从云计算 1.0 时代到 2.0 时代
云计算 1.0 时代，基础设施的云化（IaaS）为用户提供了和传统 IT 环境近乎一致的体验，让用户能把应用无缝迁移到云端。当人人都能获取所需的计算资源后，如何更高效的管理和使用计算资源，函数即服务（FaaS）则是云计算 2.0 时代最为重要的问题。阿里云函数计算这样的无服务器计算服务，能够从工程效率、可靠性、性能、成本和安全性等方面给用户带来巨大的价值，为广大开发者打开了一扇通往美丽新世界的大门。
10 月 9 日，阿里云宣布正式推出函数计算 2.0 解决方案，为用户提供更具性价比和更高效开发运维体验的 Serverless 计算服务。函数计算 2.0 提供了丰富的计费方式，全新的实例类型、灵活的自定义运行时、全方位升级的工具链。
图 7 - 预付费和后付费
函数计算 2.0 通过一系列创新的功能，解决了当前 Serverless 计算服务在成本、性能、应用构建等方面的痛点，极具竞争力。
全球首家推出预付费（包年包月）的计费模式。相较于后付费，预付费单价降低 70% 以上。应用所需资源中稳定部分使用预付费模式，单价低；弹性部分使用后付费，资源利用率高。结合预付费和后付费，用户能够显著降低成本。
图 8 - 预留实例和按量实例
更重要的是，函数计算 2.0 新增预留实例类型，允许用户自行管理实例的申请和释放。
通过预留实例，用户能够提前预热函数或者长期保持常驻实例，杜绝因为实例启动带来的请求延迟。当负载超过预留实例处理能力，系统会自动扩容，使用按量实例处理请求。同时函数计算提供了详细的实例使用指标，帮助用户轻松预留合理数目的实例。
图 9 - 用户体验
用户在函数计算平台上构建弹性高可用的云原生应用，如果没有好用的开发、调试、运维工具，使用体验将大打折扣。
函数计算 2.0 大幅增强了 Serverless 应用构建、运维等方面的用户体验。用户可以在自己的开发机本地环境中创建和云端运行环境一致的沙盒，进行依赖包安装、断点调试等操作。
函数计算 2.0 也提供了 VSCode，Intellij Idea，PyCharm 等流行开发工具的插件，通过图形用户界面的交互方式，进一步降低了工具的使用门槛。
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