Serverless无服务器架构详解

本文对serverless架构的基础概念,工作原理,应用场景以及具体产品进行详细解析。

基础概念

serverless:无服务器架构,即在无需管理服务器等底层资源的情况下完成应用的开发和运行,是云原生架构的核心组成部分。

通俗来说,如果将购买一台物理服务器比作 买车 ,购买云服务器就类似于 租车 (租赁期间需要驾驶和维护,且即使闲置也需付费),那么serverless则类似于 出租车 (只需乘坐,按里程计费)。

从技术层面来说,我们可以简单理解为: serverless = FaaS + BaaS 。一个完整的serverless应用一般由FaaS层负责无状态的计算,由BaaS层负责状态的存储:

  • FaaS(函数即服务,Function as a Service):将函数代码托管给云产商,以服务形式运行,支持事件触发。代表产品有腾讯云SCF、AWS Lambda等。
  • BaaS(后端即服务,Backend as a Service):指云平台提供的后端组件整合,开发者无需开发和维护后端服务,通过API/SDK的调用便可获得例如数据存储(对象存储、云数据库、云中间件等)、消息推送、账号管理、地图定位、AI、IoT等能力。

特点及优势:

  1. 免运维 :无需管理基础设施 —> 可以专注业务开发
  2. 按量计费 :闲时不计费 —> 降低成本
  3. 弹性伸缩 :峰时自动扩容 —> 无需考虑可用性问题

劣势及适用场景:

  1. 冷启动延迟: 一定时间内的首次调用可能需要冷启动(如进行加载代码、拉起容器等任务)—> 适合对响应速度要求不是太高的接口,更适合异步任务,不适合启动耗时久的Java项目
  2. 开发和管理设施: serverless应用的调试、测试、排障、发布等设施暂不成熟 —> 目前更适合后端逻辑不太复杂的轻量级应用
  3. 云产商绑定: 不同云产商提供的组件(如存储)接口不同,可能增加未来迁移成本 —> 使用标准化框架,并在设计时尽量隔离通用逻辑层和BaaS依赖层

工作原理

各个平台对云函数的实现在原理上基本相似,核心都是动态的启动实例去执行函数代码,且完成后实例会保留一定时间窗口。大致的底层架构如下图,其中步骤(1) (2) (3) (4) 为冷启动调用流程,(5) 为非冷启动调用。

1.函数注册

用户在控制台(或命令行)提交函数代码到云平台,并进行函数配置。代码一般会被作为静态资源保存(如对象存储),而函数的元信息会被存入数据库中(如mysql)。

2.函数触发

云函数的触发可以分为同步和异步两种情况:

  • 如果是同步请求则等待函数执行结果后返回
  • 如果是异步请求则可以投递到队列后直接返回

3.函数执行

云函数的执行可以分为窗口内首次执行(冷启动)和非首次执行两种情况:

  • 如果是首次执行,则需要进行宿主机调度,在宿主机拉起容器实例,下载函数代码,然后执行代码。
  • 首次执行完毕后docker容器不会立即关闭,会等待一定时间周期,如果此时有新的请求进来,会被分配到该容器,直接运行代码。

从执行的原理也可看出,云函数理论上是支持无限自动扩容的。

冷启动问题

由于serverless按量计费的特点,其实现机制就必须要在函数调用时才去启动运行环境,也就是冷启动问题。虽然保留一定时间可以让后续的请求无需加载,但如果在极短时间内并发大量请求,还是会同时启动多个容器,影响首个请求的响应时间。前面也说到,云函数的特性和机制决定了它的应用场景,对于同时要求高并发、低时延的场景并不是特别适合。

对于冷启动问题,下面以腾讯云的 云函数SCF 为例进行验证。使用Postman的批量测试功能(Collection Runner)对云上部署的一个hello world函数进行串行测试。

从图中可以看出,一段时间内的首次请求耗时会比其他请求的耗时高出一个数量级。

冷启动优化

冷启动的优化主要针对同步的请求,首先分析下冷启动耗时的组成,主要是容器的拉起和代码的下载(当然也有资源调度和网络配置等,这里暂不讨论)。

1. 代码缓存 :可以设计多级缓存,比如在宿主机上进行代码包缓存,以及在可用区(AZ)内部进行缓存,这样后续的首次启动就可以快速就近获取,而无需再次从对象存储下载。

2. 容器创建 :一个优化思路就是预加载,也就是预测将会到来的请求,提前拉起容器实例,从而减少耗时。有以下几种可能的方案:

  • 进行请求量的 实时计算 ,如果请求呈上升趋势,就开始预创建容器实例,同理下降则进行回收。
  • 云函数调用链: 这是一种可确定的预测,当云函数之间出现互相调用,在前面的函数被触发时就可以同时预创建调用链后面的实例;
  • 版本更新: 如果函数版本进行更新,则之后的所有请求都会重新冷启动,为了避免这种情况,需要预创建一些实例并下载新版本代码,之后才能将流量平滑迁移到新版本函数。

应用场景

下面介绍比较适合使用serverless技术的几种场景。

1.rest API

利用云函数可以快速部署一个rest API应用,目前的云厂商基本都支持大部分node,python和php的web框架,如koa、Express.js、Next.js、Flask、Django、Laravel等等。

这种web架构是前后端分离,即云函数中的后台接口只提供数据,页面的渲染在浏览器进行。可以将前端的代码部署到对象存储中,并使用相关云数据库作为数据存储,这就成为一个完整的云上Full Stack应用。

2.SSR

SSR(Server-Side Rendering):后端渲染,即页面直接在后台进行渲染,浏览器只负责显示。这种比较传统的web架构很适合应用于serverless,只需将整个后端代码部署到云函数即可,好处有:1.利于SEO,2.降低系统复杂度,易于部署。

serverless很适合用于流量分布不均的轻量应用,比如一些活动页面,可能一个周期内只有很短的一段时间会有大量访问,且需要长期的维护,此时为这个应用去购买高配置的服务器显然是不划算的。使用serverless之后则可以完全解决这个问题,按量计费降低了成本,既免去了长期运维又不需要担心扩容问题。

3.任务执行

云函数本身是无状态的,所以天然适合无状态任务,如果需要状态存储则需要借助BaaS层的组件。云函数的优势是可以与云提供商下的其他服务(比如数据库、缓存、对象存储、CDN、AI、转码等)打通,在函数中使用SDK连接各个组件(但这同样意味着将在云产商绑定的道路上越走越远)。以下是一些适用场景:

  • 消息通知:比如触发后向某个用户发送邮件、短信等。
  • 定时任务:云函数一般提供定时器触发,方便进行定时任务的执行。
  • CDN自动刷新:一般来说会把图片、网页等静态资源存到对象存储,并且配置CDN加速,一旦资源发生修改还得手动进行CDN刷新预热。可以使用对象存储上传的事件触发器,在云函数中调用CDN接口自动化刷新预热。
  • 视频转码:如果云产商提供转码服务,可以借助云函数很方便的完成转码任务。如原视频上传到对象存储后,该事件可以触发云函数调用转码服务,并将转码后的视频发布到对象存储中,如果使用了CDN还可以进行缓存刷新。
  • AI服务:可以使用云函数调用该产生的AI服务,比如调用OCR接口识别图片文字内容后返回。
  • Devops:例如将Github的webhook设置为云函数的地址,当代码提交后触发云函数,执行CI/CD任务,构建后发布产物到云服务器上。
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