همه چیز درباره ابر بومی (Cloud Native) از تعریف تا کاربرد

Cloud native (ابر بومی) یک رویکرد نرم‌افزاری است. رویکردی که شامل روش‌ها و فناوری‌هایی است که خروجی آن، یک برنامه بسیار منعطف با مقیاس‌پذیری بالا و هزینه‌های کمتر است. در این راهنما با مفهوم ابر بومی آشنا شده و تفاوت آن را با روش‌های سنتی می‌بینید. همین‌طور در مزایا، معایب و چالش‌های این معماری نوین نیز عمیق می‌شوید تا دیدگاهی روشنی نسبت به این شیوه معماری نرم‌‎افزار جدید پیدا کنید.

ابر بومی (Cloud Native) چیست؟

Cloud native (ابر بومی) یک روش خاص برای ساخت، استقرار و مدیریت اپلیکیشن‌ها در فضای رایانش ابری است. برنامه‌هایی که تحت این رویکرد توسعه داده می‌شود، می‌توانند به‌سرعت و با هر نیاز جدید کاربر، به‌روزرسانی شوند. چراکه انعطاف‌پذیری و مقیاس‌پذیری آن‌‍‌ها بیشتر بوده و می‌توانند بیشترین استفاده ممکن را از خدمات رایانش ابری ببرد.
انعطاف در روش توسعه ابر بومی (Cloud native development) به‌اندازه‌ای بالا است که برنامه در حین به‌روزرسانی، از دسترس خارج نمی‌شود. بنابراین این روش، به طور خاص برای اپلیکیشن‌هایی کاربردی است که کاربران زیادی دارد و در دسترس نبودن آن‌ها (حتی برای مدت محدود) به‌نوعی به مجموعه خسارت وارد می‌کند.
بنیاد محاسبات بومی ابری (Cloud Native Computing Foundation) یا به‌اختصار CNCF، این روش را اینگونه تعریف کرده است:

شرکت‌ها به کمک فناوری‌های Cloud native می‌توانند اپلیکیشن‌های خود را وارد دنیای مدرن و پویاتری کنند که با فناوری‎‌های ابر عمومی، خصوصی و هیبرید، به بهترین شکل ادغام می‌شود. کانتینرها (Container)، سرویس مش (Service Mesh) و میکروسرویس‌ها (Microservices) از فناوری‌های کلیدی در معماری معماری ابر بومی است.

کلاود نتیو (Cloud native) مجموعه‌ای از اصول و الگوهای طراحی است که سازمان‌ها به کمک آن می‎‌توانند اپلیکیشن‌های کلاود نتیو (Cloud native applications) را با انعطاف و مقیاس‌پذیری بالا، در محیط‌های ابری طراحی کنند. در این رویکرد، فناوری‌هایی مانند کانتینرها (Containers)، میکروسرویس‌ها (Microservices) و سرویس مش (Mesh Service) باعث بهینه‌سازی استقرار، مدیریت و عملکرد این برنامه‌ها می‌شود. در نهایت برنامه‌هایی خواهید داشت که بیشترین همگام‌سازی را با خدمات ابری داشته و همواره در دسترس است.

درباره شرکت Cloud Native Computing Foundation

Cloud Native Computing Foundation (CNCF) یکی از پروژه‌های بنیاد لینوکس (Linux Foundation) است که از سال 2015 با هدف گسترش فناوری‌های رایانش ابری و توسعه فناوری کانتینرها راه‌اندازی شد.
معرفی این بنیاد با انتشار نسخه 1.0 Kubernetes (یک Cluster Manager یا مدیر خوشه متن‌باز برای کانتینرها) هم‌زمان شد. در واقع گوگل این فناوری‌ را به‌عنوان یک پروژه اولیه به بنیاد لینوکس اهدا کرد.
شرکت‌های نام‌آشنا‌یی مانند گوگل (Google)، رد هت (Red Hat)، اینتل (Intel)، سیسکو (Cisco)، آی‌بی‌ام (IBM) و… همگی بنیان‌گذاران CNCF محسوب می‌شود. در حال حاضر،CNCF تحت حمایت بیش از 450 عضو قرار دارد.
بنیاد CNCF میزبان بسیاری از پروژه‌های متن‌باز مهم و کلیدی است که در اکوسیستم Cloud Native استفاده می‌شوند. مهم‌ترین این پروژه‌ها عبارت‌ است از:

• Cloud native kubernetes (یک سیستم ارکستراسیون (Orchestration) کانتینر برای مدیریت خودکار استقرار، مقیاس‌گذاری و مدیریت کانتینرها)
• Prometheus (یک سیستم نظارت و هشدار (Monitoring & Alerting) متن‌باز برای جمع‌آوری و پردازش داده‌های متریک در محیط Cloud Native)
• Envoy (یک پراکسی سرویس (Service Proxy) لایه 7 در سیستم‌های توزیع‌شده، برای مدیریت ارتباطات بین سرویس‌ها در معماری میکروسرویس یا…)
• Linkerd (یک سرویس مش (Service Mesh) برای مدیریت و ارتقای امنیت ارتباطات بین میکروسرویس‌های کلاود نتیو (Cloud native microservices))
• Helm (یک مدیر بسته (Package Manager) برای ساده‌سازی استقرار و مدیریت برنامه‌های کانتینری در Kubernetes)

معماری ابر بومی چگونه است؟

معماری کلاود نتیو (Cloud native architecture) شامل بخش‌های مختلف یک نرم‌افزاز است که تیم توسعه از آن‌ها برای گسترش این نرم‌افزار در بستر فضای ابری استفاده می‌کنند. CNCF مفاهیم زیر را به‌عنوان اجزا یا فناوری‌های اصلی طراحی ابر بومی نرم‌افزار معرفی کرده‌است:
زیرساخت‌ تغییرناپذیر (Immutable Infrastructure)

• میکروسرویس‌ها (Microservices)
• کانتینرسازی (Containerization)
• سرویس مش (Service Mesh)
• مدیریت پویا (Dynamic Management)
• اتوماسیون (Automation)
• هماهنگ‌سازی (Orchestration)
• API‌های اعلامی (Declarative APIs)

در ادامه به شرح هر یک از این مباحث می‌پردازیم.

زیرساخت‌ تغییرناپذیر (Immutable Infrastructure)

منظور از زیرساخت تغییرناپذیر این است که سرور‌های میزبان برنامه‌های ابری بومی، بعد از استقرار، بدون تغییر باقی می‌مانند. اگر برنامه منابع محاسباتی بیشتری لازم داشته باشد، سرور قدیمی کنار گذاشته شده و برنامه به یک سرور جدید با کارایی بالاتر منتقل می‌شود. به‌این‌ترتیب، ارتقای برنامه به‌صورت دستی انجام نشده و استقرار بومی ابری، یک فرایند قابل پیشبینی خواهد بود.

میکروسرویس‌ها (Microservices)

میکوسرویس‌ها اجزای نرم‌افزاری کوچک و مستقلی است که در کنار هم قرار گرفته و نرم‌افزار ابری بومی را تشکیل می‌دهد. میکروسرویس‌ها به‌صورت loosely coupled به هم متصل شده‎‌است. یعنی هر میکروسرویس برای یک مشکل کوچک و خاص طراحی شده و عملکرد مستقلی نسبت به میکروسرویس‌های دیگر دارد و ارتباط میان آن‌ها به حداقل رسیده است.

کانتینرسازی (Containerization)

کانتینرها کوچک‌ترین واحد محاسباتی یا اجزای نرم‌افزاری در سرویس های ابر بومی (cloud native services) است که کد میکروسرویس‌‎ و فایل‌های لازم دیگر را در سیستم‌های ابری ذخیره می‌کند. به کمک ساخت کانتینر کلاود نتیو (Cloud native containers) برای میکروسرویس‌ها، اپلیکیشن‌ مستقل از سیستم‌عامل یا سخت‌افزار اصلی اجرا می‌شود.
به‌این‌ترتیب، توسعه‌دهندگان نرم‌افزار می‌توانند اپلیکیشن‌های کلاود نتیو را هم در محیط‌های داخلی (On-premises)، هم روی زیرساخت‌های ابری و هم در محیط‌های ابری ترکیبی (hybrid clouds) مستقر کنند. توسعه‌دهندگان از کانتینرها برای بسته‌بندی (Packaging) میکروسرویس‌ها و وابستگی‌های مربوطه (مانند فایل‌های منبع، کتابخانه‌ها، اسکریپت‌های ضروری و…) استفاده می‌کنند.

سرویس مش (Service Mesh)

سرویس مش یک لایه مدیریتی نرم‎‌افزاری در زیرساخت ابری است که ارتباط بین چند میکروسرویس را مدیریت کرده و بر امنیت و مقیاس‌پذیری سیستم، نظارت دارد. در واقع این سرویس ارتباط میکروسرویس‌ها را به‌صورت خودکار مدیریت می‌کند. این سرویس با مهیا کردن نظارت بر ترافیک، لاگ‌برداری و متریک‌ها، به توسعه‌دهندگان کمک می‌کند که رفتار سیستم را رصد کرده و مشکلات را سریع‌تر شناسایی کنند.

مدیریت پویا (Dynamic Management)

مدیریت پویا در معماری Cloud Native باعث می‌شود که منابع و سرویس‌ها به‌صورت خودکار و در پاسخ به تغییرات شرایط محیطی و… تغییر پیدا کند. در واقع مدیریت پویا به معنی استفاده از ابزارهای خودکار و هوشمند برای مدیریت منابع و تخصیص بار کاری به‌صورت لحظه‌ای است. همین سبک مدیریتی است که مقیاس‌پذیری خودکار و سازگاری با تغییرات محیطی را در نرم‌افزارهای کلاود نیتیو فراهم می‌کند.

اتوماسیون (Automation)

اتوماسیون نقشی حیاتی در ساده‌سازی فرایندهای توسعه، استقرار و مدیریت سیستم‌ها ایفا می‌کند. با توجه به پیچیدگی‌ها و مقیاس بزرگ سیستم‌های Cloud Native، اتوماسیون فرایندها ضروری است. این اتوماسیون با ابزارهایی مانند Cloud native CI/CD و Infrastructure as Code (IaC) انجام می‎‌شود. ابزارهایی که به کاهش دخالت انسانی و افزایش کارایی، دقت و سرعت سیستم کمک می‌کند.

هماهنگ‌سازی (Orchestration)

هماهنگ‎‌سازی در توسعه ابر بومی، شامل مدیریت و هماهنگی خودکار منابع، سرویس‌ها و میکروسرویس‌ها برای اطمینان از عملکرد یکپارچه و بهینه سیستم است. این هماهنگ‌‎سازی به طور خاص در سیستم‌هایی که شامل چندین سرویس مستقل است، بسیار ضروری است.
به عبارت دیگر، در معماری Cloud Native که معمولاً از میکروسرویس‌ها، کانتینرها و پلتفرم‌های ابری استفاده می‌شود، هماهنگ‌سازی می‌تواند وظایف مختلف را به‌صورت خودکار انجام دهد. وظایفی مانند استقرار، مقیاس‌گذاری، نظارت و رفع مشکلات.

API‌های اعلامی (Declarative APIs)

APIهای اعلامی (Declarative APIs) رویکردی برای طراحی API (Application Programming Interface) است که در آن به ‌جای تعریف جزئیات مراحل اجرای عملیات، فقط وضعیت مطلوب نهایی مشخص می‌شود. مسئولیت رسیدن به این وضعیت، به عهده ابزارهای ارکستریشن (مانند (Kubernetes است.

اپلیکیشن‌های ابر بومی چیست؟

برنامه های ابر بومی (Cloud native applications) اپلیکیشن‌هایی است که از ابتدا طوری طراحی شده که بتواند از خاصیت ارتجاعی و توزیع‌شده فضای ابری استفاده کند. برنامه‌هایی که پایداری و ثبات بالایی داشته و می‌تواند متناسب با بعضی تغییرات، به‌صورت فوری به‌روز شود.
در واقع برنامه های کلاود نتیو از ماهیت پویا و توزیع‌شده زیرساخت‌های مدرن بهره برده و به چند سرویس مستقل تفکیک می‌شود. این ویژگی سرعت، چابکی، مقیاس‌پذیری، قابلیت اطمینان و کاهش هزینه‌ها را در پی دارد.

تفاوت نرم‌افزارهای ابر بومی و نرم‌افزارهای درون‌سازمانی

بسیاری از اپلیکیشن‌های درون‌سازمانی سنتی، از معماری یکپارچه (Monolithic) استفاده می‌کند. این برنامه‎‌ها در قالب یک واحد جامع طراحی می‌شود که معمولاً شامل سیستم‌عامل، میان‌افزار (Middleware) و پشته‌های زبانی سفارش‌شده است. مجموعه‌ای که چون از ابتدا برای بستر ابری طراحی نشده، نمی‌تواند بیشترین استفاده را از خدمات ابری ببرد.

اما تفاوت این سیستم‌های سنتی با کلاود نتیو چیست؟

این تفاوت‌‎ها را می‌توان در موارد زیر خلاصه کرد:

• معماری: در سیستم‌های یکپارچه، تمام اجزا (شامل رابط کاربری، منطق تجاری، پایگاه داده و …) در یک کدبیس یکپارچه و وابسته به یکدیگر طراحی می‌شود که باعث سختی تغییر و توسعه می‌شود. اما در سیستم‌های ابر بومی، نرم‌افزار بر پایه میکروسرویس‌ها طراحی شده که هر بخش به‌صورت مستقل اجرا، مدیریت و مقیاس‌بندی می‌شود.
• توسعه: سیستم‌های سنتی معمولاً به‌صورت خطی توسعه پیدا می‌کند و هر تغییر، نیازمند هماهنگی گسترده بین تیم‌ها است. اما سیستم‌های ابر بومی از DevOps، CI/CD و تست‌های خودکار استفاده می‌کند تا امکان انتشار و تغییر سریع‌تر و پیوسته را فراهم کند.
• استقرار: سیستم‌های سنتی بر پایه استقرار کلی (Big Bang Deployment) انجام می‌شود. یعنی تغییرات باید روی کل برنامه اعمال شود (که با ریسک بالایی همراه است). در مقابل، در سیستم‌های کلاود نتیو، هر سرویس می‌تواند به‌صورت مستقل استقرار یابد.
• مدیریت: مدیریت سیستم‌های سنتی به مدیریت دستی و تنظیمات سرورهای فیزیکی یا ماشین‌های مجازی وابسته است که زمان‌ و هزینه زیادی می‌برد. ولی در کلاود نتیو نرم‌افزار (Cloud native software) از زیرساخت غیرقابل تغییر و خودکارسازی برای مدیریت هوشمند استفاده می‌شود.
• در دسترس بودن: در صورت خرابی یک بخش سیستم‌های سنتی، کل سیستم ممکن است از کار بیفتد و بازیابی آن زمان زیادی ببرد. خوشبختانه در سیستم‌های ابر بومی در صورت بروز مشکل، سرویس‌های معیوب با مدیریت خودکار خطا و خودترمیمی، جایگزین می‌شود.

مزایای اپلیکیشن‌های ابر بومی یا Cloud Native Applications

اصلی‌ترین مزایای ابر بومی (Cloud native benefits)، جدا کردن نرم‌افزار از سخت‌افزار زیربنایی و تجزیه این نرم‌افزار به بخش‌های کوچک‌تر است. در واقع سایر مزایا نیز به‌نوعی زیر سایه همین ویژگی‌ها قرار دارد.

• توسعه سریع‌تر
• استقلال پلتفرم
• صرفه‌جویی در هزینه‌ها
• تاب‌آوری
• افزایش قابلیت حمل و نقل
• حفاظت اطلاعات و دیتاها
• تطابق با استانداردهای ثابت (Based on consistent standards)
• چابکی تجاری (Business agility)
• بدون داون‌تایم (No downtime)

در ادامه سه تا از مهم‌ترین این مزایا را موشکافی می‌کنیم.

توسعه سریع‌تر

در سیستم ابر بومی نرم‌افزاری، مدلی تحت عنوان تحویل پیوسته (Continuous delivery) تعریف شده که در آن به‌روزرسانی به‌صورت مکرر و در ابعاد کوچک انجام می‌شود. بنابراین سیستم با یک به‌‎روزرسانی وسیع یا اصلاحات زیاد، از دسترس خارج نمی‌شود. استفاده از DevOps و CI/CD نیز باعث تسریع فرایند توسعه و استقرار می‌شود.

استقلال پلتفرم

از دیگر مزایای Cloud Nativeقابلیت اجرای این برنامه‌ها روی ابرهای عمومی، خصوصی، ترکیبی یا حتی محیط‌های On-Premise است. به‌لطف استفاده از کانتینرها و ارکستراسیون با Kubernetes، این اپلیکیشن‌ها به سخت‌افزار یا سیستم‌عامل خاصی وابسته نیست و قابلیت جابه‌جایی بین پلتفرم‌های مختلف را دارد.

صرفه‌جویی در هزینه‌ها

از مهم‌ترین مزایای کلاود نتیو، مدیریت بهینه منابع و مقیاس‌پذیری خودکار است که باعث می‌شود منابع ابری، فقط به اندازه لازم استفاده شود. این «پرداخت به میزان مصرف» (Pay-as-you-go) باعث کاهش هزینه‌های عملیاتی و زیرساختی می‌شود. از طرفی استفاده از اتوماسیون و مدیریت پویا نیز نیاز به نیروی انسانی را کاهش می‌دهد.

معایب اپلیکیشن‌های Cloud-Native

کلاود نتیو نرم‌افزاری با معایبی هم همراه است که مهم‌ترین آن‌ها عبارت است از:

• نیاز به مدیریت عناصر افزایش‎‌یافته: در این معماری، به ‌جای یک برنامه یکپارچه، تعداد زیادی میکروسرویس دارید. هر یک از این سرویس‌ها به پایگاه‌داده، کش، صف پیام و سایر منابع خاص خود نیاز دارد. این امر باعث افزایش پیچیدگی مدیریت سیستم می‌شود.
• نیاز به ابزارهای مدیریتی پیشرفته: ابزارهای Cloud Native(Cloud native tools) یکی از نقاط قوت این معماری محسوب می‌شود. برای مثال از ابزارهای Kubernetes برای ارکستراسیون، Service Mesh برای مدیریت ارتباطات سرویس‌ها و Monitoring Tools (مانند Prometheus و Grafana) برای نظارت و لاگینگ ضروری استفاده می‌شود. اما گاهی تعداد زیاد ابزارها ممکن است چرخه کاری را پیچیده‌تر کند.
• وابستگی به سرویس‌های ابری: استفاده از پلتفرم‌های ابری، وابستگی سازمان‌ها را به این ارائه‌دهندگان خاص بالا می‌برد. مهاجرت از یک ارائه‌دهنده به دیگری می‌تواند پیچیده، زمان‌بر و پرهزینه باشد.
• امنیت کلاود نتیو (Cloud native security): با افزایش تعداد سرویس‌ها و تعاملات آن‌ها، سطح حمله (Attack Surface) نیز افزایش می‌یابد. تأمین امنیت در یک محیط توزیع‌شده، نیازمند سیاست‌های امنیتی سخت‌گیرانه‌تر و احراز هویت قوی است.

چالش‌های استفاده از رویکرد Cloud Native

این معماری در کنار مزایای ارزشمند خود، با چالش‌هایی هم همراه است. چالش های ابربومی (Cloud native challenges) نه‌تنها پشته فناوری را تحت تأثیر قرار می‌دهد؛ بلکه روی فرهنگ سازمانی، فرآیندهای کاری و مهارت‌های موردنیاز تیم‌ها نیز تأثیرگذار است.
به طور کلی، چالش‌های Cloud Nativeرا می‌توان اینگونه خلاصه کرد:

• تغییر شکل مدل های عملیاتی سنتی
• ایجاد تعادل بین سیستم‌های اتوماسیون و قدیمی
• کمبود مهارت لازم برای کار با معماری مدرن
• مقاومت نیروهای کار در برابر تحولات فرهنگی

جمع‌بندی

در این مطلب دیدید که کلاد نیتیو چیست و چه مزایایی دارد. ابر بومی نرم‌افزار، رویکردی مدرن برای توسعه نرم‌افزار است که با استفاده از معماری میکروسرویس، اتوماسیون و زیرساخت ابری، چابکی، مقیاس‌پذیری و پایداری سیستم‌ها را افزایش می‌دهد. جالب آنکهCloud Native در ایران نیز با وجود محدودیت‌های مربوط به سرویس‌های ابری بین‌المللی، در حال گسترش است. بعضی شرکت‌های هاستینگ تلاش می‌کنند که جایگزین‌هایی بومی مناسبی برای Cloud Native ارائه دهند که این نشان‌دهنده رشد و تطبیق فناوری‌های نوین در فضای دیجیتال کشور است.

سؤالات متداول

۱. Cloud native چیست؟

کلاود نتیو روشی نوین برای ساخت، اجرا و مدیریت برنامه‌های کاربردی در فضای ابری با مقیاس‌پذیری و انعطاف بالا است.

۲. تفاوت Cloud و Cloud Native چیست؟

Cloud به زیرساخت‌ها و خدماتی گفته می‌شود که محاسبات را بر اساس تقاضا ارائه می‌دهد. در حالی که ابر بومی راهی برای ساختن نرم‌افزاری است که از این خدمات استفاده می‌کند.

۳. موارد استفاده Cloud Native چیست؟

توسعه برنامه‌هایی با مقیاس‌پذیری بسیار بالا، خدمات مبتنی بر API، نرم‌افزارهای مبتنی بر داده‌های بزرگ (Big Data) و… .

۴. مهم‌ترین ابزارهای Cloud Native کدام‌اند؟

ابزارهایی مانند Docker (برای کانتینرسازی)، Kubernetes (برای ارکستراسیون)، Helm (برای مدیریت بسته‌ها)، CI/CD (برای اتوماسیون توسعه و استقرار) و Prometheus و Grafana (برای لاگینگ).

۵. آینده Cloud Native چیست؟

کلاود نتیو به‌سرعت در حال گسترش و تبدیل شدن به پایه‌ای برای توسعه نرم‌افزارهای آینده است. سازمان‌ها با پذیرش این تغییر، به مقیاس‌پذیری، انعطاف‌پذیری و چابکی بیشتری دست پیدا خواهند کرد.