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定义云时代的操作系统,《2022 云原生产业发展白皮书》正式发布!

爱分析ifenxi | 专注于科技创新领域的研究机构 2022/09/21 21:00
行业研究 ifenxi爱分析 非券商

新知达人, 定义云时代的操作系统,《2022 云原生产业发展白皮书》正式发布!

云原生技术自 2015 年正式诞生以来,以一种势不可挡的趋势迅速席卷全球的科技产业,并同时在互联网、金融、制造、零售等各行业遍地开花,推动了企业在数字化时代,实现以应用为中心的业务变革。

在终端用户产业,互联网公司的热门应用在云原生的支撑下,每天服务着全球数十亿用户,并随时响应着人们的各种需求。金融、制造、零售等传统行业企业通过对传统 IT 系统和应用的云原生化改造,在满足各种高并发、大流量业务场景需求的同时,还进一步通过云原生改造内部的经营管理系统,向过去多年业务发展过程中沉淀的经营管理模式发起变革,带动企业创新发展。

在科技产业,云原生以云操作系统为核心,引领了新一轮的信息技术革命,传统 IT 世界中的各类技术都已经或正在出现一个云原生的复刻版,一个全新的 IT 技术体系已经显现。与此同时,大数据、人工智能、区块链、边缘计算,以及近来大家热议的元宇宙等有望改变人类社会的新兴技术,也都离不开云原生作为技术底座支撑其发展。

云原生来到中国市场,在当前特殊的时代背景下,还为中国的信创产业建设提供了一个全新的方向。长期以来,中国的信创产业建设面临着 IT 生态体系不完善、技术水平落后等诸多问题,而云原生作为一种全新的技术体系,给中国的信创产业建设带来弯道超车的机会。并且我们看到,中国的科技公司掌握着领先的云原生技术,并且有已经过验证的“云原生+信创”解决方案在快速落地。

云原生给科技产业,及其终端用户产业带来的巨大颠覆效应也给云原生技术本身增添了很多神秘色彩。云原生技术的本质是什么?云原生目前的发展现状是怎样的?为何云原生能给科技产业,及其终端用户产业带来巨大的颠覆效应?云原生能给中国的信息技术产业发展带来什么样的可能?相信这些问题困惑着很多企业的管理者、政府部门的决策者,以及众多云原生领域的从业者。

在此背景下, 9 月 21 日爱分析联合「DaoCloud 道客」正式发布 《2022 云原生产业发展白皮书》 (以下简称白皮书),本次白皮书的目标即是系统地解答上述问题。

白皮书首先阐明了云原生的定义、源起与应用的现状,然后深度探讨了整个云原生产业的发展逻辑,重点对云原生产业全景进行了解析,接下来白皮书分析了云原生给中国信创产业带来了哪些新的机遇,并重点展示了国内领先企业的云原生实践案例,白皮书的最后对云原生未来的发展趋势进行了推演和展望。

此次白皮书撰写过程中进行了大量的企业高管访谈和调研,希望通过分享专业的研究内容以及相关行业的成功案例,能够为各个企业实现企业长期发展,推动数字化转型提供决策参考。

01

云原生的定义、源起与应用现状

1.1 云原生的定义

关于云原生,业内存在着多种定义,但这些定义大多跟随云原生的快速发展在不断迭代,且不同组织对于云原生也有着自己的理解和定义,这平添了云原生这一名词的迷惑性。

回归到云原生的本质,我们认为,云原生是一套以云操作系统为核心的全新的 IT 技术体系,其包括了容器、Kubernetes、微服务、服务网格、DevOps、可观测等关键技术,能够覆盖软件开发、交付、部署和运维的全生命周期。基于云原生技术的 IT 系统具备松耦合、自动化、弹性调度、按需分配计算资源、易于观察、容错性好等特点,因此企业可以利用云原生技术在公有云、私有云、混合云,以及本地数据中心等多种异构的基础设施之上为大规模的应用程序构建统一的运行环境,并允许应用程序根据动态的业务需求进行频繁且高效的调整或扩展。

云原生的根本目标是灵活调度、按需分配网络、计算、存储等基础设施资源,帮助企业在数字化时代,以应用为中心,有效应对经营管理中业务需求快速变化、业务系统越来越复杂、对 IT 资源的需求更弹性等不确定性因素带来的问题。

1.2 云原生的产生及其驱动因素

云原生作为一种 IT 技术体系,其产生和发展离不开背后 IT 基础架构的演进。因此,为了深入理解云原生,我们需要首先理解 IT 基础架构的演进趋势,及其驱动因素。

回顾 IT 技术的发展史,我们发现,自 1950 年代左右计算机诞生以来,IT 基础架构以及相应技术栈的演化一直围绕着解决一个核心命题:如何以更高效的方式分配利用底层的硬件资源和管理上层的各类应用?

而上述问题的根源在于过去数十年间,IT 系统中底层资源供给与上层应用需求一直都在不断地变化,以及随之而来的两者之间的供需矛盾。在底层资源方面,自 1960 年代晶体管和集成电路出现以来,芯片的计算能力一直遵循着摩尔定律,以指数级的方式增长至今;在上层应用方面,软件从最早服务于军方、科研机构的少数需求,逐渐向人们的生产和生活领域渗透,到今天软件无处不在,我们已身处一个软件定义的世界。当资源供给与应用需求总是以不平衡的速率扩展,而又缺乏能够按需将资源相对精确地分配给应用的工具时,两者之间的供需矛盾也随之产生。

为了调和底层资源供给与上层应用需求之间的供需矛盾,操作系统应运而生。并且伴随着操作系统的产生,以及之后持续的优化和迭代,IT 的基础架构也依次历经了五代的发展:中央计算机、物理机、虚拟机、容器,以及目前正在兴起的云原生。在这个过程中,IT 系统中资源分配的颗粒度越来越小,应用程序的开发和扩展也变得越来越敏捷。

图 1:IT 基础架构的代际演进趋势

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1.3云原生在产业中的应用现状

白皮书在本章节,阐述云原生技术体系给产业带来的价值,以及云原生目前在产业中的应用现状。

技术从来都只是解决问题的手段,技术背后蕴含的思想理念才是其产生和发展的根本。云原生之所以能在产业中迅速流行,是由于在数字化时代,企业业务的落脚点主要都是数字化的应用,随着产业竞争加剧,企业在经营管理中普遍会面临对 IT 资源的需求更弹性、业务需求快速变化、业务系统越来越复杂等问题。而云原生能够帮助企业以应用为中心,从基础设施,到 IT 架构,到应用开发运营流程进行全方位的改造,从而实现应用现代化,以更好地应对上述的多种不确定性因素所带来的问题。

具体而言,云原生能够给企业的现代化应用带来以下三点核心价值:

图 2:云原生给现代化应用带来的核心价值

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白皮书中认为,云原生给企业应用带来的巨大价值,使得中国企业在这场云原生运动中也与世界保持了同步。在国内市场,数字原生的互联网公司基本都将应用运行在云原生的环境中,而在互联网公司的示范引领下,近年来金融、制造、能源、政务、零售等传统行业企业纷纷加快拥抱云原生。

在行业渗透率方面。根据爱分析调研和测算的数据,云原生近两年在国内企业的渗透率正呈现快速增长的趋势,但在不同行业中存在一定差异。具体而言,在大型及股份制商业银行中,云原生的普及率超越所有传统行业,2021 年起几乎全部的大型国有及股份制商业银行都已经开始在内部使用云原生技术;而云原生在包括广大城商行、农商行、保险、券商在内的金融机构,以及政务机构中的渗透率显著高于其他行业,并预计将从 2021 年的 40% 左右进一步增长至 2025 年的 90% 以上;制造、能源、零售、基金等行业对云原生的采用相对落后,预计云原生在这些行业的渗透率将从 2021 年的 20% 左右增长至 2025 年的 80% 左右。

图 3:云原生在国内各行业企业的渗透率

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02

云原生产业的发展逻辑与产业全景

2.1 Kubernetes 是云原生技术的基石

Kubernetes 是一个用来自动化部署和管理大规模容器化应用程序的软件系统,其基本设计思想是将服务器集群作为一个资源池进行统一管理,并用声明式 API 的方式部署和运行应用程序。具体而言,开发者在构建一个应用程序或服务时,会通过 YAML 文本文件声明该服务期望的运行状态,如:“服务 A 需要 10 个实例,在 3 个节点(服务器)上运行,可以访问B数据库。“甚至还可以进一步声明该应用期望的运维状态,如:“当服务 A 的 CPU 使用量大于 30% 时,请自动扩展出 5 个实例。”

Kubernetes 在希腊语中的意思是“舵手”,正如舵手的职责是执行船长命令,让轮船保持正确的航向那样,Kubernetes 在 IT 系统中的核心职责即是执行开发者期望服务运行的状态,并不断将集群中在运行的服务的实际状态与期望状态进行比较,当实际状态与期望状态不匹配时,Kubernetes 会通过创建或销毁容器和相关组件来进行协调,向期望状态调整。通过这样的设计,Kubernetes 以容器为基本管理单位,为应用和资源的管理带来以下优势:

图 4:Kubernetes 在应用和资源管理中的优势

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2.2 Kubernetes 是云时代的操作系统

Kubernetes 的本质是操作系统技术

通常,一个典型的操作系统具备上下两层能力。对下,操作系统需要接管硬件设备,对底层的基础设施进行统一管理;对上,操作系统需要管理上层的应用,对应用进行生命周期的管理。

Kubernetes 兼具了上述这两层能力,其本质是操作系统技术,已在业内达成共识。在对下的资源管理方面,传统的操作系统如 windows、Linux 管理的是硬件服务器或虚拟机,而  Kubernetes 管理的是分布式的,多云异构的基础设施;在对上的应用管理方面,传统的操作系统管理的是应用的进程,而 Kubernetes 管理的是构成应用的标准化的容器。

由此,在云原生架构中,传统操作系统的作用被极大弱化,Kubernetes 则承担着操作系统主要的功能,成为事实上的云操作系统。面对多云异构的基础设施以及大规模的容器化应用,传统操作系统的关键能力如设备管理、进程管理、文件管理、包管理,依次被  Kubernetes 的分布式调度、容器管理、容器持久化、编排管理能力所替代。而传统操作系统内核的功能被极大地弱化,仅会在单个服务器上发挥一定作用,如物理设备的管理和一定程度的进程管理、网络管理等。

图 5:云原生与传统 IT 架构中操作系统功能对比

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2.3云时代的操作系统将重塑 IT 生态体系

IT 技术发展的历史规律告诉我们,一个成为主流的操作系统,背后必定有一个以操作系统为核心而构建生态体系作为支撑,并且这个生态体系需要包含能互相兼容适配的软硬件、以及相关专业服务。

PC 时代的 Wintel 体系,以及移动终端时代的 iOS/Android 体系就是其中的典型代表。在  PC 时代,微软和 Intel 推动了软硬件功能的深度适配,并且以 Windows 为核心,构建了数百个基于 Windows 的软件开发管理工具,以及上千万研发人员参与的全球开发者社区,从而促使上亿软件开发者基于 Windows 开发了数百万个应用软件。在移动终端时代,苹果和  Google 也分别以 iOS 和 Android 系统为核心,构建了包含操作系统、ARM 芯片、开发管理工具、应用商店以及各类应用的完整生态体系。

而云原生产业发展至今,围绕云操作系统 Kubernetes 生长出的全新的 IT 生态体系已经初步成形。参照汇聚了全世界绝大部分云原生项目的 CNCF 云原生产业全景图,我们发现,传统 IT 体系中围绕操作系统构建的数据库、中间件、运维管理、安全管理、应用软件,以及  ISV 和专业服务,都已经或正在出现云原生的复刻版。仅有的两点差别在于:1)Kubernetes 将应用与基础设施进行了解耦,因此软硬件不再需要直接兼容,而是由全新设计的管理软件来定义基础设施;2)云原生体系下,应用开发与运维形成了一个不可分割的闭环,因此需要标准化和自动化的应用开发、测试和部署工具支撑。

2.4云原生产业全景解析

云原生的产业生态体系非常庞杂,最新的 CNCF 全景图包含了近 30 个细分类别,上千个云原生项目,并且还在不断快速增加中,同时由于 CNCF 是从工程技术的角度对其进行的归类,导致 CNCF 的全景图难以体现出云原生产业的发展逻辑以及生态体系内工具各自功能之间的关系,增加了其理解难度。

针对上述问题,白皮书按照完整的 IT 生态体系的结构,即按照操作系统、基础设施、中间件、运维管理、安全管理、数据库,以及与云原生独有的应用定义与开发的分类方式,对CNCF 的云原生全景图中的工具/组件进行了重新分类整理,并对主要的细分工具/组件所解决的问题进行具体解释。

图 6:根据 IT 生态体系结构重新梳理的云原生工具/组件分类

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03

云原生给中国信创产业带来的机遇

3.1 中国信创产业建设的背景和发展现状

长期以来,我国在信息技术领域高度依赖微软、苹果、Google、Intel、Oracle、IBM 等国外科技公司提供的操作系统、芯片、服务器、数据库、办公软件等软硬件产品和技术。然而,近年来,以微软黑屏事件、美国国安局棱镜门事件为代表全球信息安全事件频发,以及中美对抗升级导致美国陆续将以华为、中兴为代表的上百家中国科技公司列入“实体清单”,采取技术出口管控等措施。这些事件让我国 IT 产业链由于在关键环节缺少自主可控的核心技术可能会引发的信息安全和 IT 产业发展的系统性风险暴露无遗,信创建设的必要性和紧迫性也由此产生。

在此背景下,中国近年来陆续出台了一系列政策,并逐渐形成了围绕 IT 全产业链和全行业市场构建自主的 IT 产业生态的信创建设思路。

图 7:信创政策推进的 IT 全产业链和全行业 IT 系统升级

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3.2 中国信创产业建设面临的挑战

尽管信创产业建设有着美好的出发点和愿景,并且近年来也取得了一定的成效,但其整体的发展却并不尽如人意。在实践中,存在着诸多制约信创产业建设推进的挑战。对此,我们将其中最核心的问题,及其产生的原因梳理如下:

图 8:信创产业建设面临的挑战

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3.3 云原生+信创解决方案的优势

以国内领先的云原生厂商「DaoCloud 道客」提供的信创云操作系统为例,其将已有的云原生开放技术生态与信创体系相结合,构建了一个高性能的分布式调度系统,能够对下支持异构基础设施统一纳管,为信创和非信创负载提供统一支撑;对上通过容器标准封装和调度,提供面向分布式应用的全生命周期管理,包含应用的编排调度、弹性扩展、持续交付、可观测性等。由此,信创云操作系统通过利用云原生技术,打破了原有的 IT 生态体系,在信创架构下重塑了一个完整的 IT 系统解决方案。

图 9:基于云原生技术的信创云操作系统

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3.4 信创 云操作系统的应用现状和发展空间

白皮书中指出,广泛的应用需求使得信创云操作系统成为一个规模巨大,并具备很高的发展潜力的市场。根据工信部下属 ICT 研究与咨询机构计世资讯统计的信创云平台市场规模的数据,结合爱分析调研和测算,中国信创云操作系统市场规模在 2021 年约为 75 亿元,预计未来五年,信创云操作系统的市场规模将以 33.5% 的复合增长率保持增长,到 2026 年将达到 314 亿元。

图 10:中国信创云操作系统市场规模及增速

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白皮书中还提到,相比传统 IT 产业生态,中国在全球的云原生产业发展中拥有以下三点优势:

1. 中国巨大的数字经济规模,全世界最丰富的应用场景,倒逼技术层面的创新。

2. 中国科技公司在云原生的核心赛道中占据了重要地位。

3. 中国科技公司整体的云原生技术实力跻身世界前列。

04

国内领先企业的云原生实践

白皮书先介绍了「DaoCloud 道客」的发展历程、技术实力、生态布局、信创支持以及业界对其的广泛认可。本章节重点展示了云原生在银行、汽车、零售、证券、基金等行业实践案例,从企业背景及其数字化转型过程中遇到的问题和挑战讲起,到运用云原生解决方案的实施落地过程,最后阐明了云原生实践带来的价值和业务收益。

白皮书提到,通过拥抱云原生带来的新技术和新思维,案例中的车企得以从容应对当下汽车产业格局与产业链协作方式的快速变化,顺利推进数字化转型,构建面向未来的生产和管理模式。

05

未来趋势展望

当前,云原生的价值已经在各行业的领先公司中得到充分验证,由此云原生的发展也开始迈入大规模产业应用推广的阶段。随着这一进程的推进,云原生的细分技术和应用场景都将面临更深入的变化。

在细分技术方面。Kubernetes 和 Docker 等技术已基本成熟稳定,但云原生的整个技术体系还在不断发展壮大的过程中,一些细分技术领域也正在成为重要的发展方向,主要包含: 服务网格、可观测性、无服务器。

在应用场景方面。中国各行各业都在全面地拥抱数字化转型,并且已经构建了强大数字基础设施,同时叠加信创产业的崛起,云原生在中国市场有望产生大量独特的应用场景,除了前文已经提及的信创,以及大数据、AI 等,我们认为还有以下几个由企业需求或政策驱动的重要方向值得关注: 分布式云、东数西算、数据要素市场。

相信不远的未来,云原生将在更多的行业、更多的场景迅速落地,助力企业在数字化转型浪潮中持续增长,引领时代变革。

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