1     CloudFoundry简介

CloudFoundry是VMware旗下子公司Pivotal的一款开源PaaS产品，是一个由多个独立子系统组成的分布式系统，能偶支持多种运行时环境、开发语言、框架及服务，可以构建于IaaS平台之上，也可以直接部署于物理机器上，总共有两个版本分别是V1和V2，V2版本采用的更为成熟的架构思想，引入了如Buildpack、Warden等强大灵活的组件。

Cloud Foundry v1已于2013年1月底停止开发与维护,v2版本主要有以下变化:

1.v1中Router使用的是nginx+lua+ruby server的方式，v2使用了go语言gorouter，据称支持了websocket且极大提升了性能；

  2.v2中Cloud Controller新增了quota、org、space等新的概念，更方便的进行权限和资源管理；

3.v1中为应用打包使用的是Stager组件，v2中移除了该组件，将打包功能加入到DEA中，另外完全重写了Health Manager；

   4.v1里DEA可以独立运行，一个DEA负责的所有app都以子进程的形式挂在DEA主进程下，但v2之后DEA强依赖于Warden提供的安全容器来运行app了。

Cloudfoundry 的部分特色：

1、 基于消息的多组件架构是实现集群的简单、且有效方法。消息可以使集群节点间解耦，使自注册，自发现这些在大规模数据中心中很重要的功能得到实现；

2、 适当的抽象层，模板模式的使用，方便第三方可以方便在CloudFoundry开发扩展功能。CloudFoundry在DEA及Service层都做了抽象层处理，相对应地使开发者可以容易地为CloudFoundry开发Runtime和Service。例如，在CloudFoundry刚推出的时候，只支持Node.js, Java, Ruby，但第三方提供商、开源社区快速跟进，为CloudFoundry添加了PHP, Python的支持。这得益于CloudFoundry精巧的DEA架构设计。

2     Cloud Foundry v2的架构及流程示意图：

注：配合名词解释看架构图

3     CloudFoundry V2 主要名词解释

3.1      CloudController

CC即Could Controller，CloudFoundry V2版本中叫CC_ng，是CloudFoundry的管理模块，主要负责为cf、vmc、sts等客户端提供REST API接口，管理App的整个生命周期的状态及运行环境、日志等，是基于Fog组件规范的接口。

用户通过命令行工具cf与CloudFoundry Server打交道，实际主要就是和Cloud Controller交互。用户把app push给Cloud Controller，Cloud Controller将其存放在Blob Store，在数据库中为该app创建一条记录，存放其meta信息，并且指定一个DEA节点来完成打包动作，产出一个droplet（是一个包含Runtime的包，在任何dea节点都可以通过warden run起来），完成打包之后，droplet回传给Cloud Controller，仍然存放在Blob Store，然后Cloud Controller根据用户要求的实例数目，调度相应的DEA节点部署运行该droplet。另外，Cloud Controller还维护了用户组织关系org、space，以及服务、服务实例等等。

3.2     DEA

DEA组件全称Droplet Execution Agent，相当于部署App应用的容器，用于管理应用实例的整个生命周期，能够与CC组件通讯进行应用实例的启动和停止，在应用实例的整个生命周期中，DEA都会对其保持跟踪监控，并周期性地通过NATS消息组件将应用实例的状态信息进行广播（主要是被Health manager组件接收）；最新版本的DEA组件（DEA_next）与老版本的DEA组件相比，优势在于新版本更具模块化，并且测试的覆盖面更广，而且还有一个非常大的改进：依赖Warden组件进行应用实例隔离；DEA中的还有个组件叫Director server，基于Go语言编写，当有请求发起时，DEA响应请求并重定向到director server，在DEA对该URL请求作出处理之前由director server验证其有效性。

DEA，部署在所有物理节点上，管理app实例，将状态信息广播出去。比如我们创建一个app，实例的创建命令最终会下发到DEA，DEA调用warden的接口创建container，如果用户要删除某个app，实例的销毁命令最终也会下发到DEA，DEA调用warden的接口销毁对应的container。

3.3     Warden

Warden是CloudFoundry的一个基础组件，用来在Unix系统环境中构建独立、完全隔离的资源环境，能够对CPU、内存、硬盘资源、网络资源进行控制。

当CloudFoundry刚刚推出的时候，Droplet包含了应用的启动、停止等简单命令。用户应用可以随意访问文件系统，也可以在内网畅通无阻，跑满CPU，占尽内存，写满磁盘，一切可以想到的破坏性操作都可以做到。CloudFoundry显然不会放任这样的情况太久，现在他们开发出了Warden，一个程序运行容器。这个容器提供了一个孤立的环境，Droplet只可以获得受限的CPU，内存，磁盘访问权限，网络权限，再没有办法搞破坏了。

Warden在Linux上的实现是将Linux内核的资源分成若干个namespace加以区分，底层的机制是CGROUP。这样的设计比虚拟机性能好，启动快，也能够获得足够的安全性。在网络方面，每一个Warden实例有一个虚拟网络接口，每个接口有一个IP，而DEA内有一个子网，这些网络接口就连在这个子网上。安全可以通过iptables来保证。在磁盘方面，每个warden实例有一个自己的filesystem。这些filesystem使用aufs实现的。Aufs可以共享warden之间的只读内容，区分只写的内容，提高了磁盘空间的利用率。因为aufs只能在固定大小的文件上读写，所以磁盘也没有出现写满的可能性。

LXC是另一个Linux Container。那为什么不使用它，而开发了Warden呢。因为LXC的实现是和Linux绑死的，CloudFoundry希望warden能运转在各个不同的平台，而不只是Linux。另外Warden提供了一个Daemon和若干Api来操作，LXC提供的是系统工具。还有最重要的一点是LXC过于庞大，Warden只需要其中的一点点功能就可以了，更少的代码便于调试。

3.4      Health Manager

Health Manager最初是用Ruby写的，后来用golang写了一版，称为HM9000，HM9000主要有四个核心功能：

·        监控app的实际运行状态（比如：running, stopped, crashed等等），版本，实例数目等信息。DEA会持续发送心跳包，汇报它所管辖的实例信息，如果某个实例挂了，会立马发送“droplet.exited”消息，HM9000据此更新app的实际运行数据；

·        HM9000通过dump Cloud Controller数据库的方式，获取app的期望状态、版本、实例数目；

·        HM9000持续比对app的实际运行状态和期望状态，如果发现app正在运行的实例数目少于要求的实例数目，就发命令给Cloud Controller，要求启动相应数目的实例。HM9000本身，不会要求DEA做些什么。它只是收集数据，比对，再收集数据，再比对；

·        用户通过cf命令行工具是可以控制app各个实例的启停状态的，如果app的状态发生变化，HM9000就会命令Cloud Controller做出相应调整；

HM9000就是保证app可用性的一个基础组件，app运行时超过了分配的quota，或者异常退出，或者DEA节点整个宕机，HM9000都会检测到，然后命令Cloud Controller做实例迁移。HM9000的代码在这里：https://github.com/cloudfoundry/hm9000

Health Manager模块目前还不是十分完善，但是Cloud Manage栈里面，自动化health管理、分析是一个很重要的领域，而这方面可以扩展的地方也很多，结合Orchestration Engine可以使云自管理、自预警；而与BI方面技术结合，可以统计运营情况，合理分配资源等，这方面CloudFoundry还在发展之中。

3.5      Buildpack

Buildpack通常是ruby工程，由若干ruby脚本和配置文件组成，包含了APP应用部署运行所需要的所有环境，包括语言框架和运行时环境，CloudFoundry原生支持Ruby、Java、Node.js及其主流框架，另外，Heroku等第三方的Buildpack也能部分支持，APP应用上传部署的过程中，CloudFoundry会检测APP配置以确定哪个buildpack能够适用，第三方的开源buildpack需要在部署的时候手动指定：cf push --buildpack URL。

    举例来说，如果把一个php应用放置在某个路径下，然后将apache配置好，最后写一个启动脚本，然后将apache, php应用代码和启动脚本打成一个压缩包。在另外一台环境完全相同的机器上，你只需要下载这个压缩包，解压到对应目录下，然后启动脚本，应用就可以完美的复制到这台机器上。一个打好压缩包就是一个droplet，打压缩包的程序就叫buildpack，打包的过程叫staging。不同的应用类型对应的buildpack代码也不同。如果要增加一门cloudfoundry默认不支持的语言或者应用类型，就需要自定义buildpack。

当前版本默认支持的buildpack有java buildpack、ruby buildpack、nodejs buildpack三种，所以如果增加java、ruby、nodejs应用几乎不用上传这些应用需要的相关环境文件，只需要上传app应用就可以在dea上部署，如果新增的app需要的环境不是上述三种buildpack能够支持的，例如app需要的runtime是pyp，则需要新增一个自定的buildpack。

3.6      Router

V2版本的Router组件改为Gorouter，是基于Go语言编写的，用于CF平台到各组件（如CC,DEA等）的网络路由。Router通过定制实现了对所有连接到Router的网络连接的控制，从而能够更好地支持websocket和其他一些网络协议如HTTP等，所有的路由逻辑都有其独占的进程，减少一些不必要的网络延迟。Gorouter在CF平台上运行时，需要随时通过NATS消息进行更新，默认情况狂下，2分钟未接收到NATS消息，则该route将会被废弃，以释放资源，所以如果需要保存route激活状态的话，最起码得2分钟内对其进行一次更新操作。

Gorouter提供了两个HTTP接口进行监控管理：/varz和/healthz。/routes接口的返回结果是JSON格式的路由表信息，每个Route都有一个对应的接口信息数组。这些接口都要求身份认证，认证信息通过gorouter.yml文件进行配置，其中有端口、用户名、密码等配置项。

Router是整个平台的流量入口，负责分发所有的请求到对应的组件，包括来自外部用户对app的请求和平台内部的管理请求。它在内存中维护了一张路由表，记录了域名与实例的对应关系，所谓的实例自动迁移，靠得就是这张路由表，某实例宕掉了，就从路由表中剔除，新实例创建了，就加入路由表。

CloudFoundry1.0中的router是用nginx+lua嵌入脚本实现的，2.0用golang重写，更名为gorouter，性能有所提升，并声称试图解决websocket请求和tcp请求（虽然这在笔者看来是没用的），它的代码https://github.com/cloudfoundry/gorouter

3.7      UAA

UAA组件全称User Account and Authentication，是基于java语言进行开发，使用Maven进行包管理的一个子项目，主要用于CF平台的身份认证管理，事实上，它并不是CF平台的内部组件，而是一个基于OAuth2和OpenID通用身份认证规范的独立功能组件，可以用于CF平台的身份认证，也可以为其他项目提供SSO单点认证服务。

3.8      Droplet

Droplet---封装包（不好解释，暂且将其中文名称为封装包），是应用程序经过Staging（不好解释，暂且将其中文名称为封装）过程产生的一个可以执行运行的程序包，源于程序，封装后会留有一个端口用于监听HTTP请求，同时包含2个可执行动作：启动、停止，这个包里边会包含以下内容：

• 应用程序包（APP）
• 运行环境配置文件
• 管理控制脚本

3.9      Service Brokers

app在运行的时候通常需要依赖外部的一些服务，比如数据库服务、缓存服务、短信邮件服务等等。Service Broker就是app接入服务的一种方式。比如我们要接入MySQL服务，只要实现CloudFoundry要求的Service Broker API即可。但实际情况是在我们使用CloudFoundry之前，MySQL服务已经由DBA做了服务化、产品化，用起来已经很方便了。有必要实现其Service Broker API，按照CloudFoundry这套规则出牌么？笔者认为没有这个必要。app仍然按照之前访问MySQL服务的方式去做即可，没有任何问题。

3.10  Message Bus

NATS是一个分布式的消息发布和订阅系统，CloudFoundry的各组件之间的通信就是依赖NATS组件。

CloudFoundry使用NATS作为内部组件之间通信的媒介，NATS是一个轻量级的基于pub-sub机制的分布式消息队列系统，是整个系统可以松散耦合的基石。

我们以向router注册路由为例来说明NATS的作用。不管是外部用户对平台上的应用发起的请求，还是对内部组件（比如Cloud Controller、UAA）发起的请求，都是经由router做的转发，要能让router转发则首先需要向router注册路由。大体逻辑实现如下：

·        router启动时，会订阅router.register这个channel，同时也会定时的向router.start这个channel发送数据

·        其他需要向router注册的组件，启动时会订阅router.start这个channel。一旦接收到消息，会立刻收集需要注册的信息（如ip、port等），然后向router.register这个channel发送消息。

·        router接收到router.register消息后立即更新路由信息

·        以上过程不停循环，使router的状态时刻保持最新

3.11  Staging

Staging---封装（不好解释，暂且将其中文名称为封装），是DEA对上传完成的应用程序执行的一系列动作，DEA会按照buildpack中描述的具体要求，获取相关脚本或者其他依赖包，将其组装成为一个可以运行的封装包Droplet。

3.12   Flapping

应用程序（APP）部署或者运行的一种异常状态，表示该APP已经宕机多次无法正常运行或者根本就无法启动。

3.13  Authentication

这块包含两个组件，一个是Login Server，负责登录，一个是OAuth2 Server(UAA)，UAA是个Java的项目，如果想找一个OAuth2开源方案，可以尝试一下UAA

3.14  Logging and Statistics

       Metrics Collector会从各个模块收集监控数据，运维工程师可以据此来监控CloudFoundry，出了问题及时发现并处理。物理机的硬件监控则可以采用传统的一些监控系统来做，比如zabbix之类的。

       Log这块是个大话题，CloudFoundry提供了Log Aggregator来收集app的log，我们也可以通过其他手段直接把log通过网络打出来，比如syslog、scribe之类的。

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