作者：修蹤
審核&校對(duì)：Chang Shuai、望宸
編輯&排版：雯燕

背景

函數(shù)計(jì)算在 2020 年 8 月創(chuàng)新地提供了容器鏡像的函數(shù)部署方式。AWS Lambda 在 2020 年 12 月 Re-Invent，國(guó)內(nèi)其他 FaaS 提供商在 2021 年 6 月也相繼宣布了 FaaS 支持容器的重磅功能。冷啟動(dòng)一直都是 FaaS 的痛點(diǎn)，引入比代碼壓縮包大幾十倍的容器鏡像后冷啟動(dòng)惡化便成為開(kāi)發(fā)者最大的擔(dān)憂。

函數(shù)計(jì)算在支持容器鏡像的設(shè)計(jì)階段就決定要讓開(kāi)發(fā)者像使用代碼包（秒級(jí)彈性能力）一樣的體驗(yàn)使用鏡像，既要易用性也要保持 FaaS 自身的極致彈性，免除用戶的糾結(jié)和取舍。理想的用戶體驗(yàn)是函數(shù)調(diào)用幾乎感覺(jué)不到鏡像數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸帶來(lái)的延遲額外消耗。

優(yōu)化鏡像加速冷啟動(dòng)大致分為兩種做法：降低絕對(duì)延遲和降低冷啟動(dòng)概率。自容器鏡像上線以來(lái)我們已經(jīng)通過(guò)鏡像加速技術(shù)，分階段降低了絕對(duì)延遲。本文在此基礎(chǔ)上，介紹借助函數(shù)計(jì)算下一代 IaaS 底座神龍裸金屬和安全容器，進(jìn)一步降低絕對(duì)延遲且能夠大幅降低冷啟動(dòng)頻率。

優(yōu)化歷程

（以某一鏡像為例）

第一代架構(gòu)：ECS 虛構(gòu)機(jī)

第一階段（2021 年 3 月）：按需加載，減少數(shù)據(jù)傳輸

過(guò)去的問(wèn)題在于啟動(dòng)鏡像前全量拉取鏡像內(nèi)部數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無(wú)用的鏡像數(shù)據(jù)也會(huì)被完整下載而占用了過(guò)多的準(zhǔn)備時(shí)間。于是我們最初的優(yōu)化方向是盡量忽略無(wú)用的鏡像數(shù)據(jù)，達(dá)到按需加載。為此，我們通過(guò)鏡像加速技術(shù)，省略掉了拉取無(wú)用數(shù)據(jù)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了函數(shù)計(jì)算自定義鏡像冷啟動(dòng)從分鐘級(jí)到秒級(jí)提升的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)。

第二階段（2021 年 6 月）：記錄容器實(shí)例啟動(dòng) I/O 軌跡，在后續(xù)實(shí)例啟動(dòng)中提前預(yù)取鏡像數(shù)據(jù)

我們發(fā)現(xiàn)，函數(shù)實(shí)例在容器啟動(dòng)和初始化階段，I/O 數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式高度一致。根據(jù) FaaS 平臺(tái)基于應(yīng)用運(yùn)行模式調(diào)度資源的特點(diǎn)，我們?cè)诤瘮?shù)實(shí)例首次啟動(dòng)時(shí)記錄了 I/O 軌跡的脫敏數(shù)據(jù)，在后續(xù)的實(shí)例啟動(dòng)時(shí)，將軌跡數(shù)據(jù)作為提示，提前預(yù)取鏡像數(shù)據(jù)到本地，進(jìn)一步減小了冷啟動(dòng)延時(shí)。

上述兩種加速優(yōu)化雖然大幅減小了冷啟動(dòng)絕對(duì)延遲，但由于傳統(tǒng) ECS VM 在閑置一段時(shí)間后就會(huì)被回收，再次啟動(dòng)新機(jī)器時(shí)就會(huì)重新觸發(fā)冷啟動(dòng)。于是，如何減少冷啟動(dòng)頻次便成為了下一階段重點(diǎn)攻克的題目之一。

下一代架構(gòu)：彈性裸金屬服務(wù)器(神龍)+microVM

在設(shè)計(jì)下一代架構(gòu)時(shí)我們不僅考慮解決冷啟動(dòng)頻次問(wèn)題，也同樣注意到緩存對(duì)于啟動(dòng)時(shí)延的影響。于是我們創(chuàng)新性的發(fā)明了 Serverless Caching，根據(jù)不同的存儲(chǔ)服務(wù)特點(diǎn)構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能高效的緩存體系，實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同優(yōu)化，將 Custom Container 體驗(yàn)進(jìn)一步提升。函數(shù)計(jì)算后臺(tái)神龍的更迭時(shí)間遠(yuǎn)大于 ECS VM 的閑置回收時(shí)間，對(duì)于用戶側(cè)而言，熱啟動(dòng)頻率大幅提升，在冷啟動(dòng)后，緩存會(huì)持續(xù)保留在神龍機(jī)器上，緩存命中率可達(dá) 90% 以上。

對(duì)比 ECS 虛擬機(jī)，神龍裸金屬加上微型虛擬機(jī)的架構(gòu)為鏡像加速帶來(lái)了更多的優(yōu)化空間：

• 減小回源帶寬壓力并且減少重復(fù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。比起 ECS VM 來(lái)，同時(shí)幾千實(shí)例啟動(dòng)，對(duì)于鏡像倉(cāng)庫(kù)的讀放大和磁盤(pán)存儲(chǔ)空間的寫(xiě)放大降低至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

• 虛擬機(jī)級(jí)別的安全隔離使得函數(shù)計(jì)算組件可以安全地組成可用區(qū)級(jí)別緩存網(wǎng)絡(luò)，速度傳輸速度甚至優(yōu)于云盤(pán)。

函數(shù)計(jì)算 Custom Container 登陸神龍的同時(shí)也提高了資源利用率，降低成本，這對(duì)用戶和服務(wù)端維護(hù)是雙贏。

Serverless Caching 的架構(gòu)則可以在不增加資源使用成本的同時(shí)提供更多的優(yōu)化潛力。

(L1~L4 為不同級(jí)別緩存，距離和延遲從小到大）

橫向?qū)Ρ?/h2>

到目前為止，我們已經(jīng)將鏡像加速優(yōu)化到了較高的水準(zhǔn)。我們?cè)诤瘮?shù)計(jì)算的公開(kāi)用例里面挑選了 4 個(gè)典型的鏡像并將它們適配至國(guó)內(nèi)外幾個(gè)大型云廠商（名稱以廠商 A、廠商 B 代替）進(jìn)行橫向?qū)Ρ?#xff0c;每間隔 3 小時(shí)調(diào)用上述鏡像，重復(fù)數(shù)次，我們得到了以下結(jié)果：

1、AI 在線推理-貓狗識(shí)別

該鏡像包含了基于 TensorFlow 深度學(xué)習(xí)框架的圖像識(shí)別應(yīng)用。阿里云函數(shù)計(jì)算和廠商 A 都能正常運(yùn)行，但廠商 A 性能較差。廠商 B 則無(wú)法正常運(yùn)行。下圖中阿里云函數(shù)計(jì)算和廠商 A 的延時(shí)數(shù)據(jù)包含鏡像拉取，容器啟動(dòng)，執(zhí)行推理運(yùn)算端對(duì)端的延時(shí)，而廠商 B 的數(shù)據(jù)只是拉取鏡像部分的延時(shí)，都已經(jīng)是最慢。FC 相對(duì)穩(wěn)定，可以看出函數(shù)計(jì)算在 CPU 消耗型如 AI 推理方面有著更大優(yōu)勢(shì)。

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來(lái)直接上傳(img-I7a6864E-1637584327234)(https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/3be17fa89dfa4b668d5580d27ad3b4d0~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image “圖片”)]以云盤(pán)熱啟動(dòng)為基準(zhǔn)（灰色），對(duì)比各個(gè)廠商的額外開(kāi)銷（彩色）

2、Python Flask Web Service

此鏡像為常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，內(nèi)部使用 Python 搭配 Flask 服務(wù)框架。此鏡像的作用旨在測(cè)試不同云產(chǎn)品是否有能力完成高效按需加載。FC 與廠商 A 均有波動(dòng)但后者的波動(dòng)最為明顯。

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來(lái)直接上傳(img-UlL7s1FH-1637584327236)(https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/68cb5a1368194aa6b757d6263717b93b~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image “圖片”)]以云盤(pán)熱啟動(dòng)為基準(zhǔn)（灰色），對(duì)比各個(gè)廠商的額外開(kāi)銷（彩色）

3、Python 機(jī)器學(xué)習(xí)運(yùn)算

鏡像內(nèi)同樣是 Python 運(yùn)行環(huán)境，可以看出各個(gè)廠商依舊保持著各自的特性，廠商 B 全量下載，廠商 A 部分請(qǐng)求有優(yōu)化但不穩(wěn)定。

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來(lái)直接上傳(img-B6tzS9rC-1637584327237)(https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/0defcf9ddf734896877df4c64d5633fe~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image “圖片”)]以云盤(pán)熱啟動(dòng)為基準(zhǔn)（灰色），對(duì)比各個(gè)廠商的額外開(kāi)銷（彩色）

4、Cypress Headless Chrome

此鏡像包含無(wú)頭瀏覽器測(cè)試流程，廠商 A 由于編程模型限制和運(yùn)行環(huán)境不兼容無(wú)法運(yùn)行。而廠商 B 過(guò)慢只能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)耗時(shí) 71.1 秒完成應(yīng)用初始化。不難看出函數(shù)計(jì)算在重 I/O 的鏡像方面依然有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。

以云盤(pán)熱啟動(dòng)為基準(zhǔn)（灰色），對(duì)比各個(gè)廠商的額外開(kāi)銷（彩色），綠色部位為優(yōu)于基準(zhǔn)線的端到端耗時(shí)04

推薦最佳實(shí)踐

支持容器技術(shù)是 FaaS 的必備特質(zhì)，容器增加了可移植性和交付敏捷性，而云服務(wù)減輕了運(yùn)維與閑置成本、提供了彈性擴(kuò)縮容能力。自定義鏡像與函數(shù)計(jì)算結(jié)合最直接的解決了用戶為云廠商定制化地移植大容量業(yè)務(wù)邏輯帶來(lái)的困擾。

FaaS 運(yùn)行容器時(shí)需要盡可能消除額外開(kāi)銷，使用戶體驗(yàn)與本地運(yùn)行場(chǎng)景相近。穩(wěn)定快速的運(yùn)行同樣是優(yōu)秀 FaaS 的標(biāo)準(zhǔn)，FC 提供了鏡像加載優(yōu)化的同時(shí)大大降低了冷啟動(dòng)頻次為穩(wěn)定快速的運(yùn)行提供了保障。不僅如此，在應(yīng)用的可移植方面更加需要做到平滑，不限制開(kāi)發(fā)模式的同時(shí)也要盡量降低用戶使用門(mén)檻。函數(shù)計(jì)算自定義鏡像支持標(biāo)準(zhǔn) HTTP 服務(wù)，自由配置可用端口，可讀的同時(shí)也可寫(xiě)，提供多種工具鏈以及多元化的部署方案，無(wú)強(qiáng)制等待鏡像準(zhǔn)備完成時(shí)間，自帶 HTTP 觸發(fā)而不依賴其他云服務(wù)，支持自定義域名等一系列優(yōu)質(zhì)解決方案。

函數(shù)計(jì)算自定義鏡像適用但不限于人工智能推理、大數(shù)據(jù)分析、游戲結(jié)算、在線課程教育、音視頻處理等。推薦使用阿里云容器鏡像服務(wù)企業(yè)版實(shí)例 ACR EE，自帶鏡像加速功能，省去使用 ACR 鏡像時(shí)手動(dòng)開(kāi)啟加速拉取和加速鏡像準(zhǔn)備的步驟。

AI/ML 在線推理

推理類計(jì)算依賴大體積底層訓(xùn)練框架以及大量的數(shù)據(jù)處理，普通的 AI 框架如 Tensorflow 的鏡像可以輕松達(dá)到 GB 級(jí)，對(duì) CPU 要求已經(jīng)很高，要再滿足擴(kuò)縮容就更是挑戰(zhàn)。函數(shù)計(jì)算自定義鏡像可以很好的解決此類需求，用戶只需直接使用底層訓(xùn)練框架鏡像并與數(shù)據(jù)處理邏輯打包至新的鏡像內(nèi)便可以輕松省去更換運(yùn)行環(huán)境所帶來(lái)的移植開(kāi)銷，同時(shí)又可以滿足彈性擴(kuò)縮容帶來(lái)的快速訓(xùn)練結(jié)果。歌曲喜好推理、圖片 AI 識(shí)別分析等都可以無(wú)縫與函數(shù)計(jì)算銜接以達(dá)到彈性滿足大量動(dòng)態(tài)的在線推理請(qǐng)求。

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輕量靈活 ETL

服務(wù)都依賴數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)處理往往需要消耗大量資源來(lái)滿足高效快速的數(shù)據(jù)變更請(qǐng)求。自定義鏡像與其他函數(shù)計(jì)算運(yùn)行時(shí)一樣可以滿足數(shù)據(jù)處理時(shí)的安全隔離，又同時(shí)保留了用戶將數(shù)據(jù)處理部分的業(yè)務(wù)邏輯自由的打包成鏡像的便捷能力。提供平滑遷移的同時(shí)滿足了鏡像啟動(dòng)的極低額外延時(shí)，滿足了用戶針對(duì)如數(shù)據(jù)庫(kù)治理、萬(wàn)物物聯(lián)等應(yīng)用場(chǎng)景的安全，高效，彈性的數(shù)據(jù)處理需求。

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來(lái)直接上傳(img-0wqoAeY0-1637584327239)(https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/232463e458b64ac3b096f9c0efb4f5cb~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image “圖片”)]

游戲戰(zhàn)斗結(jié)算

各類游戲內(nèi)通常會(huì)設(shè)置日常任務(wù)等場(chǎng)景短時(shí)間集聚大量玩家同時(shí)需要戰(zhàn)斗結(jié)算一類的數(shù)據(jù)處理，為了不讓游戲玩家失去耐心，戰(zhàn)斗數(shù)據(jù)校驗(yàn)通常需要在短短幾秒內(nèi)完成，且單個(gè)玩家的數(shù)據(jù)結(jié)算單位時(shí)間不能隨著玩家數(shù)量增長(zhǎng)而惡化。此類數(shù)據(jù)處理的業(yè)務(wù)邏輯通常繁雜且高度重復(fù)，將玩家數(shù)據(jù)處理邏輯打包至函數(shù)計(jì)算自定義鏡像內(nèi)便可以彈性滿足短時(shí)間大量相似的玩家結(jié)算請(qǐng)求。

未來(lái)規(guī)劃

優(yōu)化函數(shù)計(jì)算自定義鏡像的初衷就是要讓用戶感受不到容器鏡像傳輸帶來(lái)的額外延遲，給云原生開(kāi)發(fā)者最極致的體驗(yàn)。優(yōu)化不會(huì)停止，我們最終的目標(biāo)是幾乎消除容器鏡像拉取的額外開(kāi)銷和大量擴(kuò)容時(shí)鏡像倉(cāng)庫(kù)成為瓶頸，極速伸縮。進(jìn)一步完善 Serverless Caching 的同時(shí) Custom Container 功能未來(lái)會(huì)幫助 Kubernetes 上的 Web 應(yīng)用, Job 類工作負(fù)載無(wú)縫運(yùn)行在函數(shù)計(jì)算。Kubernetes 負(fù)責(zé)處理常駐、流量穩(wěn)定的工作負(fù)載，Serverless 服務(wù)分擔(dān)波動(dòng)明顯的計(jì)算將逐漸成為云原生的最佳實(shí)踐。

1）函數(shù)計(jì)算公開(kāi)用例

https://github.com/awesome-fc

2）社區(qū)官網(wǎng)

http://www.serverless-devs.com/

3）項(xiàng)目倉(cāng)庫(kù)

https://github.com/Serverless-Devs/Serverless-Devs

4）Serverless Desktop 桌面客戶端

https://serverlessdevs.resume.net.cn/zh-cn/desktop/index.html

5）Serverless 應(yīng)用開(kāi)發(fā)者套件

http://serverless-dk.oss.devsapp.net/docs/tutorial-dk/intro/react

6）Serverless Devs CLI

https://serverlessdevs.resume.net.cn/zh-cn/cli/index.html

7）Serverless Hub 應(yīng)用中心

https://serverlesshub.resume.net.cn/#/hubs/special-view

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的函数计算 GB 镜像秒级启动：下一代软硬件架构协同优化的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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