理解FaaS & OpenFaaS部署

潘忠显 / 2021-03-26

最近在了解和学习使用FaaS，其中的一些理解和实践过程，在这里做简单的笔记。理解不对的，请不吝指正。

一、FaaS是什么？

FaaS (Function-as-a-Service，函数即服务)
一种云计算服务
FaaS是Serverless（无服务器计算）的子集
F/Function 是一小段具有完整功能的代码
事件驱动，运行代码以响应事件
使用者专注于开发功能函数，无需关注部署，FaaS框架会管理内存、CPU、网络和其他资源均衡的计算机群
每个函数有单独的版本

1. 与Serverless的关系

Serverless 和 FaaS 通常相互混淆，实际上FaaS是Serverless的子集。CNCF的白皮书中提到：

Serverless计算平台能够提供FaaS或/和BaaS。

Serverless专注于任何服务类别，包括计算、存储、数据库、消息传递、API网关等，对用户屏蔽了服务器的配置、管理和计费。

而FaaS是Serverless架构中的核心技术，但它专注于事件驱动的计算范例，仅当需要响应事件或请求时，应用程序代码或容器才会运行。

2. 与微服务的对比

接口形式类似微服务类似。微服务将服务拆解成更小的服务（函数集合），然后打到镜像，运行在容器上。这些容器的维护和扩缩容，仍然需要服务提供者自己去关心。

FaaS是微服务更进一步，会将服务拆成单个的函数，每个函数部署在FaaS平台，平台会规范函数、扩缩容、打补丁、维护环境。

Monolithic vs Microservices vs Functions

3. 与PaaS的区别

FaaS变更时间更短，在毫秒几倍。

对于FaaS来讲，不需要进行任何的容量规划。而PaaS提供了扩容能力但是相对缓慢，并且容量评估复杂。

用户部署的FaaS无法维护长连接，因为函数用完就会被销毁，但可以将连接维护在外部服务中以保持长连接。同样的，对于服务的状态，也只能存储在外部资源中来提供有状态的服务。

FaaS可以不需要空闲流量，只在请求时才使用资源（一些云厂商支持预留一部分资源在空闲时使用）。而PaaS一般需要一定的资源来保持空闲容量。

FaaS计费粒度更细，通常以计算时间、调用次数、使用的流量等计费，代码未运行时不产生费用，而PaaS通常以资源和时间粒度计费。以腾讯云的SCF为例：

资源使用费用：0.00011108元/GBs

调用次数费用：0.0133元/万次

外网出流量费用：各地域均有不同定价，中国大陆 0.80 元/GB

预置并发闲置费用：0.00005471元/GBs

什么是 PaaS?

4. FaaS平台架构

FaaS的简单架构包括以下四种元素：

事件源：触发函数实例执行的事件或者流
函数实例：单个函数实例，可以通过指令扩缩容
FaaS控制器：部署、控制、监控函数实例
平台服务：必要的集群或者云服务

这四种元素的关系如下：

更具体的可以参考后文中OpenFaaS的架构图。

另外一种角度看，函数开发完成后，会经历构建、部署、扩缩容等不同生命阶段：

二、FaaS供应商

目前主流的云厂商，都有提供FaaS服务，并且会集成各种同步和异步的事件源，负责函数的扩缩容和部署，按照调用计费。

厂商	FaaS称呼	文档入口
Google	Cloud Functions	链接
AWS	Lambda	链接
腾讯云	SCF / Serverless Cloud Function / 云函数	链接
阿里云	Function Compute / 函数计算	链接

1. 腾讯云 SCF

本节动图演示使用腾讯云的云函数（文档地址），通过其提供的Web IDE编辑Python函数，快速的创建一个云函数。

如果以下.gif文件不能正常显示，请使用电脑浏览器打开

serverless

几点说明：

腾讯云的云函数目前每个月有提供免费的额度（访问次数+运行资源+出流量）
如果通过HTTP请求访问函数，需要配置API网关触发
网关触发区分是否启用集成响应。若启用，需要按照指定格式返回JSON结构，不然会报错。如果不启用，则会直接将变量dump出来。

2. 腾讯云 Serverless

本节动图演示使用腾讯云的Serverless服务（文档地址），在几分钟内，将一个静态网站部署上去并能正常访问。

目前腾讯云的Serverless服务是免费的，对于想搭建自己网站的用户而言，无需购买云服务器，只需要花几块钱购置域名，配置其指向Serverless服务即可拥有自己的网站了。

如果以下.gif文件不能正常显示，请使用电脑浏览器打开

serverless

几点说明：

静态页面配置实际是将产生的页面存放在腾讯云的对象存储服务(COS)
Serverless服务创建的桶命名为my-bucket-XXX，如果创建多个静态网站可能会有问题，建议删除桶+注销Serverless服务清理后，重试
如果需要使用单独的域名，可以根据Serverless页面的提示，将API网关域名地址配置到独立域名的CNAME中。CNAME记录用于将一个域名（同名）映射到另一个域名（真实名称），域名解析服务器遇到CNAME记录会以映射到的目标重新开始查询
用到了serverless framework(sls指令)进行部署，操作简单
需要注意sls有npm依赖，也可以直接安装二进制文件

3. 常见事件源

请求 API 网关的事件
定时触发
消息队列触发
COS Bucket 中的对象创建和对象删除事件

4. 应用场景汇总

各大厂商均在云函数的介绍页面，挂了一些应用场景的描述。下边以Google Cloud Functions和AWS Lambda的几个示图做简单的介绍。

Git push 触发slack消息推送

Integration with third party services workflow diagram

新用户注册触发短信发送

Serverless mobile back ends workflow diagram

实时文件处理，数据库/流触发。函数功能包括审核、压缩、识别等。

Real-time file processing workflow diagram

Real time stream processing diagram

物联网传感器信息采集

AWS Lambda IoT 后端

无状态请求，比如天气状况，拉取数据库内容

AWS Lambda Web 后端

用户触发状态变更推送

AWS Lambda 移动后端

这些应用场景具有一些特点，也可以说是哪些场景适合使用FaaS：

并发相对较低
功能独立，函数间交互较少
多为无状态的
部分请求计算量大的

三、FaaS平台的架构

1. 当前FaaS框架

这里列举了当前较为流行的FaaS框架，以及他们的主页链接、Github地址和Star数。Openfaas是目前Star最多的，而且也更新也是几个项目中较频繁的，像Fn项目很久没有更新，这里就没有列出来。

框架	链接	Star
OpenFaaS	主页 Github	19.5k
OpenWhisk	主页 Github	5.2k
Fission	主页 Github	6k
Kubeless	主页 Github	6.4k
Knative	主页 Github	3.6k

2. 部署工具 – Serverless Framework

不是Serverless框架，而是一个部署Serverless应用的工具。

说明文档：https://github.com/serverless/serverless/blob/HEAD/README_CN.md

支持腾讯云SCF、AWS Lambda等部署。

3. OpenFaaS

OpenFaaS 主要是在K8s之上做了一些抽象的封装，每个函数或者服务会构建成镜像，以供编排。使用PLONK栈，分别是：

Prometheus
Linux/Linkerd*
OpenFaaS
NATS
Kubernetes

Stack

OpenFaaS默认会创建两个命名空间，openfaas和openfaas-fn。前者是用于维护OpenFaaS自身组件，后者用于维护创建的函数部署。“faas-netes"子项目，用于部署OpenFaaS到K8s集群。

接下来一节会介绍在MacOS上部署OpenFaaS以及创建、部署函数的过程。

四、OpenFaaS部署实践 [MacOS]

环境：Macbook (macOS 10.15.7)

部署时间：2021-03-21

部署完成后各个组件的版本情况：

minikube version: v1.18.1
Docker version: 18.09.2
kubectl client version: v1.20.5
faas-cli: version: 0.13.9

1. 安装Docker

因为机器上之前就有安装docker，这次没有重新安装。如果有更新需求，可以参考这里的官方文档。

2. 安装K8s相关组件

安装 minikube

brew install minikube

启动 minikube

➜  ~ minikube start
😄  Darwin 10.15.7 上的 minikube v1.18.1
✨  根据现有的配置文件使用 docker 驱动程序
👍  Starting control plane node minikube in cluster minikube
🏃  Updating the running docker "minikube" container ...
🐳  正在 Docker 20.10.3 中准备 Kubernetes v1.20.2…
🔎  Verifying Kubernetes components...
    ▪ Using image kubernetesui/dashboard:v2.1.0
    ▪ Using image gcr.io/k8s-minikube/storage-provisioner:v4
    ▪ Using image kubernetesui/metrics-scraper:v1.0.4
🌟  Enabled addons: storage-provisioner, default-storageclass, dashboard
🏄  Done! kubectl is now configured to use "minikube" cluster and "default" namespace by default

安装kubectl

curl -LO "https://dl.k8s.io/release/$(curl -L -s https://dl.k8s.io/release/stable.txt)/bin/darwin/amd64/kubectl"
chmod +x ./kubectl
sudo mv ./kubectl /usr/local/bin/kubectl

查看kubectl版本信息

kubectl version

3. 通过 faas-nets 部署 OpenFaaS

git clone https://github.com/openfaas/faas-netes
cd faas-netes
kubectl apply -f namespaces.yml
kubectl apply -f ./yaml/

设置base-auth用户名(admin) 和密码，这个密码后边有用。如果为了简单测试，也可以将其设置为简单易记的短字符串。

export PASSWORD=$(head -c 12 /dev/urandom | shasum| cut -d' ' -f1)
echo $PASSWORD
kubectl -n openfaas create secret generic basic-auth --from-literal=basic-auth-user=admin --from-literal=basic-auth-password=$PASSWORD

4. 拉起并展示minikube的控制面板

启动minikube控制面板、获得访问地址。注意，启动之后不能 Ctrl + C 结束掉，不然HTTP服务就关掉了。

➜  ~ minikube dashboard --url
🤔  正在验证 dashboard 运行情况 ...
🚀  Launching proxy ...
🤔  正在验证 proxy 运行状况 ...
http://127.0.0.1:51502/api/v1/namespaces/kubernetes-dashboard/services/http:kubernetes-dashboard:/proxy/

点击最后的地址即可访问，minikube面板如下（选择了命名空间 openfaas）：

5. 拉起并展示OpenFaaS的控制面板

查询OpenFaaS控制面板地址，这里涉及到minikube获得服务访问地址的方法：

➜  ~ minikube service gateway-external --url -n openfaas
🏃  Starting tunnel for service gateway-external.
|-----------|------------------|-------------|------------------------|
| NAMESPACE |       NAME       | TARGET PORT |          URL           |
|-----------|------------------|-------------|------------------------|
| openfaas  | gateway-external |             | http://127.0.0.1:53156 |
|-----------|------------------|-------------|------------------------|
http://127.0.0.1:53156
❗  Because you are using a Docker driver on darwin, the terminal needs to be open to run it.

点开最后的地址即可访问，用户名和密码就是在 3. 通过 faas-nets 部署 OpenFaaS 小节中设置的admin和$PASSWORD。OpenFaaS面板如下：

页面提示中可以看到，当前没有任何的函数部署。如果要部署新的函数，有两种方式：一种是通过页面进行操作，就是点击页面上的"Deploy New Function"按钮，一种是通过faas-cli进行部署。

6. 通过页面部署函数

点击按钮，进入选择常用函数页面，也可以选择自定义的函数部署，不过要事先创建好镜像。这里选择常用函数shasum来部署（点选shasum- 点击右下角DEPLOY即可）：

调用测试

部署完成之后，在页面左侧会出现一个"shasum"的函数，点击进入函数信息页面。其中包括对应的镜像地址、函数状态、函数URL、函数的进程

7. 通过faas-cli部署函数

7.1 安装faas-cli

brew install faas-cli

Linux上可以通过下边的方式安装：

curl -sSL https://cli.openfaas.com | sh

7.2 查询OpenFaaS提供的模板

faas-cli template store list

7.3 创建函数

根据文档指引，创建一个Python3的简单函数：

mkdir fn && cd fn
faas-cli new pycon --lang python3

得到的主要文件

pycon.yml
pycon/handler.py
pycon/requirements.txt

7.4 构建函数镜像

有很多构建选项，可以参考文档。这里简单的进行构建：

faas-cli build -f pycon.yml

7.5 登入

在之前的3. 通过 faas-nets 部署 OpenFaaS小节中有提到过的密码，同时需要指定网关地址，即#拉起并展示OpenFaaS的控制面板小节中提到的链接。

faas-cli login --password 9013a977f4ded57a72f395f03dff3218df254583 --gateway http://127.0.0.1:53156

其实如果不想记住这个忘关地址，可以每次去动态获取也可以：

faas-cli login --password 9013a977f4ded57a72f395f03dff3218df254583 --gateway $(minikube service gateway-external --url)

7.6 推送镜像（使用Minikube才有的问题）

在OpenFaaS ISSUE #135 中有提到minikube情况有点特殊，不能直接使用docker中存在的镜像。一定需要取从DockerHub或本地的Registry才行。

minikube is a special case - you will probably have to push to a registry for that - either the Docker Hub or a local registry - see also the Minkube registry add-ons.

不然到话，部署到时候会有如下的错误，提示拉取不到镜像：

Failed to pull image “pycon:latest”: rpc error: code = Unknown desc = Error response from daemon: pull access denied for pycon, repository does not exist or may require ‘docker login’: denied: requested access to the resource is denied

不使用Docker Hub的本地推送方法看上去有些麻烦，所以我直接登录并推送镜像到Docker Hub了。

直接docker push不行：

docker image push pycon:latest

The push refers to repository [docker.io/library/pycon]

…

denied: requested access to the resource is denied

原因是第一行显示的那样，他会认为要将那个镜像直接推送到docker.io/library/pycon而不是你的个人目录。可以通过打一个tag（简单的认为是对那个镜像加了个软链一样）来指向自己的仓库，然后再进行推送：

docker login
docker tag pycon panzhongxian/pycon
docker image push panzhongxian/pycon:latest

最后将pycon.yml文件做一下修改：

image: pycon:latest
# 修改为⬇️
image: panzhongxian/pycon:latest

7.7 部署函数

同样需要指定网关：

faas-cli deploy -f pycon.yml --gateway http://127.0.0.1:53156

成功后会列出函数的访问地址：

Deploying: pycon.

Deployed. 202 Accepted.
URL: http://127.0.0.1:53156/function/pycon

查看是否成功部署了pod

kubectl get pods -n openfaas-fn

返回我们通过页面部署的一个pod和另外一个通过faas-cli部署的pod

NAME READY STATUS RESTARTS AGE pycon-76f6d9876b-t8zs9 1/1 Running 1 3m shasum-67dddcdb6-6jm9t 1/1 Running 1 175m

7.8 测试函数

curl http://127.0.0.1:53156/function/pycon -X POST --data "test"

7.9 修改函数

修改"pycon/handler.py"文件，最初的文件内容为：

def handle(req):
    """handle a request to the function
    Args:
        req (str): request body
    """

    return req

req是HTTP POST的内容。可以对其进行计算之后，然后再返回结果。再根据上述过程的部署即可。

8. 清理OpenFaaS部署

当我们测试完之后，需要清理对应的进程、资源。具体步骤如下：

清理账号密码

kubectl delete secret basic-auth -n openfaas

进入目录faas-netes，清理资源文件

kubectl delete -f ./yaml

清理函数命名空间 openfaas-fn

kubectl delete namespace openfaas-fn

清理框架命名空间 openfaas

kubectl delete namespace openfaas

五、附录

K8s的一些常用操作

之前没有利用K8s进行容器编排的经验，这里记录一下在部署过程中的一些技巧。

JSONPath 支持

Kubectl 使用 JSONPath 表达式来过滤 JSON 对象中的特定字段并格式化输出。本节列出一些查询的常用操作，其他详细参数可以参考下边链接：

https://kubernetes.io/zh/docs/reference/kubectl/jsonpath/

显示所有pod中的容器名、镜像名

kubectl get pods --all-namespaces -o=jsonpath='{range .items[*]}{"\n"}{.metadata.name}{":\t"}{range .spec.containers[*]}{.name}{", "}{.image}{", "}{end}{end}'

登录运行中的容器和镜像调试

参考使用容器 exec 进行调试，主要的用法是：

kubectl exec ${POD_NAME} -c ${CONTAINER_NAME} -- ${CMD} ${ARG1} ${ARG2} ... ${ARGN}

也就是上述命令让运行的容器运行指定的指令：

kubectl exec -n openfaas-fn shasum-67dddcdb6-6jm9t -c shasum -- netstat -alnp

如果要通过终端进入到容器的shell，需要加上-t -i或者长指令--stdin --tty：

# 以下任意一种方式都可以。
kubectl exec --stdin --tty -n openfaas-fn shasum-67dddcdb6-6jm9t -c shasum -- /bin/sh
kubectl exec -it -n openfaas-fn shasum-67dddcdb6-6jm9t -c shasum -- /bin/sh

TODO

压测触发OpenFaaS的自动扩容
OpenFaaS框架细节