背景
随着用户在 UCloud 上资源用量的指数增长，传统 API/SDK 手动编写脚本的资源管理方式已经无法满足其需要。为此，UCloud 研发团队基于 Terraform 编写了一套自己的资源编排工具，帮助用户降低云上资源的管理成本，为其提供安全可靠、高度一致的产品使用体验，尽可能消除迁移上云时的风险。
Terraform 代表了业界前沿的技术和标准，我们基于此，并配合 UCloud CLI 等工具，编写了新一代 UCloud 资源编排工具，进一步拓展 Terraform 的功能，实现基础设施可编程。在一个通过 ULB 卸载流量至云主机的案例中，相比于传统方式，新方案下的构建时间从原先的 3 分 20 秒缩短至 43 秒，编排的效率、稳定性和可描述性都得到了显著提升。
Terraform是什么?
Terraform 是 Hashicorp 公司开源的一种多云资源编排工具，目前已经形成完整生态，并与AWS、Microsoft Azure、Google、阿里云以及UCloud等多家主流云厂商建立合作。
使用者通过一种特定的配置语言(HCL, Hashicorp Configuration Language)来描述基础设施，由 Terraform 工具统一解析，构建资源之间的关系，生成执行计划，并通过调用 UCloud 公有云 API 来完成整个基础设施生命周期的管理。
相对于其它的云上资源管理方式，Terraform 的主要特点有：
1. 有广泛的兼容性，目前海内外累计已有超过 40 家公有云厂商支持，其中包括 UCloud 在内的 4 家国内云厂商，另有 200 多个软件服务商为其提供支持。
2. 基于 IaC(基础设施即代码，Infrastructure as Code)的设计，可以将基础设施以一种领域特定语言描述出来，消除了在基础设施自动化时描述语义上的歧义，同时减轻人为因素造成的不确定影响。
3. Terraform 在执行编排动作前，会生成一份可读性良好的执行计划，关键基础设施的变更可以得到充分审查，保证了基础设施的可靠性。
4. 基于 DAG(有向无环图，Directed Acyclic Graph)描述资源与资源之间的关系，由于 DAG 良好的拓扑性质，当资源属性与资源关系发生改变时，变更动作将被充分并行地执行。
下图是一张资源编排与传统资源管理方式的对比表：
图1：资源编排与传统资源管理方式对比
可以看出，在自动化 DevOps 环境下，资源编排相对传统资源管理方式具有明显优势，目前已覆盖了 IaaS 层的核心产品，但随着时间的推移，将来 UCloud 资源编排会支持更多的产品。
应用场景
用户可以很容易的从Terraform受益，因为初始化云服务时若缺少资源编排工具，将投入大量的时间成本，而且对于云上资源的变更，往往需要很复杂的变更逻辑以保证基础设施的安全性。
UCloud 资源编排工具能够很好地解决如下常见的问题：
– CI/CD 自动化资源管理
– 高峰期应用缩扩容
– 部署复杂资源拓扑(例如两地三中心的应用架构)
例如，驿氪作为一家SaaS解决方案提供商，已经将UCloud Terraform编排系统接入自身业务。
下图是驿氪业务架构的示意图。它同时使用了多家云服务，需要统一的资源管理平台进行多云管理，而独立研发一套资源管理平台，需要对接各云厂商接口，同时还要研发人员深入了解各家云服务的产品细节，这无疑会加重企业的研发成本和运营成本。
图2: 驿氪业务架构的示意图
而在应对SaaS 业务时，Terraform可以灵活的动态调整资源，用户只需要调整部分参数，就可以利用模板进行非常快速的资源管理，相较于自建管理平台，UCloud Terraform可以极大节省用户的运营成本和效率。
生命周期
以首次执行 Terraform 创建 UCloud 云上资源为例，这一资源编排动作的生命周期如下图所示：
图3：Terraform 生命周期
图中立方体所示分别为：
–Terraform 核心进程：负责资源定义文件，构建有向无环图，管理状态存储;
–Provider 进程：即提供资源编排能力的进程，包括由云厂商实现的能力(比如 UCloud 的资源编排实现)，和应用程序提供的能力(比如 TLS 自签名证书)等;
–Provisioner 进程：即提供资源编排后处理操作的进程，比如执行 Shell 命令，上传文件等。
以中央的有向无环图为分界线，左侧的部分是 Terraform 本身提供的能力，右侧是由云厂商提供的能力。
Terraform 核心的良好抽象，保证了资源编排的安全和稳定，为 UCloud 资源编排提供了坚实的工程基础。
UCloud资源编排实践
在一个生产环境的资源编排系统中，往往要依赖数目庞大的云资源后台管理服务。资源编排的工程实现中，以下几个方面的根本诉求需要首先得到保障：
– 保障资源编排在复杂终端环境下的成功率。这个是最基本也是最核心的诉求。
– 保障产品的一致性。使用户可以平滑迁移，变更无感知。
– 保障产品的工程质量。资源编排作为关键基础设施的接入方式，本身需要足够稳定可靠。
下文，我们将详细分享 UCloud 在基于 Terraform 的资源编排工具研发中，在容错能力、接入能力和工程能力优化上的一些实践。
容错能力优化
容错能力是衡量系统可用性的一个重要维度，资源编排作为 UCloud 服务的入口，本身必须足够稳定，具有对故障可以做出合理应对的能力，包括对上游服务异常的容错能力，以及对于输入异常的纠错能力。
首先，Terraform 的杀手级特性是执行计划与过程分离，用户在执行真正的资源编排动作变更现网基础设施之前，可以先生成执行计划，比较资源定义文件和当前资源状态的差异，检查关键基础设施的变更。
UCloud 在实现资源编排的过程中，借助 Terraform 执行计划的 CustomDiff 特性，自定义了部分资源的 Diff 过程。比如，两个地域之间仅能存在一条高速通道(UDPN)，如果执行编排动作前已经存在了一条高速通道(UDPN)，将会把所有的编排动作阻止在执行计划阶段，提高终端用户的使用效率。
图4：自定义 Diff 以在执行计划中检查输入
对于错误的处理，UCloud 编排工具通过梳理整个编排工作流的生命周期，将错误信息严格压缩在(动词、附加动作、资源名、ID)这个形式化的四元组中，转化为人类可读的描述信息反馈给使用者，对于输入异常可以在提供一定的交互纠错能力的前提下，精确定位到源码行。
图5：错误信息四元组的自然语言表示样例
其次，UCloud 通过下文介绍的 API 一致性工程，识别出了所有操作的幂等性质(即该操作是否存在副作用，导致真正的资源创建)，并对所有幂等(无副作用的)操作执行自动重试，大幅提升了编排工具的容错能力，同时保证了自动重试机制是真正安全的。对于非幂等操作，得益于 Terraform 的状态管理机制，可以简单地重新执行编排计划，仅重试失败的创建过程。
UCloud 编排工具还提供对于异步操作的同步封装，使用 Terraform 内建的等待机制，创建资源后，将会轮询等待资源完成可以查询方才返回成功，保证操作的原子性和资源状态的一致性。
最后，对于上述的重试或等待机制，使用指数级增长的间隔(Exponential Backoff)，以及优雅退出(Gracefully Shutdown)的方案，进一步提升资源编排的容错能力。
接入能力优化
基于 Terraform 的资源编排有一定固有的局限性，比如其本身更适合基础设施的构建，不适合 adhoc 的临时日常工作，比如列表查询和开关机这样的操作。
如要批量重启主机，使用 Terraform 的做法是使用 data source 查询出对应的数据，定义输出变量，再将输出变量值作为参数传递给外部的脚本。在这样的即席查询场景下，相对于 Ansible 等配置管理工具并没有明显的优势。
因此 UCloud 在资源编排之外，开发了 UCloud CLI 工具来扩展资源编排的能力。例如，使用 CLI 来查询和重启通过 UCloud 编排工具创建的资源：
图6：使用 CLI 来查询和重启通过 UCloud 编排工具创建的资源
UCloud 实现了资源编排与 UCloud CLI 的集成，资源编排工具可以直接使用 CLI的权限配置信息。也可以通过编排工具的特性，调用 UCloud CLI 进行额外的资源管理操作。
图7：Terraform 与 CLI 集成用法示例
打通资源编排与 UCloud CLI 之后，资源编排可以复用 CLI 即席查询的能力，而CLI 可以复用资源编排所持有的资源拓扑信息，例如主机列表，网络 CIDR 信息等，极大拓展了双方的的产品接入能力。
工程能力优化
UCloud 资源编排从立项之初，就将终端用户使用上的一致性和可用性作为核心诉求。要满足这些诉求，在工程上必须攻破几个关键的技术难关：
1. 尽可能使用户实现跨版本、跨云的平滑迁移。
2. 同时对资源编排工具所依赖的基础 API 的实现自动化管理，从源头上提高编排工具的可用性。
3. 资源编排作为关键基础设施的接入方式，本身需要足够的质量保障措施。
· 平滑迁移
首先，对于资源编排工具的升级，UCloud 严格按照 Terraform 的 Schema 变更策略，每当资源的属性有破坏性的变更，都会随之提供版本迁移的实现，使终端用户在升级工具时，自动将其资源状态平滑迁移至新版本。
其次，对于云平台之间的迁移，UCloud 实现了通用的风格转换函数，通过将 UCloud 接口的大写驼峰(Camel)命名，统一映射成 Terraform 常用的小写下划线(Snake)风格，并使用 Terraform 建议的产品命名法，降低用户的跨云迁移成本。终端用户只需要少量改动模板，即可通过资源编排工具平滑接入 UCloud。
· 变更自动化
资源编排作为 UCloud 重要的产品接入方式，对于 UCloud 全线产品都有很强的依赖，接口变更对接时的一点微小错误，都可能导致破坏性的后果。
所以一致性工程的重要目标是，快速响应产品新特性的变更，同时尽可能降低人工成本，使变更自动化，减少错误的发生。
为了使 API 能够得到统一管理，同时防止产品间竖井式的信息隔离，UCloud 很早以前就打造了公共、统一的 API 管理平台，将所有现网 API 的定义收敛至统一的 API 注册中心上，使用自定义的格式来形式化地描述 API Schema。API 管理平台将 API 的场景抽象成测试集(Test Set)，一次 API 的调用抽象成测试用例(Test Case)，并使用自定义的表达式语法构造随机的参数注入到用例中执行。
图8：API 管理平台示意图
基于 API 管理平台，UCloud 资源编排团队编写了 API SDK 的自动化生成程序，通过严格形式化的 API 定义，转译成 Go SDK 代码。同时通过编写一个递归下降的表达式解析器，将测试用例中表达式语法，转译成等价的 Go 代码。实现了 API 定义和 Go 代码的直接映射，低成本同步上游变更。
图9：通过编写 API 建模工具转译 API SDK 代码
此外在这个过程中，UCloud 通过在 API 管理平台与 SDK 之间编写 API 建模工具，用以抽象出一个中间层，在该层统一标注出 API 的幂等性质，为资源编排工具提供了真正安全的重试机制。
这样就完成了整个调用链路上的接口一致性工程建设，实现了从 API 管理平台到 SDK 到 Terraform 的完整语义映射，降低了 SDK 的开发和维护成本，同时消除了人为变更带来的不确定影响。
· 质量工程建设
资源编排作为大规模云上资源管理的推荐方式，涉及到关键基础设施的操作与管理，编排工具本身的质量十分关键。
图10：资源编排持续集成检查表
如表2所示，作为一个开源项目，UCloud 资源编排工具共有三个质量周期，
– 开源协作周期，使用 Travis CI 进行代码风格检查和单元测试，不会发起真正的 API 请求;
– 合并主分支周期，UCloud 使用 Gitlab CI on Kubernetes 进行风格检查、单元测试和集成测试，其中集成测试会调用现网 API 操作真正的云上资源，并在每天凌晨进行 Daily Regression;
– 发布正式 Release 到 Terraform 官方仓库周期，合作方 Hashicorp 使用 TeamCity 进行全量验收测试，当所有测试完成后，发布新版本。
为了保证代码不会随时间腐化，提前清除一些隐患，比如拼写错误、安全密钥泄露、抽象不合理等等，UCloud 接入产品团队选取了三种不同维度的静态检查工具来量化代码质量，其中包括：
– GoReportCard，用来做最基本的风格检查
– SonarCloud，发现代码的 Bug 和安全问题
– Gocyclo，计算函数的圈复杂度(圈复杂度是用来衡量一个函数复杂程度的指标，和控制流的复杂程度相关)
并通过周期性的代码优化，将代码质量的量化指标始终维持在A+ 评级。
图11
写在最后
经过长时间的发展，Terraform 已经成为一个业内通用的资源编排工具，且近年来海内外的友商也陆续开始支持基于 Terraform 的资源编排系统，证明了业内对通用资源编排系统的强需求。
UCloud 深入研究了 Terraform 的内部机理，并基于此为 UCloud 下一代资源编排系统进行了深度的探索，在研发过程中多次优化，打通整个链路上的基础工程建设，最后通过充分的质量工程实践，为资源编排的可靠性与稳定性保驾护航。UCloud Terraform 的具体使用细节和样例请点击阅读原文至 UCloud 资源编排官方文档查阅。
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