OpenWhisk 架構與元件深度解析

OpenWhisk 作為一個 Serverless 平台，其架構設計複雜且精妙。理解其核心元件與運作流程對於開發和佈署至關重要。本文不僅剖析了 OpenWhisk 的使用者端組態資訊，也探討了 API 閘道器、控制器、CouchDB、Kafka、呼叫器和 Docker 容器等關鍵元件的功能和相互關係，並以圖表形式清晰地展示了 OpenWhisk 的整體架構。此外，文章也詳細說明瞭如何使用 Docker Skeleton 範本構建自定義的函式執行環境，包含 C 程式範例和 Dockerfile 的解析，以及如何使用 Go 語言編寫函式並利用多階段建置最佳化 Docker 映像的構建過程。

OpenWhisk 技術架構與元件解析

OpenWhisk 是一個強大的無伺服器運算（Serverless）平台，作為 IBM Cloud Functions 的核心基礎，其設計旨在提供一個堅如磐石的 FaaS（Function as a Service）環境。本篇文章將探討 OpenWhisk 的架構組成、關鍵元件及其運作原理。

使用者端組態資訊解析

首先，讓我們分析 OpenWhisk 使用者端的組態資訊：

Client key: 23bc46b1-71f6-4ed5-8c54-816aa4f8c502:123zO3xZCLrMN6v2BKK1dXYFpXlPkccOFqm12CdAsMgRU4VrNZ9lyGVCGuMDGIwP
whisk API host: localhost:443
whisk API version: v1
whisk namespace: guest
whisk CLI version: 2017-12-05T00:51:32+00:00
whisk API build: "09/01/2016"
whisk API build number: "latest"

內容解密：

Client key 是用於身份驗證的 API 金鑰，由兩部分組成：23bc46b1-71f6-4ed5-8c54-816aa4f8c502 和 123zO3xZCLrMN6v2BKK1dXYFpXlPkccOFqm12CdAsMgRU4VrNZ9lyGVCGuMDGIwP。任何 OpenWhisk 客戶端都需要此金鑰來進行連線。
whisk API host 指定了 API 閘道器的位置，位於 localhost:443，表示所有請求都會透過此閘道器轉發到後端的控制器。
whisk API version 表示當前使用的 API 版本為 v1。
whisk namespace 目前設定為 guest，代表使用者所處的名稱空間。
各版本的 CLI 和 API 組建資訊提供了系統的版本控制和相容性參考。

OpenWhisk 元件與架構

OpenWhisk 的設計以 Kafka 為核心，確保每個函式請求都能可靠地傳遞到呼叫層。下面我們將詳細介紹其整體架構和各個元件的功能。

架構概述

下圖展示了 OpenWhisk 的整體架構：

  graph LR
    A[使用者端] -->|HTTPS| B[API 閘道器]
    B -->|HTTP| C[控制器]
    C -->|訊息佇列| D[Kafka 叢集]
    D -->|呼叫請求| E[呼叫器]
    E -->|執行函式| F[Docker 容器]
    C -->|儲存資料| G[CouchDB 資料函式庫]

圖表翻譯： 此圖展示了 OpenWhisk 的整體架構，包括使用者端請求如何透過 API 閘道器進入系統，並由控制器協調後將呼叫請求傳遞給 Kafka 叢集，最終由呼叫器執行函式。

元件詳解

API 閘道器

API 閘道器是 OpenWhisk 的邊緣元件，根據 NGINX 和 OpenResty 技術構建。它提供了高效能的請求處理能力，並可選用 Redis 進行快取。API 閘道器主要負責：

處理 HTTPS 請求並轉發到後端控制器
可選用 Redis 快取提升效能
提供安全連線（HTTPS）給使用者端

目前使用的 API 閘道器版本是 adobeapiplatform/apigateway:1.1.0，這是由 Adobe 和 IBM 共同開發的版本。

控制器

控制器是 OpenWhisk 的核心元件之一，主要負責管理函式呼叫的流程。它能夠直接提供 HTTP 服務，但通常由 API 閘道器處理 HTTPS 請求。控制器使用 CouchDB 儲存所有相關組態和函式呼叫資料。

資料函式庫（CouchDB）

OpenWhisk 使用 CouchDB 作為其資料儲存方案。CouchDB 是一個高用性的檔案導向資料函式庫，用於儲存函式呼叫的相關資訊，如啟動記錄等。目前使用的 CouchDB 版本是 couchdb:1.6。

Kafka

Kafka 在 OpenWhisk 中扮演著至關重要的角色。它作為訊息代理，負責接收並可靠地傳遞函式呼叫請求到呼叫器。Kafka 以叢集模式執行，由 ZooKeeper 進行協調。本例中使用的是 wurstmeister/kafka:0.11.0.1 映像。

呼叫器

呼叫器負責從 Kafka 主題中接收呼叫請求，並使用後端執行環境（如 Docker 容器）來執行函式。OpenWhisk 支援原生執行環境和 Docker 執行環境，其中 Docker 執行環境被稱為 blackbox。呼叫器需要存取主機的 Docker Socket，以啟動和管理容器。

動作執行環境

OpenWhisk 提供了多種執行環境，包括 Java、Node.js 和 Python 等原生支援，以及根據 Docker 的 blackbox 執行環境。執行環境負責啟動 Docker 容器來處理函式呼叫請求，並可保持容器執行以提升後續呼叫的效能。

使用 Docker 範本準備函式

本文將討論如何使用 OpenWhisk 提供的 Docker Skeleton 範本來準備函式。

Docker Skeleton 範本的使用

OpenWhisk 提供了一個名為 Docker Skeleton 的範本，用於幫助開發者建立自定義的函式執行環境。開發者可以根據此範本建立自己的 Docker 映像，並註冊到 OpenWhisk 中使用。

# 使用官方 Python 映像作為基礎映像
FROM python:3.9-slim

# 設定工作目錄
WORKDIR /app

# 複製 requirements.txt
COPY requirements.txt .

# 安裝相依套件
RUN pip install --no-cache-dir -r requirements.txt

# 複製應用程式碼
COPY . .

# 設定環境變數
ENV PYTHONUNBUFFERED=1

# 暴露函式執行的埠號
EXPOSE 8080

# 定義容器啟動命令
CMD ["python", "main.py"]

程式碼解密：

使用官方的 Python 3.9 精簡映像作為基礎，確保映像大小適中且包含必要的 Python 環境。
設定 /app 為工作目錄，並複製 requirements.txt 到容器中。
安裝 requirements.txt 中指定的 Python 相依套件。
複製應用程式碼到容器中。
設定 PYTHONUNBUFFERED=1 環境變數，以確保 Python 輸出不被緩衝。
暴露埠號 8080，供外部存取函式服務。
定義容器啟動時執行的命令為 python main.py。

隨著無伺服器運算技術的不斷發展，OpenWhisk 將繼續演進以滿足日益增長的效能和可靠性需求。未來可能會出現更多針對特定場景的最佳化方案，例如：

更高效的冷啟動機制
更強大的自動擴充套件能力
更豐富的執行環境支援

這些改進將進一步鞏固 OpenWhisk 在無伺服器運算領域的地位，使其成為更多企業和開發者的首選平台。

OpenWhisk Docker SDK 使用

安裝 Docker 骨架

要安裝 Docker 骨架，通常我們會執行以下命令：

$ wsk -i sdk install docker

如果本地 OpenWhisk 上沒有該檔案，可以直接從 GitHub 下載：

$ curl -sSL -O https://github.com/apache/incubator-openwhisk-runtime-docker/releases/download/sdk%400.1.0/blackbox-0.1.0.tar.gz

接下來，下載 SDK、解壓縮並進入目錄檢查其內容：

$ tar xf blackbox-0.1.0.tar.gz
$ mv dockerSkeleton docker_c
$ cd docker_c
$ ls
buildAndPush.sh Dockerfile example.c README.md

該骨架包含 Dockerfile、簡單的 C 程式、buildAndPush.sh 指令碼以及 README.md 檔案。

C 程式解析

首先檢視 C 程式內容，瞭解其用途。Docker 骨架 SDK 附帶的 C 程式只包含一個 main 函式和幾條 printf 陳述式：

#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("This is a log message from an arbitrary C program!\n");
    printf("{ \"msg\": \"Hello from C program!\", \"args\": %s }", (argc == 1) ? "undefined" : argv[1]);
}

最後一條 printf 陳述式揭示了 OpenWhisk action 的工作原理：透過列印 JSON 資料到 STDOUT 來傳回資料。action 接受 JSON 形式的引數，透過 main 函式的 argv 傳遞。action 負責解碼引數並編碼輸出結果。

Dockerfile 解析

Dockerfile 首先宣告 openwhisk/dockerskeleton 為基礎映像，接著定義環境變數 FLASK_PROXY_PORT 為 8080。這裡使用了 Flask，一個 Python 網路框架，作為每個 Docker 函式的包裝器。

接下來的兩行將 C 程式新增到建置容器中，安裝 GCC 編譯器並編譯程式。輸出二進位檔案命名為 exec，必須放在 /action/exec。這是 OpenWhisk actionproxy 所需的可執行檔位置。

# Dockerfile for example whisk docker action
FROM openwhisk/dockerskeleton
ENV FLASK_PROXY_PORT 8080

### Add source file(s)
ADD example.c /action/example.c
RUN apk add --no-cache --virtual .build-deps \
    bzip2-dev \
    gcc \
    libc-dev \
    ### Compile source file(s)
    && cd /action; gcc -o exec example.c \
    && apk del .build-deps
CMD ["/bin/bash", "-c", "cd actionProxy && python -u actionproxy.py"]

建置 Docker 映像

我們將使用 docker build 命令自行建置映像。請記得使用自己的 <DOCKER ID> 作為儲存函式庫名稱，以便將建置的映像推播到 Docker Hub：

$ docker build -t chanwit/whisk_c .

如果一切正確，請使用 docker push 命令將映像儲存到 Hub。

準備 Go 函式

接下來，我們將使用 Go 程式語言撰寫一個函式，展示如何使用 Go 內建函式庫解碼 JSON 引數。當然，我們將修改 OpenWhisk 的 Docker 骨架，新增 Go 編譯器並使用多階段建置來最佳化建置過程。

首先，重新解壓縮 Docker 骨架，並將目錄重新命名為 docker_go：

$ tar xf blackbox-0.1.0.tar.gz
$ mv dockerSkeleton docker_go
$ cd docker_go

在 docker_go 目錄中，我們將撰寫一個 Go 程式來解碼 action 的 JSON 引數，重新排列它們，將它們編碼回 JSON，並將它們寫回呼叫者：

package main

import (
    "encoding/json"
    "fmt"
    "os"
)

func main() {
    rawParams := []byte(os.Args[1])
    params := map[string]string{}
    // decode JSON to a Go map
    err := json.Unmarshal(rawParams, &params)
    if err != nil {
        fmt.Printf(`{"error":%q}`, err.Error())
        os.Exit(0)
    }
    // re-arrange
    keys := []string{}
    values := []string{}
    for k, v := range params {
        keys = append(keys, k)
        values = append(values, v)
    }
    result := map[string]interface{}{
        "message": "Hello from Go",
        "keys":    keys,
        "values":  values,
    }
    // encode
    rawResult, err := json.Marshal(result)
    if err != nil {
        fmt.Printf(`{"error":%q}`, err.Error())
        os.Exit(0)
    }
    // write JSON back to the caller
    fmt.Print(string(rawResult))
}

我們將此程式儲存為 main.go，然後繼續下一步，撰寫 Dockerfile 以進行多階段建置，編譯 Go 程式並將其封裝為 OpenWhisk action。

以下是新的 Dockerfile 版本。第一個建置階段使用 Go 1.9.2 編譯 Go 程式。請注意，我們將其編譯為靜態連結的二進位檔案，以便在 OpenWhisk 基礎映像中獨立執行。在第二個建置階段，我們將第一階段的二進位檔案 /go/src/app/main 複製為 /action/exec，這是 OpenWhisk actionproxy 需要執行的二進位檔案位置。

# Compile the Go program
FROM golang:1.9.2-alpine3.6
WORKDIR /go/src/app
COPY main.go .

#### 內容解密：
此段Dockerfile使用多階段建置，首先在golang:1.9.2-alpine3.6映像中編譯Go程式。
- `WORKDIR /go/src/app` 設定工作目錄。
- `COPY main.go .` 將main.go檔案複製到容器中。

隨著無伺服器運算的興起，OpenWhisk 等平台正變得越來越重要。未來，我們可以預期看到更多針對 OpenWhisk 的工具和框架出現，以簡化開發流程並提高效能。同時，如何更好地整合現有的開發工具和流程，將是另一個重要的發展方向。

圖表說明

  graph LR;
    A[開始] --> B{檢查Docker環境};
    B -->|是| C[下載OpenWhisk Docker SDK];
    B -->|否| D[安裝Docker];
    C --> E[解壓縮SDK];
    E --> F[修改Dockerfile];
    F --> G[建置Docker映像];
    G --> H[推播映像到Docker Hub];

圖表翻譯： 此圖表呈現了使用OpenWhisk Docker SDK建立自訂Docker映像的流程。首先檢查Docker環境是否存在，若不存在則安裝Docker。接著下載OpenWhisk Docker SDK並解壓縮。然後根據需求修改Dockerfile，接著建置Docker映像，最後將映像推播到Docker Hub。整個流程清晰地展示了從準備環境到最終佈署的步驟。

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。