Cloud-Native – Definition, Vorteile und Anwendung im MES

Was ist Cloud Native?

Cloud Native beschreibt einen modernen Ansatz zur Entwicklung und Bereitstellung von Softwareanwendungen, der speziell darauf ausgerichtet ist, die Vorteile der Cloud-Computing-Umgebung vollständig zu nutzen.

Es handelt sich nicht um eine einzelne Technologie, sondern um ein Ökosystem aus Konzepten, Technologien und Methoden, die zusammen eine neue Generation von hochskalierbaren, flexiblen und resilienten Anwendungen ermöglichen.

Definition der Cloud Native Computing Foundation (CNCF): "Cloud Native Technologien ermöglichen es Unternehmen, skalierbare Anwendungen in modernen, dynamischen Umgebungen zu erstellen und auszuführen. Dazu gehören öffentliche, private und Hybrid-Clouds. Container, Service-Meshes, Microservices, unveränderliche Infrastruktur und deklarative APIs sind Beispiele für diesen Ansatz."

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Im Kern geht es bei Cloud Native darum, Anwendungen zu entwickeln, die:

• Von Grund auf für die Cloud konzipiert sind, nicht nur in sie migriert wurden
• Maximale Flexibilität und Anpassungsfähigkeit bieten
• Schnelle Entwicklungszyklen und kontinuierliche Verbesserung ermöglichen
• Automatisch skalieren können, um Lastspitzen zu bewältigen
• Hochverfügbar sind mit minimalen Ausfallzeiten
• Kostengünstig betrieben werden können durch optimale Ressourcennutzung

Die 5 Säulen des Cloud Native Ansatzes

1. Microservices-Architektur

Im Gegensatz zu monolithischen Anwendungen, bei denen alle Funktionen in einer einzigen Codebasis zusammengefasst sind, werden bei der Microservices-Architektur Anwendungen in kleine, unabhängige Services aufgeteilt. Jeder Microservice:

• Erfüllt eine spezifische Geschäftsfunktion
• Kann unabhängig entwickelt, bereitgestellt und skaliert werden
• Kommuniziert über wohldefinierte APIs mit anderen Services
• Wird von einem eigenen Team verwaltet und weiterentwickelt
• Kann in einer anderen Programmiersprache implementiert sein
• Verwaltet seine eigenen Daten und Abhängigkeiten

Vorteile der Microservices-Architektur:

• Skalierbarkeit: Einzelne Services können unabhängig skaliert werden
• Flexibilität: Teams können schneller und unabhängiger arbeiten
• Resilienz: Der Ausfall eines Services führt nicht zum Komplettausfall
• Technologievielfalt: Für jeden Service kann die optimale Technologie gewählt werden

Herausforderungen:

• Komplexere verteilte Systemarchitektur
• Notwendigkeit robuster Service-Discovery und API-Management
• Aufwändigeres Monitoring und Debugging
• Konsistente Datenhaltung über Services hinweg

2. Containerisierung

Container sind eine leichtgewichtige Form der Virtualisierung, die es ermöglicht, Anwendungen und ihre Abhängigkeiten in standardisierten, portablen Einheiten zu verpacken. Die wichtigste Technologie in diesem Bereich ist Docker, das zum De-facto-Standard für Container geworden ist.

Kernkonzepte der Containerisierung:

• Images: Unveränderliche Vorlagen für Container mit allen benötigten Abhängigkeiten
• Container: Isolierte Laufzeitinstanzen von Images
• Container-Registry: Zentrales Repository für Container-Images
• Orchestrierung: Verwaltung und Koordination vieler Container

Vorteile der Containerisierung:

• Konsistenz: Einheitliche Umgebung von Entwicklung bis Produktion
• Isolierung: Container arbeiten unabhängig voneinander
• Portabilität: Container laufen überall, wo die Container-Runtime verfügbar ist
• Ressourceneffizienz: Geringerer Overhead im Vergleich zu virtuellen Maschinen
• Schnelles Starten und Beenden: Ideal für dynamische Skalierung

3. Container-Orchestrierung

Die Orchestrierung ist entscheidend für die Verwaltung von Containern im großen Maßstab. Kubernetes (K8s) hat sich als führende Plattform für diesen Zweck etabliert und bietet:

• Automatische Bereitstellung von Containern basierend auf verfügbaren Ressourcen
• Selbstheilung durch automatischen Neustart fehlgeschlagener Container
• Horizontale Skalierung bei Bedarf, manuell oder automatisch
• Service-Discovery und Load-Balancing für die Verteilung von Anfragen
• Automatisiertes Rollout und Rollback von Updates
• Geheimnisse- und Konfigurationsverwaltung für sichere Bereitstellung sensibler Daten

Kubernetes und andere Orchestrierungsplattformen ermöglichen es Teams, Hunderte oder Tausende von Containern effizient zu verwalten, was für große Cloud Native Anwendungen unerlässlich ist.

4. DevOps und CI/CD

Cloud Native Anwendungen erfordern eine enge Zusammenarbeit zwischen Entwicklung und Betrieb sowie automatisierte Prozesse für Integration, Tests und Bereitstellung. DevOps-Praktiken sind daher ein integraler Bestandteil des Cloud Native Ansatzes:

• Continuous Integration (CI): Automatisierte Tests und Integration von Code-Änderungen
• Continuous Delivery/Deployment (CD): Automatisierte Bereitstellung in verschiedenen Umgebungen
• Infrastructure as Code (IaC): Beschreibung der Infrastruktur in deklarativen Konfigurationsdateien
• Automatisiertes Monitoring und Logging: Echtzeit-Einblick in das Systemverhalten
• Feedback-Schleifen: Schnelle Rückmeldung zur Qualität und Performance

Diese Praktiken ermöglichen es Teams, schnell und sicher neue Features zu entwickeln und bereitzustellen, was die Time-to-Market drastisch verkürzt.

5. Cloud-Services und verwaltete Dienste

Cloud Native Anwendungen nutzen intensiv die Dienste und Infrastruktur von Cloud-Anbietern, anstatt alles selbst zu implementieren:

• Infrastruktur-Dienste: Compute, Storage, Netzwerk
• Plattform-Dienste: Datenbanken, Messaging, Caching
• Managed Services: Kubernetes, Serverless Functions, API-Gateways
• Spezialisierte Dienste: KI/ML, IoT, Big Data

Durch die Nutzung dieser Dienste können sich Entwicklungsteams auf die Kernfunktionalität ihrer Anwendungen konzentrieren, während die Cloud-Anbieter die zugrunde liegende Infrastruktur verwalten.

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Cloud Native Technologien und Tools

Der Cloud Native Bereich umfasst ein breites Ökosystem von Technologien und Tools:

Containerisierung

• Docker: Standard für Container-Technologie
• containerd: Container-Runtime
• Podman: Alternative zu Docker mit rootless-Betrieb

Orchestrierung

• Kubernetes: De-facto-Standard für Container-Orchestrierung
• OpenShift: Kubernetes-Distribution mit zusätzlichen Funktionen
• Amazon EKS, Google GKE, Azure AKS: Verwaltete Kubernetes-Dienste

Service-Mesh

• Istio: Komplettes Service-Mesh mit umfangreichen Funktionen
• Linkerd: Leichtgewichtiges Service-Mesh
• Consul: Service-Mesh mit Schwerpunkt auf Service-Discovery

Serverless

• AWS Lambda: Pionier im Serverless-Bereich
• Azure Functions: Microsoft's Serverless-Angebot
• Knative: Kubernetes-basierte Serverless-Plattform
• OpenFaaS: Framework für Serverless-Funktionen

Beobachtbarkeit

• Prometheus: Monitoring und Alerting
• Grafana: Visualisierung von Metriken
• Jaeger/OpenTelemetry: Distributed Tracing
• Fluentd/Loki: Logging-Infrastruktur
• Elasticsearch/Kibana: Log-Analyse und -Visualisierung

CI/CD

• Jenkins: Automatisierungsserver
• GitLab CI/CD: Integrierte CI/CD-Pipeline
• GitHub Actions: CI/CD in GitHub
• ArgoCD: GitOps für Kubernetes

Der Unterschied zwischen Cloud Native und traditionellen Anwendungen

Um die Vorteile des Cloud Native Ansatzes zu verstehen, ist es hilfreich, ihn mit traditionellen Anwendungen zu vergleichen:

Die 12-Faktoren-Methodik für Cloud Native Apps

Die 12-Faktoren-Methodik, entwickelt von Heroku, ist ein wichtiger Leitfaden für die Entwicklung von Cloud Native Anwendungen. Sie umfasst:

1. Codebase: Eine versionierte Codebase, mehrere Deployments
2. Abhängigkeiten: Explizit deklarierte und isolierte Abhängigkeiten
3. Konfiguration: Konfiguration in der Umgebung, nicht im Code
4. Backing Services: Externe Dienste als angeschlossene Ressourcen
5. Build, Release, Run: Strikte Trennung von Build und Run
6. Prozesse: Ausführung als zustandslose Prozesse
7. Port-Bindung: Services über Ports exponieren
8. Nebenläufigkeit: Skalierung durch Prozessmodell
9. Einweggebrauch: Maximieren der Robustheit durch schnelle Startups und graceful Shutdowns
10. Dev/Prod-Parität: Entwicklung, Staging und Produktion so ähnlich wie möglich
11. Logs: Behandlung von Logs als Event-Streams
12. Admin-Prozesse: Einmalige Verwaltungsaufgaben als Prozesse ausführen

Diese Prinzipien wurden später um weitere Faktoren ergänzt:

13. API First: Services über APIs bereitstellen
14. Telemetrie: Umfassendes Monitoring und Observability
15. Authentifizierung/Autorisierung: Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten von Anfang an

Vorteile des Cloud Native Ansatzes

Für Unternehmen

• Schnellere Markteinführung: Durch CI/CD und automatisierte Prozesse
• Höhere Agilität: Schnellere Reaktion auf Marktveränderungen
• Kosteneffizienz: Nutzungsbasierte Abrechnung und optimierte Ressourcennutzung
• Globale Reichweite: Einfache weltweite Bereitstellung
• Innovationsfähigkeit: Schnelleres Experimentieren und Lernen

Für Entwicklungsteams

• Autonomie: Teams können unabhängiger arbeiten
• Fokus auf Funktionalität: Weniger Infrastrukturprobleme
• Bessere Zusammenarbeit: DevOps-Kultur und gemeinsame Verantwortung
• Verbesserte Produktivität: Automatisierung repetitiver Aufgaben
• Lernmöglichkeiten: Arbeit mit modernen Technologien

Für Betriebsteams

• Höhere Stabilität: Weniger Ausfälle durch Selbstheilung und Isolation
• Bessere Skalierbarkeit: Automatische Anpassung an Lastspitzen
• Vereinfachtes Management: Automatisierung und Orchestrierung
• Verbesserte Sicherheit: Regelmäßige Updates und Isolierung
• Bessere Transparenz: Umfassendes Monitoring und Logging

Herausforderungen und Lösungsansätze

Der Übergang zu Cloud Native bringt auch Herausforderungen mit sich:

Komplexität

Herausforderung: Die verteilte Natur von Cloud Native Anwendungen erhöht die Systemkomplexität.

Lösungsansätze:

• Schrittweise Migration statt Big-Bang-Ansatz
• Einsatz von Service-Meshes zur Vereinfachung der Kommunikation
• Investition in Observability-Tools
• Schulung und Aufbau von Fachwissen im Team

Datenhaltung

Herausforderung: Verteilte Systeme erschweren konsistente Datenhaltung und Transaktionen.

Lösungsansätze:

• Einsatz von ereignisbasierten Architekturen
• Nutzung von spezialisierten Datenbanken für verschiedene Anwendungsfälle
• Implementierung des CQRS-Musters (Command Query Responsibility Segregation)
• Verwendung von Saga-Mustern für verteilte Transaktionen

Netzwerkprobleme

Herausforderung: Microservices kommunizieren über das Netzwerk, was zu Latenz und Ausfällen führen kann.

Lösungsansätze:

• Implementierung von Circuit-Breaker-Mustern
• Timeout- und Retry-Strategien
• Regelmäßige Chaos-Engineering-Tests
• Verwendung von Asynchroner Kommunikation, wo sinnvoll

Sicherheit

Herausforderung: Größere Angriffsfläche durch mehr Komponenten und Netzwerkkommunikation.

Lösungsansätze:

• Zero-Trust-Sicherheitsmodell
• Netzwerkpolicen und Segmentierung
• Automatisierte Sicherheitstests in der CI/CD-Pipeline
• Regelmäßige Sicherheitsaudits und Vulnerability Scanning

Die Cloud Native Computing Foundation (CNCF)

Die CNCF wurde 2015 als Teil der Linux Foundation gegründet, um die Entwicklung von Cloud Native Technologien zu fördern. Sie verwaltet zahlreiche Open-Source-Projekte, darunter Kubernetes, Prometheus und Envoy.

Das CNCF-Ökosystem umfasst:

• Incubating und Graduated Projects: Reife Open-Source-Projekte
• Sandbox Projects: Experimentelle Projekte
• End User Community: Organisationen, die Cloud Native Technologien einsetzen
• Certification Programs: Schulungen und Zertifizierungen
• Events: KubeCon und CloudNativeCon als wichtige Community-Events

Die CNCF bietet auch eine "Trail Map", einen Leitfaden für Unternehmen, die mit Cloud Native beginnen möchten, mit Empfehlungen zu Containerisierung, CI/CD, Orchestrierung, Observability und Service Meshes.

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Migration zu Cloud Native

Der Übergang zu Cloud Native ist ein komplexer Prozess, der eine sorgfältige Planung erfordert:

Schrittweise Vorgehensweise

1. Assessment und Strategie:
   • Bestandsaufnahme der vorhandenen Anwendungen
   • Identifizierung von Kandidaten für die Migration
   • Festlegung von Zielen und KPIs
2. Team und Kultur:
   • Aufbau von DevOps-Fähigkeiten
   • Förderung einer Kultur der Zusammenarbeit
   • Schulung in Cloud Native Technologien
3. Pilotprojekt:
   • Auswahl eines geeigneten Projekts mit überschaubarem Risiko
   • Implementierung von grundlegenden Cloud Native Praktiken
   • Sammlung von Erfahrungen und Lessons Learned
4. Ausbau der Plattform:
   • Aufbau einer umfassenden CI/CD-Pipeline
   • Einrichtung von Kubernetes-Clustern
   • Implementierung von Monitoring- und Logging-Infrastruktur
5. Skalierung:
   • Migration weiterer Anwendungen
   • Optimierung der Plattform
   • Kontinuierliche Verbesserung der Prozesse

Migrationsmuster

Je nach Art der bestehenden Anwendungen können verschiedene Migrationsmuster angewendet werden:

• Rehosting ("Lift and Shift"): Minimale Änderungen, Containerisierung der bestehenden Anwendung
• Refactoring ("Lift and Reshape"): Teilweise Anpassung für bessere Cloud-Kompatibilität
• Rearchitecting: Umgestaltung zu Microservices-Architektur
• Rebuild: Komplette Neuentwicklung als Cloud Native Anwendung
• Replace: Ersatz durch SaaS-Lösungen

Best Practices für Cloud Native Entwicklung

Um maximalen Nutzen aus dem Cloud Native Ansatz zu ziehen, sollten folgende Best Practices beachtet werden:

Architektur

• Service-Grenzen basierend auf Business-Domänen definieren
• APIs als Produkte behandeln mit klaren Verträgen und Versionierung
• Asynchrone Kommunikation für lose Kopplung bevorzugen
• Stateless Services entwickeln, wo immer möglich
• Sicherheit von Anfang an berücksichtigen (Security by Design)

Entwicklung

• Infrastructure as Code für alle Umgebungen verwenden
• Test-Driven Development praktizieren
• Automation für alles von Tests bis Deployment einsetzen
• Feature Flags für sicheres Deployment nutzen
• Kleine, inkrementelle Änderungen bevorzugen

Betrieb

• Umfassendes Monitoring auf Service- und Infrastrukturebene
• Automatisierte Skalierung basierend auf Metriken
• Regelmäßige Chaos-Engineering-Tests durchführen
• Post-mortem-Analysen bei Ausfällen ohne Schuldzuweisungen
• Continuous Improvement durch regelmäßige Retrospektiven

Cloud Native in der Praxis

Fallstudie: Finanzdienstleister

Ein großer Finanzdienstleister stellte seine monolithische Banking-Plattform auf eine Cloud Native Architektur um:

• Herausforderung: Lange Release-Zyklen, hohe Betriebskosten, mangelnde Flexibilität
• Lösung: Schrittweise Migration zu Microservices in Kubernetes mit CI/CD-Automatisierung
• Ergebnis: Reduzierung der Release-Zeit von 3 Monaten auf 1 Woche, 40% Kosteneinsparung, 99,99% Verfügbarkeit

Fallstudie: E-Commerce

Ein wachsendes E-Commerce-Unternehmen implementierte eine Cloud Native Plattform, um mit saisonalen Lastspitzen umzugehen:

• Herausforderung: Überlastung während Verkaufsaktionen, komplexe manuelle Skalierung
• Lösung: Microservices-Architektur mit automatischer Skalierung und ereignisbasierter Kommunikation
• Ergebnis: Bewältigung des 10-fachen Verkehrsaufkommens ohne Performance-Probleme, 60% schnellere Markteinführung neuer Features

Häufig gestellte Fragen zu Cloud Native

Was ist der Unterschied zwischen Cloud Native und Cloud-fähig?

Cloud-fähige Anwendungen wurden für traditionelle Umgebungen entwickelt und dann für die Cloud angepasst. Sie nutzen einige Cloud-Funktionen, behalten aber ihre grundlegende Architektur bei.

Cloud Native Anwendungen wurden von Grund auf für die Cloud konzipiert und nutzen Cloud-Prinzipien wie Microservices, Containerisierung und automatische Skalierung vollständig aus.

Muss man für Cloud Native zwingend Public Cloud nutzen?

Nein, Cloud Native Konzepte können auch in Private Cloud- oder sogar On-Premises-Umgebungen implementiert werden. Der Schlüssel liegt in der Architektur und den Methoden, nicht im Bereitstellungsort. Allerdings bieten Public Clouds oft die umfassendsten Dienste und größte Flexibilität für Cloud Native Anwendungen.

Wie sieht es mit der Vendor-Lock-in-Problematik aus?

Cloud Native strebt grundsätzlich nach Portabilität durch Containerisierung und Standardisierung. Dennoch besteht ein Risiko der Abhängigkeit von spezifischen Cloud-Diensten. Dies kann durch bewusste Entscheidungen für portable Technologien, Abstraktionsschichten und Multi-Cloud-Strategien minimiert werden.

Digitalisierung der Produktion

Der schnelle Weg in die Digitalisierung

Profitabler werden – einfach und schnell

Effizienz durch Echtzeit-Daten

Kennzahlen für Ihren Erfolg

Ohne Investitionskosten optimieren

OEE SaaS – heute gebucht, morgen startklar

Ist Cloud Native für kleine Unternehmen geeignet?

Ja, auch kleine Unternehmen können von Cloud Native profitieren, sollten aber mit einem skalierten Ansatz beginnen. Der Einsatz verwalteter Dienste kann den Overhead reduzieren, und die Pay-as-you-go-Modelle der Cloud ermöglichen es, ohne große Vorabinvestitionen zu starten.

Wie sieht die Zukunft von Cloud Native aus?

Die Cloud Native Landschaft entwickelt sich ständig weiter. Aktuelle Trends umfassen:

• Serverless-Computing: Noch abstraktere Infrastrukturmodelle
• Service Mesh: Fortschrittlichere Netzwerk- und Sicherheitsfunktionen
• Edge Computing: Erweiterung von Cloud Native auf Edge-Geräte
• GitOps: Deklarative Infrastruktur- und Anwendungskonfiguration
• WebAssembly: Neue Runtime-Umgebungen für Cloud Native Anwendungen

Fazit

Cloud Native repräsentiert einen grundlegenden Wandel in der Art und Weise, wie wir Software entwickeln, bereitstellen und betreiben. Es kombiniert moderne Architekturprinzipien, Technologien und Betriebspraktiken, um hochskalierbare, resiliente und agile Anwendungen zu schaffen.

Der Übergang zu Cloud Native erfordert Investitionen in Technologie, Prozesse und Menschen, bietet aber erhebliche Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz. Unternehmen, die diesen Ansatz erfolgreich umsetzen, können schneller auf Marktveränderungen reagieren, innovativere Produkte entwickeln und ein besseres Benutzererlebnis bieten.

Ob Sie gerade erst mit Cloud Native beginnen oder Ihre bestehenden Praktiken optimieren möchten, ein schrittweiser, wohlüberlegter Ansatz, der auf den in diesem Leitfaden beschriebenen Prinzipien und Best Practices basiert, wird Ihnen helfen, die Vorteile dieser modernen Methode der Softwareentwicklung zu nutzen.