优化云成本与无服务器架构：技术视角

摘要

无服务器计算从根本上改变了云架构，特别是对于横向扩展的无状态应用。本文探讨了无服务器架构（特别是函数即服务FaaS）在降低云成本方面提供的服务。无服务器计算通过按使用付费的定价模式，消除了配置和管理静态资源的需求。

交付成果包括各种成本优化技术，如动态资源扩展、高效函数设计和优化数据管理，同时在性能和成本之间保持平衡。实际案例研究说明了无服务器架构在大规模优化问题和延迟敏感服务中的实际应用。

尽管无服务器框架提供了许多好处，但冷启动延迟和供应商锁定等重大挑战仍未解决，应在未来研究中加以解决。

关键词：无服务器计算、云成本优化、函数即服务（FaaS）、按使用付费定价、动态资源扩展、冷启动

1. 引言

云计算极大地改变了企业管理和发展基础设施的方式。传统的云架构可能运行良好，但通常涉及资源过度配置，导致效率低下和成本增加。无服务器计算，特别是函数即服务（FaaS），提供了潜在的变革性好处，如自动扩展和按执行定价，仅对执行期间使用的确切计算资源量收费[1]。

无服务器计算还被引入以减少开发人员的基础设施管理负担，使他们能够专注于编写业务逻辑。这种架构遵循事件驱动模型，其中不同事件自动触发函数并自动扩展以适应变化的负载。然而，这将扩展、安全性和容错的责任转移给了底层云提供商，从而减少了运营开销[2]。无服务器计算最显著的特点之一是其成本模型，客户仅对函数调用（即信息传输）付费，使其成为波动工作负载下动态扩展的理想选择[3]。

尽管无服务器架构提供了许多优势，但它们也有缺点。最关键的挑战之一是延迟，特别是冷启动延迟，这可能影响实时或低延迟应用。供应商锁定的问题因无服务器服务与专有云资源（如存储）紧密集成而进一步加剧[7]。

本文深入探讨无服务器架构，它们如何提高云成本效率，以及这些改进相关的权衡。我们还探讨了组织利用这些架构实现成本效益运营的途径。

本文的其余部分组织如下：第二部分简要概述无服务器架构及其特点。第三部分讨论按使用付费定价的经济学及其如何导致成本降低。第四部分探讨无服务器环境中的成本优化技术。第五部分检查性能与成本的权衡。第六部分提供实际使用示例和案例研究。最后，第七部分通过讨论无服务器计算的局限性及其未来方向来总结。

2. 无服务器架构简介

无服务器计算是一种新兴的云计算执行模型，其中云提供商执行一段代码并自动管理函数的维护。函数即服务（FaaS），通常通过AWS Lambda等平台，是开发人员自然聚集和趋同于无服务器计算的最常见方式。FaaS的核心思想是开发人员应该能够编写短寿命的函数，这些函数随传入事件自动扩展，并按执行期间消耗的计算时间比例计费[1]。

2.1. 无服务器架构的关键思想

无服务器计算可以通过几个关键原则来总结：

• 事件驱动执行：无服务器函数设计为响应特定事件执行，如HTTP请求、文件上传或数据库更改。
• 自动扩展：无服务器平台自动随传入需求扩展函数，无需手动干预或容量规划[4]。
• 无状态参考：无服务器函数是无状态的——所有数据必须存储在持久存储解决方案中，如数据库或对象存储（例如AWS S3、DynamoDB）。

该图说明了使用Microsoft Azure的无服务器架构。它描述了单页应用程序如何与各种Azure服务交互，包括API管理、函数应用和Cosmos DB。身份和访问管理通过Microsoft Entra ID处理，而CI/CD流程使用Azure Pipelines和GitHub Actions管理。静态资产如HTML文件、图像、媒体和文档存储在Azure CDN和Blob存储中。这种基于互联网的架构实现了事件驱动执行、可扩展性和无状态性，确保了成本效益和高效的云应用托管。

2.2. 无服务器计算相对于传统架构的优势

无服务器计算带来了与传统云设置相比的独特好处，如：

• 提高DevOps效率：开发人员无需处理基础设施配置、扩展或维护，因为这些责任由云提供商管理[2]。
• 成本效率：无服务器平台按使用付费模式运营，仅对函数运行时的计算时间向用户收费。这消除了维护空闲资源的需求和成本，这是传统基于云的系统中过度配置的常见问题[3]。
• 自动扩展：无服务器系统根据需求自动扩展，消除了传统系统中复杂的自动扩展机制，并确保最佳资源分配[6]。

2.3. 无服务器架构的局限性

尽管有其优势，无服务器计算也带来了挑战，包括：

• 冷启动：冷启动发生在函数首次执行或一段时间不活动后执行时，需要一些时间进行资源供应才能开始执行。这种延迟可能影响延迟敏感应用的性能[2]。

缓解：为了最小化冷启动延迟，可以通过安排定期调用来保持函数温暖。或者，一些无服务器平台提供预置并发，维护固定数量的预初始化函数实例，准备立即响应请求。

• 无状态设计：无服务器函数本质上是无状态的，需要外部存储来维护状态，这可能引入额外的延迟和成本[1]。

缓解：使用高效的外部存储系统，如缓存服务（例如Redis）或为无服务器架构优化的数据库（例如AWS DynamoDB）。此外，考虑使用事件驱动架构，帮助最小化状态依赖。

• 供应商锁定：无服务器平台与特定云提供商紧密集成，使得组织在没有重大重新工程努力的情况下难以在提供商之间迁移[7]。

缓解：为了减少供应商锁定，使用标准化API和框架（例如无服务器框架或云原生计算基金会的工具）。此外，采用容器化解决方案，如AWS Lambda的容器镜像支持，可以在迁移中提供更大的灵活性。

3. 云经济学和按使用付费定价

无服务器架构由于其按使用付费的定价模式而具有高度成本效益。与传统云架构不同，传统架构中资源是预留的，无论实际使用情况如何都必须付费，无服务器函数仅在调用和执行时产生成本。因此，无服务器计算非常适合需求不可预测或波动（即峰值）的工作负载。它在无服务器函数调用期间按需自动供应——然后取消分配——所有必要资源[3]。

该图说明了基于按使用付费模型的云成本结构，展示了AWS、Microsoft Azure和Google Cloud等云提供商如何采用无服务器计算。它突出了高效云资源分配对各种组织利益相关者的好处，包括工程团队、领导层和财务。此外，它描述了从处理到分析的数据流，最终支持可视化和明智决策。

3.1. 订阅模型与按使用付费分解

成本在按使用付费模型中，我们仅支付使用的无服务器函数资源。计费组件通常如下：

• 调用量：函数被调用多少次