基于容器技術的電力系統(tǒng)業(yè)務應用資源池系統(tǒng)設計研究

耿貞偉+權鵬宇+李少華

摘要：云南電網(wǎng)有限責任公司以資源池為基礎、以IT服務為核心，以集約、高效和可靠為目標建設“南網(wǎng)云”重點企業(yè)，電力系統(tǒng)的業(yè)務平臺規(guī)模不斷擴大，傳統(tǒng)的基礎架構平臺已不適用企業(yè)信息化業(yè)務發(fā)展的要求，在電力系統(tǒng)中使用容器虛擬化技術建設云計算業(yè)務應用資源池，通過有效整合、管理和調度物理機、虛擬機和網(wǎng)絡等系統(tǒng)資源，成為必然選擇。本文首先闡述了容器技術的相關概述，其次介紹了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)存在的一些問題以此引出其相關業(yè)務需求，并通過結合Docker容器技術對云南電網(wǎng)信息中心業(yè)務資源池和容器封裝進行相關設計開發(fā)，實現(xiàn)應用環(huán)境的封裝隔離以及CPU、內存等資源限制；結合集群管理方案，能夠實現(xiàn)資源的統(tǒng)一調度和動態(tài)調整，并給出業(yè)務應用資源池的彈性資源調度。并針對相關工作提出下一步研究方向。

關鍵詞：電力系統(tǒng)；業(yè)務應用資源池；容器技術；資源整合

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0045-03

1 前言

隨著信息化建設的不斷深入，電力信息系統(tǒng)復雜性和運行壓力日益增長，云南電網(wǎng)有限責任公司已經認識到軟硬件資源結合緊密帶來的潛在運行風險，并在2012年開始通過云計算基礎設施（即IaaS層）試點建設實現(xiàn)了計算資源池、存儲資源池和網(wǎng)絡資源池承載77.6%業(yè)務系統(tǒng)云化遷移工作。隨著智能電網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，會有越來越多的數(shù)據(jù)及業(yè)務應用引入到電力系統(tǒng)中，與之相匹配的數(shù)據(jù)的存儲、軟硬件資源適配的壓力也越來越高，同時運維的成本也會加大。本研究力圖通過對業(yè)務系統(tǒng)容器話改造，并研發(fā)一套基于電力系統(tǒng)及容器技術的資源池系統(tǒng)來實現(xiàn)軟硬件解耦提高系統(tǒng)敏捷性和穩(wěn)定性。云計算與容器技術作為21世紀信息技術發(fā)展趨勢，能夠有效改善數(shù)據(jù)中心多種業(yè)務應用共享硬件資源，具有效率高、易管理、能耗低、投資低的優(yōu)勢，為建設數(shù)據(jù)中心業(yè)務應用資源池提供了有效的解決途徑，滿足當前急劇增長的業(yè)務需求。

2 容器技術概述

容器技術是一個在單一主機上提供多個隔離運行環(huán)境的操作系統(tǒng)級虛擬技術。容器技術提供的隔離運行環(huán)境，與虛擬機（Virtual Machine）提供的隔離環(huán)境，存在明顯的差異。容器并不需要運行專用的訪客操作系統(tǒng)（Guest OS），而虛擬機則必須在主操作系統(tǒng)（Host OS）上通過硬件虛擬化等技術運行一個訪客操作系統(tǒng)（Guest OS）。因此，同一個操作系統(tǒng)上的多個容器共享宿主機的操作系統(tǒng)內核。由于不需要運行額外專用的操作系統(tǒng)，容器相比虛擬機而言，啟動速度存在巨大的優(yōu)勢。Docker基本架構介紹圖1所示。

容器技術相較于虛擬機技術，優(yōu)勢十分明顯，比如輕量級、高性能、便捷性等。容器的管理操作（啟動、停止、開始、重啟等）往往耗時都非常小，一般秒級即可完成，甚至有些場景是毫秒級。傳統(tǒng)的虛擬機技術則很難達到這樣的高效，由于虛擬機鏡像的龐大與冗余，訪客操作系統(tǒng)（Guest OS）的加載等，往往啟動時間都在分鐘級。一些要求響應速度要求特別高的特殊場景下，虛擬機很難達到要求，比如一些秒殺系統(tǒng)的彈性擴展等。

以Docker為代表的容器技術，除了在資源層面做了很好的規(guī)劃，同時在應用層面體現(xiàn)出了難以估量的潛力。Docker的鏡像技術可以做到以應用為中心，同時保證鏡像內部的絕對環(huán)境一致性，保證鏡像的一次打包，隨處應用。從軟件交付流程而言，Docker大大降低了運維成本，傳統(tǒng)的應用運維不再以普適性弱的應用為中心，而是以普適性更強的容器為中心，效率大大提高。

3 傳統(tǒng)部署存在的問題及業(yè)務需求

3.1 傳統(tǒng)部署的問題

（1）資源成本較高。各業(yè)務前期準備時強調專機專用，使得各個業(yè)務系統(tǒng)之間獨立部署，而部分核心業(yè)務配置主、副兩臺服務器，使得成本大大提升。（2）資源利用效率低。各業(yè)務系統(tǒng)獨立部署，有的業(yè)務系統(tǒng)所需硬件資源多，而有的所需就很少，導致其無法合理的分配和利用系統(tǒng)資源。（3）數(shù)據(jù)安全隱患。電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心最為突出的要求就是安全性，而現(xiàn)在很多數(shù)據(jù)都存儲在客戶機端，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡安全問題那么數(shù)據(jù)丟失或者篡改問題將無可避免，這對于整個云南電力系統(tǒng)來說將造成無法挽救的危機。

3.2 需求分析

云南電網(wǎng)公司云計算IaaS層資源池已經建設投運四年時間，大量的業(yè)務系統(tǒng)在資源池提供的虛擬機上運行良好，IaaS層資源池的建設改變了以往IT硬件資源投入的豎井架構構，有效的整合了資源的綜合使用率，同時為業(yè)務系統(tǒng)上線提供了快速部署服務器、靈活的資源調整需求等云計算特性。但應用業(yè)務系統(tǒng)在虛擬機上的部署還是以傳統(tǒng)的方法通過人工在上面進行部署，由于環(huán)境差別的原因，從虛擬機建好到應用部署完成還是需要一定時間，且受到人員、部署文檔的因素部署后還需要進行微調才能滿足系統(tǒng)運行要求。通過引入Linux下容器的概念和技術，來建設一個業(yè)務應用系統(tǒng)池，通過這個池能滿足大部分業(yè)務系統(tǒng)的運行需求，并提供應用系統(tǒng)的快速部署、快速升級發(fā)布、快速維護、與現(xiàn)場無關等特性，向“十三五”規(guī)劃中提出的“大平臺、深應用、云互聯(lián)”全面實現(xiàn)混合云建設及運營的規(guī)劃目標演進。

容器管理工具應具有可視化、可操作的圖形交互界面，能夠方便管理員通過圖形界面來展示、管理平臺的各項功能，并高效的發(fā)布業(yè)務應用，豐富用戶體驗。其主界面應包括系統(tǒng)總覽、主機管理、容器管理、存儲卷管理及網(wǎng)絡管理等。

統(tǒng)一的管理平臺，友好的圖形界面。管理員可通過該界面實現(xiàn)整個生命周期各項功能的管理：（1）支持自動的資源調配功能。客戶通過統(tǒng)一的界面指定特定的要求，系統(tǒng)自動完成服務器與容器的自動化制備與綁定。（2）完整信息展示功能。通過圖形化界面能夠查看應用及容器的完整信息，包括但不限于名稱、鏡像、發(fā)布時間、版本、狀態(tài)、日志和性能監(jiān)控等信息。（3）標準化。由于整個生態(tài)環(huán)境巨大并且仍在火熱發(fā)展中，運維管理技術必須以標準化的接口與各組件交互，保證整個架構的靈活可替換。

容器平臺管理系統(tǒng)是一個新的項目，在開發(fā)的時候需要自己定義功能，提前設定好目標才能成功，這也是項目剛啟動時的一個技巧。從給它定義來看，除了應用編排、日志監(jiān)控、網(wǎng)絡管理這三大塊，還有插件的管理，一些輔助信息、Docker本身對主機的管理也加進去了。但是重點關注了其中最核心的功能，就是應用編排、日志監(jiān)控、網(wǎng)絡管理，這是DevOps最關心的三個點，也是該項目的亮點。

容器平臺管理系統(tǒng)設計過程定義功能集如圖2所示。

4 業(yè)務資源池設計

根據(jù)電力系統(tǒng)業(yè)務應用資源分區(qū)，將資源池劃分為X86虛擬服務器池、X86物理服務器池、小型機池X86虛擬資源池適合大規(guī)模的虛擬化，抽象形成可管理、可調度的邏輯資源；X86物理資源池不經虛擬化適用于部署數(shù)據(jù)庫服務器或其他必須采用物理服務器實現(xiàn)的業(yè)務平臺模塊；小型機資源池采用虛擬多臺邏輯設備供多個業(yè)務平臺使用，適用于數(shù)據(jù)處理等服務。在業(yè)務部署時優(yōu)先考慮X86虛擬資源池，對于有特殊外設需求的考慮X86服務器整機承載，對于有高計算要求或特殊數(shù)據(jù)庫要求的，可將其部署在X86物理機資源池或小型機資源池。虛擬機部署時根據(jù)業(yè)務特點統(tǒng)籌規(guī)劃，盡量避免同一臺服務器上運行的虛擬機忙時集中。具體設計如圖3所示。

5 容器封裝設計

隨著電力系統(tǒng)業(yè)務規(guī)模的擴大，其業(yè)務應用對于計算資源的快速伸縮有了強烈的需求，內部服務化的架構推進，需要更好的環(huán)境隔離以及更細力度的計算資源隔離和調度能力，在此我們采用了Docker技術來構建彈性計算平臺。

在Docker平臺搭建中，采用DevOps這種模式來解決各層運維效率問題。對業(yè)務用戶層面，容器平臺明確業(yè)務開發(fā)能夠完成的工作都由業(yè)務開發(fā)人員來操作，如日常的服務發(fā)布、配置變更。通過這種方式，既充分滿足業(yè)務開發(fā)人員操作的便捷性，同時也減輕平臺維護人員的日常工作量。對平臺內部層面，也是通過開發(fā)的思路來解決運維問題，即日常的處理盡量自動化完成。容器集群擴容：在新服務器安裝系統(tǒng)時，會運行 Salt 配置、安裝并運行 Docker 相關后臺進程和Mesos-Slave節(jié)點，這樣機器就自動加入到了容器集群。服務運行的容器數(shù)量：可以通過預定義的指標實現(xiàn)自動的伸縮，業(yè)務流量增長和正常的流量波動無須人工調整資源。在容器平臺加載業(yè)務應用本身的系統(tǒng)運維工作（如業(yè)務資源變更，物理機異常處理）之后，加重了容器平臺工作負擔，對此我們設計集群的容錯機制，自動處理物理機故障，避免人工相應，其次總結業(yè)務通用需求，例如業(yè)務容量的動態(tài)變更來開發(fā)新的平臺功能來滿足。

在Docker集群方案設計中引入一些其他的系統(tǒng)組件，如Consul、HAProxy等，增加其系統(tǒng)復雜性。由于規(guī)模的擴大，出線異常狀況的概率也大大增加，對此我們通過避免性能單點及設計監(jiān)控集群性能來保證其穩(wěn)定性。具體監(jiān)控指標分為如下幾類：業(yè)務容器實例監(jiān)控：容器的CPU、內存、網(wǎng)絡、磁盤；業(yè)務容器組監(jiān)控：容器組內容器重啟次數(shù)，容器組內健康容器比例等指標；平臺層面監(jiān)控：Mesos集群指標，Docker進程及附屬組件狀態(tài)等監(jiān)控；服務器層面監(jiān)控：服務器的CPU、內存、硬盤、網(wǎng)絡等指標。具體容器平臺彈性計算架構如圖4所示。

6 結語

業(yè)務系統(tǒng)資源池的應用和開發(fā)對于電力系統(tǒng)而言是一個必然的趨勢，其具備了有彈性資源調度的容器平臺架構，能夠根據(jù)業(yè)務應用需求對資源進行合理搭配利用，并能夠對業(yè)務應用系統(tǒng)負載的變化做出反應，能夠有效降低運維成本，增強電力系統(tǒng)業(yè)務可用性，資源池的建設逐步實現(xiàn)了資源管理的自動化和輕便化，不再需要IT人員進行瑣碎的低端故障處理，使有限的人力資源參與到其他業(yè)務中去。

本次研究通過容器業(yè)務的封裝并將其加入到資源池中，實現(xiàn)應用環(huán)境的封裝隔離以及CPU、內存等資源限制；結合集群管理方案，能夠實現(xiàn)資源的統(tǒng)一調度和動態(tài)調整。利用容器技術實現(xiàn)了對業(yè)務系統(tǒng)輕量級改造，較好的明確了微服務的技術方向。

通過本系統(tǒng)尚存在一些不完善的地方，比如服務器域的設計還需要進一步加強以及下一步完善存儲域和業(yè)務應用入池的設計。

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