微服務(wù)架構(gòu)下的電力信息系統(tǒng)交互方式*

陳詠秋 王紀(jì)軍 顧永生

（江蘇電力信息技術(shù)有限公司 南京 210024）

1 引言

傳統(tǒng)的電力信息系統(tǒng)的IT架構(gòu)一般抽象為三層相對(duì)獨(dú)立模型：表示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)庫層［1］。這種架構(gòu)起初依托于單個(gè)代碼庫或部署單元，結(jié)構(gòu)較為簡單?；谛∫?guī)模的計(jì)算資源消耗和運(yùn)行進(jìn)程內(nèi)部的低延遲，系統(tǒng)運(yùn)行也十分高效［2～3］。但是隨著系統(tǒng)運(yùn)行開銷的增加，會(huì)導(dǎo)致電力信息系統(tǒng)存在很差的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，并且在長時(shí)間運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)的交互性能也難以符合使用者的心里預(yù)期［4～5］。

從20世紀(jì)80年代起，基于C∕S（客戶端∕服務(wù)端）交互模式的信息系統(tǒng)開始在電力信息系統(tǒng)廣為應(yīng)用，因?yàn)檫@種模式是信息系統(tǒng)根據(jù)使用需求動(dòng)態(tài)調(diào)配系統(tǒng)開銷的一種具有性價(jià)比的選擇［6］。C∕S模式可以根據(jù)使用需要單獨(dú)配置系統(tǒng)服務(wù)端的計(jì)算資源，這有助于優(yōu)化系統(tǒng)性能配置，而且不會(huì)影響用戶端的應(yīng)用程序［7］。由于上述性能優(yōu)勢，基于C∕S交互模式的電力信息系統(tǒng)在覆蓋的地理區(qū)域較小且需要對(duì)客戶端計(jì)算資源要求不高的情況，得到較為廣泛的運(yùn)用。

從2000年初開始，面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service Oriented Architecture，SOA）開始在電力信息系統(tǒng)建設(shè)中得到重視。作為一種具有全新的設(shè)計(jì)模式和信息系統(tǒng)的交互方式，SOA將一個(gè)大的應(yīng)用程序分解為不同的應(yīng)用程序功能作為服務(wù)，從而使電力企業(yè)的信息系統(tǒng)變得更加靈活［8-9］。SOA的優(yōu)勢在于單個(gè)的服務(wù)可被重用，獨(dú)立于信息平臺(tái)，可以在省級(jí)電力系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)提供服務(wù)，可以有效提供改進(jìn)的電力信息系統(tǒng)可擴(kuò)展性和可用性，并且可以大大提高電力信息的生產(chǎn)周期和使用效率［10］。但是由于頻繁的信息服務(wù)交互以及對(duì)請(qǐng)求的完整驗(yàn)證，還會(huì)增加電力信息系統(tǒng)的額外開銷［11］。由于電力企業(yè)對(duì)信息系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的嚴(yán)苛要求，導(dǎo)致了服務(wù)管理的異常復(fù)雜，并且由于海量數(shù)據(jù)的交互而帶來了大量數(shù)據(jù)管理的挑戰(zhàn)［12］。

通過對(duì)電力信息系統(tǒng)交互模式發(fā)展的梳理，基于提升規(guī)模不斷增大的電力信息系統(tǒng)的交互性能的考慮，本文希望通過將微服務(wù)架構(gòu)應(yīng)用于電力信息系統(tǒng)，滿足電力信息系統(tǒng)對(duì)交互性能以及可維護(hù)性、可拓展性的業(yè)務(wù)需求。

2 微服務(wù)體系結(jié)構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)是作為可獨(dú)立部署的服務(wù)組件的電力信息系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)的獨(dú)特方法［13］。在微服務(wù)架構(gòu)中，復(fù)雜的電力信息系統(tǒng)應(yīng)用程序是由小的、獨(dú)立的、使用API進(jìn)行交互的服務(wù)所組成。這些微服務(wù)都由體量較少的代碼搭建，基于高度獨(dú)立和靈活交互思路用于解決大型電力系統(tǒng)中的獨(dú)立小任務(wù)［14］?；谖⒎?wù)的系統(tǒng)交互模式大大促進(jìn)了電力信息系統(tǒng)構(gòu)架的模塊化程度。所以，簡單來說，基于微服務(wù)架構(gòu)的電力信息系統(tǒng)就是一組小型獨(dú)立、可單獨(dú)部署的服務(wù)［15］。電力信息系統(tǒng)的微服務(wù)抽象架構(gòu)如圖1所示。

圖1 微服務(wù)架構(gòu)

隨著電力系統(tǒng)信息化程度日益完善，擁有大量信息系統(tǒng)的電力企業(yè)由于其傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)的交互效率的低下而開始對(duì)信息系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行改造?；趥鹘y(tǒng)信息系統(tǒng)架構(gòu)不支持允許快速功能添加或功能變更以適應(yīng)靈活交互的缺點(diǎn)，采用基于微服務(wù)的松耦合系統(tǒng)方法對(duì)電力信息系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 容器技術(shù)

基于軟件的容器與集裝箱在物流運(yùn)輸中的作用相同，軟件容器使應(yīng)用程序從一個(gè)平臺(tái)移動(dòng)到另一個(gè)平臺(tái)變得更容易。容器由一個(gè)完整的運(yùn)行環(huán)境組成：一個(gè)應(yīng)用程序加上它所有的運(yùn)行依賴元素。這些元素包括運(yùn)行庫、二進(jìn)制文件以及所需的配置文件。通過對(duì)電力信息系統(tǒng)的應(yīng)用平臺(tái)及其運(yùn)行環(huán)境的容器化，操作系統(tǒng)以及底層基礎(chǔ)架構(gòu)的差異被抽象出來。容器化的應(yīng)用平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于共享內(nèi)核的容器架構(gòu)

與容器技術(shù)密切相關(guān)的兩項(xiàng)技術(shù)是：Docker和Flocker。Docke實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高級(jí)別的API，用來提供運(yùn)行獨(dú)立進(jìn)程的輕量級(jí)容器。這個(gè)容器依賴于內(nèi)核的功能，并使用資源隔離來實(shí)習(xí)應(yīng)用程序的操作系統(tǒng)視圖的解耦和，其隔離資源包括CPU、內(nèi)存、I∕O、網(wǎng)絡(luò)資源等。Flocker是基于 Docker的應(yīng)用程序的開源容器數(shù)據(jù)卷管理器。Flocker支持基于塊的共享存儲(chǔ)。當(dāng)Docker應(yīng)用程序在給定集群上的主機(jī)之間移動(dòng)時(shí)，F(xiàn)locker能夠確保數(shù)據(jù)的一致性。Flocker提供部署數(shù)據(jù)庫、鍵值存儲(chǔ)和容器隊(duì)列等服務(wù)。

基于容器技術(shù)的信息系統(tǒng)虛擬化已在電力企業(yè)中得到成功運(yùn)用，并體現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益和管理效益。

3.2 微操作系統(tǒng)

微操作系統(tǒng)是一個(gè)輕量級(jí)的分布式操作系統(tǒng)內(nèi)核。這些最小化的操作系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為托管Docker應(yīng)用程序并盡量簡化了基礎(chǔ)架構(gòu)。采用結(jié)合容器技術(shù)和微操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)替代電力信息系統(tǒng)的多主機(jī)應(yīng)用平臺(tái)，能夠有效提高電力信息系統(tǒng)的擴(kuò)展性、靈活性、高可用性、高安全性以及高可靠性。微操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微操作系統(tǒng)

3.3 基于Unikernel的內(nèi)核編譯

圖4 自定義Unikernel內(nèi)核

Unikernel技術(shù)將源代碼編譯成只包含應(yīng)用程序邏輯所需功能的自定義操作系統(tǒng)。這使操作系統(tǒng)內(nèi)核變得更小，運(yùn)行速度更快，提高了系統(tǒng)效率。通過減少在操作系統(tǒng)級(jí)別部署的代碼數(shù)量，必然會(huì)減少數(shù)據(jù)或用戶被攻擊成功的概率，從而提高安全性能。基于Unikernel的結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)的交互效率。通過在自定義內(nèi)核的固定模塊中創(chuàng)建一定相關(guān)性將有助于搭建基于微服務(wù)架構(gòu)的電力信息系統(tǒng)。在微服務(wù)架構(gòu)中對(duì)內(nèi)核直接修改是不允許的，所有的內(nèi)核級(jí)別的功能修改只能通過對(duì)內(nèi)核源代碼的自定義裁剪。Unikernel能夠?yàn)榭缙脚_(tái)環(huán)境、大數(shù)據(jù)分析和橫向擴(kuò)展云計(jì)算提供部署方便的同時(shí)，為信息系統(tǒng)之間交互提高卓越的靈活性、速度和多功能性。構(gòu)建Unikernel有很多方法，比如ClickOS、Clive、MirageOS、Runtime.js等。

4 面向微服務(wù)的信息系統(tǒng)架構(gòu)

Unikernel有助于減小內(nèi)核尺寸，從而有助于縮短啟動(dòng)時(shí)間，這有助于提高微服務(wù)架構(gòu)下電力信息

容器、微操作系統(tǒng)和精簡化內(nèi)核存在于一個(gè)介于主機(jī)和應(yīng)用程序之間的模糊區(qū)域中，既沒有應(yīng)用程序的性能監(jiān)控也沒有傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控。這造成了監(jiān)控的盲點(diǎn)，而這也是基于微服務(wù)架構(gòu)的電力信息系統(tǒng)需要改進(jìn)的地方。

微服務(wù)架構(gòu)通過消除大多數(shù)電力系統(tǒng)之間交互的依賴關(guān)系，并為搭建在微服務(wù)架構(gòu)上的電力信息系統(tǒng)提供軟件組件作為獨(dú)立部署模塊的套件，并提供定義明確的松耦合的交互方法。為了使電力信息系統(tǒng)的微服務(wù)能夠獨(dú)立工作，功能模塊依賴和操作系統(tǒng)內(nèi)核將被包含在架構(gòu)的功能組件中。從某種意義上說，任何想要降低復(fù)雜性、增加可靠性以及提高效率的電力信息系統(tǒng)及其組件，都應(yīng)該被設(shè)計(jì)成可靈活交互微服務(wù)。

圖5是基于微服務(wù)的Web和App在常見的多層電力信息系統(tǒng)環(huán)境中的交互架構(gòu)。

圖5 基于微服務(wù)的web和App交互架構(gòu)

在Webserver和Appserver層中，可以通過水平方式旋轉(zhuǎn)多個(gè)實(shí)例來實(shí)現(xiàn)電力信息系統(tǒng)的可伸縮性。通過將微服務(wù)功能賦予電力信息系統(tǒng)組件，如負(fù)載均衡、Web服務(wù)器實(shí)例和Appserver實(shí)例等，來完成組件的高度獨(dú)立?；谖⒎?wù)架構(gòu)的組件完全獨(dú)立提高了電力功能組件的高可用性和各個(gè)系統(tǒng)之間的靈活交互功能。通過與微服務(wù)包裝在一起的操作系統(tǒng)功能可以為系統(tǒng)交互提供必要的安全功能。

與Webserver和Appserver層不同，數(shù)據(jù)庫實(shí)例需要保持完全狀態(tài)的會(huì)話連接才能使數(shù)據(jù)持久化，這將通過使用Flocker數(shù)據(jù)庫容器化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過這種微服務(wù)和DB數(shù)據(jù)庫服務(wù)之間的通信方式，可以模塊化在多個(gè)系統(tǒng)之間的移動(dòng)數(shù)據(jù)，使得系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互不需要太多的困難就可以實(shí)現(xiàn)高可用性，并且可被獨(dú)立地管理。基于微服務(wù)的數(shù)據(jù)交互架構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于微服務(wù)的數(shù)據(jù)交互架構(gòu)

由于容器和微操作系統(tǒng)僅包含應(yīng)用程序所需的那些依賴元素，因此應(yīng)用程序交互過程的脆弱性會(huì)減少，從而更容易將其鎖定。同時(shí)更小的系統(tǒng)體量也減少了需要使用安全更新進(jìn)行修補(bǔ)的組件數(shù)量。

5 應(yīng)用實(shí)踐

基于傳統(tǒng)架構(gòu)的電力交易系統(tǒng)在業(yè)務(wù)快速增長的背景下，系統(tǒng)內(nèi)部頁面功能性交互無法支持業(yè)務(wù)需求多樣化，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互實(shí)時(shí)性和通訊性能也面臨巨大挑戰(zhàn)?；诒疚乃龅奈⒎?wù)架構(gòu)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)改造，將其系統(tǒng)架構(gòu)變成基于微服務(wù)架構(gòu)的分布式系統(tǒng)，通過容器技術(shù)從系統(tǒng)功能上充分獨(dú)立，利用微操作系統(tǒng)將系統(tǒng)平臺(tái)與系統(tǒng)應(yīng)用解耦，采用自定義內(nèi)核提高平臺(tái)操作系統(tǒng)的運(yùn)行性能。同時(shí)結(jié)合負(fù)載均衡、容錯(cuò)管理和服務(wù)監(jiān)控技術(shù)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。改造前電力交易系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

改造后電力交易系統(tǒng)的架構(gòu)如圖8所示。

圖8中，系統(tǒng)采用NGINX和LVS在系統(tǒng)前端進(jìn)行負(fù)載均衡調(diào)度。API服務(wù)網(wǎng)關(guān)包括服務(wù)網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控報(bào)警、入口鑒別、API管理等組件，為系統(tǒng)提供統(tǒng)一用戶接口服務(wù)、流量引導(dǎo)、性能監(jiān)控等服務(wù)。數(shù)據(jù)層不僅支持關(guān)系數(shù)據(jù)庫，也支持內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和分布式數(shù)據(jù)庫，并通過Flocker數(shù)據(jù)庫容器化技術(shù)為用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口服務(wù)。

圖7 改造前電力交易系統(tǒng)架構(gòu)

圖8 電力交易系統(tǒng)的微服務(wù)架構(gòu)

為驗(yàn)證微服務(wù)架構(gòu)對(duì)改造后的電力交易系統(tǒng)交互性能的提升，進(jìn)行交互壓力測試。采用10臺(tái)服務(wù)器搭建的測試環(huán)境，其中4臺(tái)為部署微服務(wù)架構(gòu)的單獨(dú)運(yùn)行的電力交易系統(tǒng)。對(duì)改造前后的吸引交互壓力測試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 改造前系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

表2 基于微服務(wù)架構(gòu)的系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可知，在測試中隨著交互線程數(shù)的增加，電力交易系統(tǒng)每秒處理數(shù)（TPS）逐漸飽和，CPU負(fù)荷率也隨著TPS增加而快速增加。由表2數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過微服務(wù)架構(gòu)改造后，在交互線程超過70的時(shí)候，微服務(wù)架構(gòu)的優(yōu)勢逐漸顯露出來，TPS、平響應(yīng)時(shí)間、CPU利用率均優(yōu)于改造前。隨著交互線程數(shù)量的進(jìn)一步提高，微服務(wù)架構(gòu)的優(yōu)勢更為明顯。在交互線程數(shù)達(dá)到150的時(shí)候，改造前的系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到飽和，系統(tǒng)交互能力出現(xiàn)明顯下降，而微服務(wù)架構(gòu)交互性能仍然能夠保持在可控范圍內(nèi)，由此可以看出微服務(wù)方案更能適應(yīng)交互壓力較大的業(yè)務(wù)場景。

改造后的系統(tǒng)上線后進(jìn)行了6個(gè)月的測試運(yùn)行，交易規(guī)則的開發(fā)上線時(shí)間從最初的35人天∕個(gè)降低至20人天∕個(gè)，系統(tǒng)版本更新頻率從1次∕月提升至2次∕月，系統(tǒng)升級(jí)時(shí)間由6h降至1.5h。系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)應(yīng)用功能性開發(fā)效率有了明顯提升，這意味這系統(tǒng)對(duì)用戶交互需求變更的支持能力有了明顯提升。

表3 系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間對(duì)比

對(duì)上述測試結(jié)果分析可以得出，交互壓力越大，基于微服務(wù)架構(gòu)交互方式的性能優(yōu)勢越明顯。交易管理模塊是交互負(fù)載最集中的模塊，對(duì)其微服務(wù)化改造，能取得最具性價(jià)比的改造效果。同時(shí)，服務(wù)獨(dú)立出來后，也能夠更方便地針對(duì)交易業(yè)務(wù)變化、交易品種不斷增加的情況進(jìn)行服務(wù)升級(jí)改造。另外，相對(duì)于改造前系統(tǒng)，基于微服務(wù)的電力交易系統(tǒng)的維護(hù)效率、擴(kuò)展效率也有了較大的提升。

6 結(jié)語

本文提出了一種基于微服務(wù)架構(gòu)的電力信息系統(tǒng)的交互方式。微服務(wù)架構(gòu)是通過虛擬化的服務(wù)組件、統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)以及精簡化的系統(tǒng)內(nèi)核，為電力信息系統(tǒng)的交互提供了充分的靈活性、可靠性。通過電力交易系統(tǒng)的微服務(wù)化改造實(shí)踐表明，基于微服務(wù)架構(gòu)的電力交易系統(tǒng)具有較好的交互性能、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。