基于微服務架構的充電樁管理平臺

吳 潔，周 杰，符敘倫

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基于微服務架構的充電樁管理平臺

吳 潔，周 杰，符敘倫

(深圳市英可瑞科技股份有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著充電樁管理平臺業務和功能的迅速增加，傳統的單塊架構模式處理起來顯得過于復雜，同時得面對開發效率低，代碼后期維護難等問題。結合當前網絡技術，移動應用技術以及云技術，通過建立統一的服務間通信機制以及服務注冊與發現機制、服務網關等組件，提出并實現了基于微服務架構的充電樁管理平臺。最后對微服務架構下的充電樁管理平臺框架設計進行了分析與探討。充電樁管理平臺的微服務化方案解決了平臺存在的標準不統一、結構復雜等問題，為實現平臺的低耦合、易伸縮、高可擴展提供了堅實的技術支撐。

微服務；管理平臺；充電樁；系統架構

1 概述

隨著國家鼓勵新能源汽車的發展，充電樁的規模會越來越大，業務和功能越來越復雜，相應的管理平臺原本簡單的應用體積會隨著變大，導致維護、升級和擴展新功能都非常困難；如果要更新它的某個部分，需要重新部署整個應用。傳統單塊平臺架構耦合性強，很難適應應用變更的需求。相同業務需求因業務管理模塊分割、管理邊界重復交叉、管理方式各異等原因導致系統功能重復建設等[1]。因此，需要一種基于模塊化開發，分布部署的架構策略支撐充電樁管理平臺的建設。為構建具有易維護，易擴展的充電樁管理平臺，提出了基于微服務架構的系統解決方案，本文對微服務架構的應用及優點進行了分析，并圍繞微服務架構下的平臺架構，微服務封裝和交互機制給出具體規劃設計[2]。

2 微服務簡介

2.1 微服務架構概念

微服務架構(Microservice Architecture)是一種架構概念，旨在通過將功能分解到各個離散的服務中以實現對解決方案的解耦。把一個大型的單個應用程序和服務拆分為數個甚至數十個的支持微服務，它可擴展單個組件而不是整個的應用程序堆棧，從而滿足服務等級協議[3]。

2.2 微服務架構特點

1) 通過服務實現應用的組件化：在應用架構設計中，通過將整體應用切分成可獨立部署及升級的微服務方式，進行組件化設計。

2) 圍繞業務能力組織服務：微服務架構采取以業務能力為出發點組織服務的策略，因此微服務團隊的組織結構必須是跨功能的，強搭配的DevOps開發運維一體化團隊，通常這些團體不會太大[4]。

3) 基礎設施自動化：云化及自動化部署等技術極大地降低了微服務構建，部署和運維的難度，通過應用持續集成和持續交付等方法有助于達到加速推出市場的目的。

4) 故障處理設計：微服務架構所帶來的一個后果是必須考慮每個服務的失敗容錯機制。因此微服務非常重視架構以業務相關指標的實時監控和日志機制。

5) 演進式的設計：微服務應用更注重快速更新，因此系統的設計隨時間不斷變化及演進[5]。

2.3 微服務的優勢

1) 原子服務：微服務架構的主要思想是將龐大的整體系統在整體功能不變的提前下分解成具有單一功能的一系列服務，每個服務的功能越單一，對其他服務的依賴越少。

2) 獨立部署：由于微服務具備獨立的運行進程，所以每個微服務也可以獨立部署。在傳統架構中，如果要對應用程序中的某個服務進行需求變更。及時改變再小也要對就整體架構進行重新部署。而當要對應用微服務架構的某個服務進行需求變更時，可獨立構建并重新部署而不依賴其他微服務。可以利用docker等虛擬機在云端進行部署，可以提高資源利用率，從而降低部署成本[6]。

3) 技術靈活：在微服務架構中，技術選型不需要再完全同一。傳統的一體化運用方式，往往需要采用某種確定的技術棧。而在微服務架構模式下，技術選型是去中心化的，將龐大的整體應用拆分為微服務后，由于每個服務有自己獨立的應用架構和數據存儲，可以根據不同服務和業務需求的特點選擇最合適的技術棧，技術實現平臺和數據庫方案。

4) 擴展及容錯：在微服務架構下，每個服務都可以根據需求變化進行獨立擴展。在微服務架構下，由于服務間松耦合的特點。故障被隔離在微服務內部。可以采用超時重試，多副本策略等容錯機制。避免全局不可用[7]。

2.4 微服務解決方案Spring Cloud簡介

Spring Cloud為開發者提供了在分布式系統中快速構建的工具，它提供了微服務開發所需的配置管理、服務發現、斷路器、智能路由、微代理、控制總線、全局鎖、決策競選、分布式會話和集群狀態管理等組件。使用Spring Cloud的開發者可以快速的啟動服務或構建應用，同時能夠快速和云平臺資源進行對接[8]。SpringCloud五大核心組件介紹如下。

Eureka：服務注冊中心，特性有失效剔除、服務保護。

Zuul：API服務網關，功能有路由分發和過濾。

Config：分布式配置中心，支持本地倉庫、SVN、Git、Jar包內配置等模式。

Ribbon：客戶端負載均衡，特性有區域親和、重試機制。

Hystrix：客戶端容錯保護，特性有服務降級、服務熔斷、請求緩存、請求合并、依賴隔離。

Dashboard：Hystrix儀表盤，監控集群模式和單點模式。

3 電樁管理平臺框架設計

3.1 業務功能劃分

微服務充電樁管理平臺在功能設計方面，需要根據實際情況，將原有系統的功能進行充分解耦，形成小服務群，這些小的服務彼此獨立，單獨部署，并都可以完成自身的任務。每個小服務都是從交互，業務邏輯在到底層存儲，獨立形成一個應用。每個小應用之間通過相互調用API實現通信[9]。

1) 數據采集系統：是整個管理平臺運行的基礎，主要負責采集充電樁數據和移動APP用戶數據，并將這些信息實時寫入數據服務器，供各個管理模塊調用。

2) 充電樁運維管理：充電樁是管理平臺的主要實體，也是提供服務的基礎。對充電樁的運維管理主要分為充電樁注冊，充電樁的實時監控，充電服務實時監控，遠程配置參數，告警處理，費率下發，遠程升級等。

3) 平臺運維管理：平臺維護是系統運營過程中的一個重要方面，它能對系統平臺的日常工作狀況進行跟蹤調查，能夠解決系統平臺在運營過程中產生的問題，確保系統能夠提供各項服務。運營平臺的維護主要包含軟件維護，數據維護，日志管理，充電樁維護等方面。

4) 充電支付結算：實現充電費用實時計算，充電完成后進行費用結算，支付以及發票等功能[10]。

5) 系統用戶管理：運營系統中的用戶大致可以分為系統管理員、監控人員、運維人員和充電用戶等角色。各角色擁有不同的權限和功能，彼此之間分工明確，相互聯系，保證系統正常的運行。

3.2 容器技術的應用

傳統的虛擬化技術為每個虛擬機都虛擬出一套完整的操作系統。部署應用時需要為每個虛擬系統都配置運行環境應用在微服務上時，由于一個應用系統被分解成不同服務，部署及維護難度將大幅升高。容器技術是一個可移植，跨平臺的解決方案，將它用于微服務可以大幅提高部署以及維護的效率。容器技術調用內核接口，通過內核共享的方式運行，容器之間共享內核并完全隔離[5]。從移植的圖中可以看出，虛擬容器占用了更少的物理資源，增大了發布能力，同時虛擬容器技術為系統級虛擬技術，啟動和停止相對于傳統虛擬技術更快，也使部署在上面的微服務比傳統虛擬技術有更好的移植性。微服務之間通過暴露的API供其他接口調用，實現微服務之間的進行通信，接口由URL請求地址、請求、相應消息等組成[11]。

3.3 架構設計實現

電樁管理平臺架構設計，目標是將現有的電樁管理平臺的業務服務進行拆分，獨立成微服務，建設成一個個高性能獨立的子系統聚合的平臺。

基于當下業界最火的Spring Cloud 去實現這微服務的架構。微服務整體架構如圖1。

圖1 微服務整體架構

下面詳細介紹微服務整體架構的主要特點。

3.3.1安全認證

整體系統的安全由API網關控制,ss鑒權邏輯統一網關過濾器判斷。當用戶未認證時，網關路由到登錄接口，登錄成功生成TOKEN，返回給調用方。后面TOKEN作為用戶憑證去控制其權限[12]。過程如圖2。

3.3.2高可用注冊中心

服務注冊中心在這個架構中顯得尤為重要，所有的服務提供者和發布者都依賴注冊中心,所以采用主備的方式多注冊中心，每個注冊中心的收到服務注冊/續約/下線等請求都會轉發給其他注冊中心，始終保持注冊中心狀態一致[13]。服務注冊流程如圖3。

(1)完善公平競爭機制。在人才管理體制上，地方國有平臺公司組織不能夠以單一的政績作為考量依據，而應該站在社會經濟發展、國家戰略發展需求指導上，利用競爭機制、建立業績型、能力型的人才管理體制，建立培養方向、人才選拔多樣化的機制，淡化平臺公司崗位的權利意識，強化責任和目標，對員工開展問責制管理模式，讓管理、業務能力較強的人承擔更多的責任、更大的職能，并且以職責為中心、以能力為基礎，

3.3.3接口超時容錯處理

通過服務熔斷器Hystrix(也可以稱為斷路)、降級、限流(隔離)、異步RPC等手段控制依賴服務的延遲與失敗。

圖2 網關服務鑒權流程

圖3 服務注冊流程

熔斷器為每一個依賴服務維護一個線程池(或者信號量)，當線程池占滿，該依賴服務將會立即拒絕服務而不是排隊等待。

每個依賴服務都被隔離開來，熔斷器會嚴格控制其對資源的占用，并在任何失效發生時，執行失敗回退邏輯[14]。

熔斷器開關由關閉到打開的狀態轉換是通過當前服務健康狀況和設定閾值比較決定的，服務的健康狀況=請求失敗數/請求總數。Hystrix服務調用的內部邏輯如圖4。

圖4 Hystrix服務調用的內部邏輯

3.3.4服務狀態監控(圖5)

圖5 服務狀態監控

3.3.5充電樁通訊服務改造

針對電樁是TCP直連到服務器，設計時進行了優化，把和電樁通訊的服務全部獨立出去，與平臺業務系統隔離。充電樁和服務器對應關系存在ConfigServer，網關自定義網關路由規則，實現平臺動態向樁發送控制命令[15]。電樁通訊服務流程如圖6。

圖6 電樁通訊服務流程

4 結論

將微服務架構應用于充電樁管理平臺的優點顯著，采用基于虛擬容器的微服務架構來構建平臺，能將軟件從硬件中分離出來，既增加了系統維護下，擴張性，易于部署管理，又使得技術路線可以靈活應用，同時還解決了平臺下物聯網異構問題。除此之外，其分布式設計又易于通過API實現跨服務通信。從而，可以將充電樁相關應用系統整合到充電樁管理平臺系統中，提供充電樁所需的各類信息化應用，滿足后期充電樁行業發展需求。

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Charging pile management platform based on microservice architecture

WU Jie, ZHOU Jie, FU Xulun

(Shenzhen Yingkere Technology Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)

With the rapid increase of business and functions of charging pile management platform, the traditional single-block architecture model is too complex to deal with. At the same time, it has to face the problems of low development efficiency and difficult maintenance of code in the later stage. Combining the current network technology, mobile application technology and cloud technology, a charging pile management platform based on micro-service architecture is proposed and implemented by establishing a unified inter-service communication mechanism, service registration and discovery mechanism, service gateway and other components. Finally, the framework design of charging pile management platform under micro-service architecture is analyzed and discussed. The micro-service scheme of charging pile management platform solves the problems of inconsistent standards and complex structure, and provides a solid technical support for realizing low coupling, easy scalability and high scalability of the platform.

microservice; management platform; charging pile; system architecture

2018-12-01

吳 潔(1989—)，男，學士，工程師，研究方向為應用軟件；E-mail: 291218887@qq.com

周 杰(1990—),男，學士，工程師，研究方向為應用軟件；E-mail:418087535@qq.com

符敘倫(1990—),男，學士，工程師，研究方向為應用軟件。E-mail:13790403112@163.com