充電樁共享服務平臺技術架構設計

史宏杰　朱永亮

摘 要：針對于目前國內充電樁服務平臺的問題，本文對于充電樁共享服務平臺進行完整的技術架構設計。從總體方案，存儲系統設計，備份恢復設計三個方面，詳細的闡述了如果構建高性能，高并發，穩定可靠的分布式平臺。為破解構建一個基于O2O模式的公共充電服務體系，完成一套萬臺級、服務于O2O充電服務的線上信息管理系統和千臺級智能網聯公共充電樁構成的線下服務網絡，提供可行的技術路徑。

關鍵詞：充電樁；服務平臺；分布式系統

1 引言

隨著我國電動汽車保有量的不斷提升，對于充電樁的需求越來越大。但是目前國內現有充電服務企業規模較小、充電服務所需的資源分散、商業模式創新面臨體制機制約束等原因，我國充電基礎設施發展的進程還遠滯后于消費者充電需求，這已成為制約新能源汽車產業發展的瓶頸。那么構建一套完善的充電樁服務平臺，并為用戶提供良好的服務成為當務之急。

本文介紹了一種充電樁共享服務平臺的技術架構方案，為解決目前充電樁平臺的問題，提供了可行的路徑。

本項目受張江專項資金“基于互聯網的電動汽車公共充電服務網絡建設”支持，支持號：201505-JD-C105-061。

2 總體方案設計

2.1 設計原則

對于整個新能源后臺系統，海量數據、高并發是本系統的特點，其運行穩定性和高可用性至關重要。因此，需要通過高可用性設計來盡量減少系統的計劃內和計劃外停機，并在系統出現故障時及時響應、快速恢復，以保障關鍵數據和業務系統的運行穩定性和可持續訪問性。

系統在應用軟件架構設計中從通信層、消息處理層、業務處理層等不同層面通過多種措施和策略的綜合設計來提高應用系統的高可用性和穩定性。在數據接入部分的設計中，考慮設置負載均衡、應用軟件分布部署、故障隔離等機制。

2.2 設計思路

采用成熟、穩定的云計算平臺，云平臺支持公有云、混合云、專有云等多種部署方式，提供多數據中心容災及支持，提供多種安全防護技術，如防止Ddos攻擊等，提供云主機和云服務的實時監控。

采用高效率、大容量的實時消息接入，支持高效率數據傳輸及多種通信協議，如TCP＼HTTP＼MQTT等協議，支持大容量數據傳輸，久經市場考驗，具有線性擴展能力，可以根據業務發展按需擴展。

采用大容量、線性擴展的分布式數據存儲，大容量數據支持，按需線性擴展，支持讀、寫分離，支持高效率的讀取和寫入。

采用實時數據處理及監控平臺，提供零編碼的數據分析及模型配置工具，提供實時業務數據計算及分析能力。

采用分布式服務框架，提高業務的處理能力及重用度，自動服務注冊及服務發現，支持應用全生命周期管理，構建共享業務能力中心，提高對業務的并發及大容量處理能力。

2.3 架構思路

系統分為數據接入層、數據處理層、分布式數據庫層、數據統計分析層、業務邏輯層、表現層、軟件系統管理層和云平臺層。

數據接入層，主要對接不同廠家的充電樁和運營商平臺，基于阿里負載均衡SLB服務，實現網關的分布式部署，達到數據接入的動態可擴展及接入服務穩定運行。數據處理層，包括對于接收數據的解密、解析，并對于數據做容錯防錯的處理?；诎⒗锏南㈥犃校瑢崿F數據的分布式消費和處理。分布式數據庫層，基于阿里的DRDS分布式數據庫服務，采用表格存儲數據庫、RDS關系數據庫和Redis內存數據庫集群。數據統計分析層，實時或者定時的對于充電樁實時數據、檔案數據或日志數據等做統計分析。業務邏輯層實現系統要求的主要業務功能，包括：充電樁檔案管理、報警管理、報表管理、錯誤信息處理。表現層為瀏覽器端，包括基礎信息展示、運維管理、報警處理、統計分析結果等其他功能界面。軟件系統管理包括用戶管理、權限管理、部門管理和安全管理。日志系統，包括系統運行日志、用戶操作日志和充電樁數據日志的收集、存儲、清洗和分析工作。云平臺，包括云主機、云服務產品和云安全產品等。

2.4 架構特點

架構分為四個主要模塊。包括：分布式接口集群，阿里消息隊列，分布式業務應用集群和分布式數據庫集群。

分布式接口集群包括，充電樁數據接口服務、管理平臺接口服務、數據接口服務。

充電樁數據模塊負責與充電樁進行數據對接，相關數據日志存入日志系統， 充電樁接口模塊技術特點：單機（4C 8G）支持2萬以上TPS，并發連接數10萬以上；無狀態，可以橫向擴展，集群支持的處理能力及并發連接數無上限，可在線增加。

Web管理平臺負責用戶使用瀏覽器操作Web管理平臺的功能；第三方系統數據接口服務負責和外部的系統進行數據的交換。均由負載均衡服務SLB和分布式Web接口容器組成。（圖1）

Web應用模塊提供4層（TCP協議）和7層（HTTP協議）的負載均衡服務?？梢詫蠖薊CS進行健康檢查，自動屏蔽異常狀態的ECS，待該ECS恢復正常后自動解除屏蔽。

提供會話保持功能，在Session的生命周期內，可以將同一客戶端請求轉發到同一臺后端ECS上。

分布式消息隊列集群，支持消息海量堆積，單Topic可堆積100億條以上消息。單條消息默認直達支持256K，最大可到4M。公有云單Topic支持10萬以上TPS，單機支持47萬以上TPS。

分布式業務應用集群，包括檔案管理服務、實時數據服務、運營服務、報警管理服務和統計分析服務。該應用集群作為系統的核心功能模塊，負責處理從消息隊列獲取的數據，進行邏輯處理，同時對于數據庫進行操作。

存儲模塊負責存儲充電樁實時數據以及業務相關的關系數據。采用分布式數據服務。存儲模塊技術特點，讀寫分離、線性伸縮、應用透明；負載均衡、異構索引、小表廣播、全局唯一ID等功能特性；采用Redis作為系統的高速緩存服務，分布式部署，提高可用性。

2.5 架構說明

架構充分利用云基礎設施平臺服務（IaaS）、分布式平臺服務（PaaS）實現平臺的可高用、易擴展優勢，實現高并發的充電樁接入能力。采用消息隊列或者對外接口的方式與大數據平臺無縫對接。

擴展性分為，性能擴展和存儲擴展。性能擴展，平臺采用基于公有云的分布式服務框架，可以動態快速的根據業務量，進行服務的平行擴展。存儲擴展，平臺采用基于公有云的分布式數據庫服務，可以根據數據存儲的要求做到容量的動態擴展。

數據管理，與大數據平臺對接可以采用直接消費消息隊列的方式和采用第三方接口的方式。推薦采用第一種方式，處理更加高效，并且避免產生丟失數據的問題。采用表格存儲數據庫的特性，數據分為熱數據和冷數據，達到數據的分層，并通過配置足夠的數據庫容量滿足存儲3個月數據的需求。實時、歷史、報警、報表等數據，根據數據的類型存入相應的數據庫中，并建立主鍵進行關聯，方便導出。對外接口服務，可以根據需求調用這些數據，提供給第三方。

數據接口，采用更加標準的RESTFul接口提供數據的對接。分布式的接口服務，可以針對大量的接口調用，提供很好的服務性能。接口采用RSA加密的方式加密數據。

2.6 系統功能

系統功能包括：檔案管理、實時監控、報警處理、遠程控制、訂單管理、報表管理和用戶管理（圖2）。

檔案管理包括，采用關系數據庫存儲檔案數據，并采用該外鍵關聯相關表。在redis內存數據庫中，保存相關數據的索引，降低關系庫的使用頻率，提交系統效率。定義數據源類型，以區分外部系統數據。保存數據的系統更新時間和版本。

實時監控包括，充電樁的最新一條實時數據，采用存redis中調用的方式，提高頁面的響應速度。充電樁的歷史數據從高速的數據庫中調用，并考慮查詢的周期，以控制數據量的大小。根據索引，進行多數據源數據的組合調用，獲取頁面需要展示的數據。

報警處理包括，實時報警信息存儲于redis和關系庫中。歷史報警信息存儲于表格存儲中。報警結束完成后，從關系庫中同步到表格存儲中。

遠程控制包括，控制指令通過阿里云消息隊列發往充電樁，可以在充電樁網絡出現問題時，保證下發指令的不丟失和補發。用戶管理模塊對于用分配遠程控制權限。用戶在遠程控制時，需要輸入密碼進行再次保護。數據接口通過SSL通道加密，RSA數據加密的方式，提供第三方應用進行接口調用。管理控制流程：從控制指令下發到充電樁應答成功等環節，記錄所有的消息以及處理邏輯日志。基于公有云強大的服務性能和應用系統微服務架構，做到控制指令的時效性滿足系統要求。

訂單管理包括，管理訂單從預約開始到支付完成的所有狀態。管理每一個用戶的訂單。訂單進行統計。

報表管理包括，根據業務需求開發相應的統計分析模塊或者大數據平臺的spark算法。采用第三方主流的前端控件，美觀并高效的展示統計分析結果。統計分析數據提供web端導出功能和對外的加密數據接口。實時數據統計分析，可以根據需求采用定時任務的方式。統計分析結果調用郵件服務器或者第三方短信接口，進行發送。

用戶管理包括，關系數據庫建立用戶、角色、權限、資源、部門表，并進行外鍵關聯。用戶管理功能實現用戶建立，所屬部門、角色建立、權限分配等功能。前端通過session的時效來管理用戶超時登錄。用戶賬號加密存儲于數據庫中，賬號密碼可以重置和修改。

3 存儲系統設計

根據存儲系統的建設需求，在全新的云平臺存儲網絡環境中，我們采用最新的分布式數據庫服務來建設公共信息服務平臺的存儲平臺。

基于分布式服務，采用關系型數據庫RDS用于保存系統的靜態數據和相關業務數據；采用表格存儲用來存儲海量的充電樁的實時數據（圖3）。

采用Redis內存數據庫作為系統的緩存，用于存儲系統運行過程中公共且使用頻率很高的數據。考慮到數據分析的效率，在數據庫中增加了企業編號、樁型編號、樁編號和區域編號作為索引字段。為了避免單表的數據量過大，采用分庫分表的方式來進行存儲。并且每個月生成一張新表來保存實時數據。

3.1 方案設計優勢

分庫分表：在后端將數據表水平拆分到后端的每個數據庫中，這些數據庫被稱為分庫，對應的表稱為分表。由每個分庫負責每一份數據的讀寫操作，從而有效的分散了整體訪問壓力。多種貼合OLTP業務的拆分方案，讓操作聚焦少量數據，提升操作效率，利用分布式特性，并行操作選項，超越單機關系型數據庫的操作響應時間。

平滑擴容：不影響業務，靜默完成數據庫存儲擴容。

讀寫分離：通過添加只讀實例線性增加數據庫讀能力，幫你處理好事務、備機掛、強制走主實例或只讀實例等各種細節。

冷熱數據：利用云平臺表格存儲特性，將三個月以上的數據轉為冷數據，并對數據進行壓縮處理。統計分析數據可在更長時間內作為熱數據保存。

4 備份恢復設計

作為服務平臺，需要防范可能的災難發生造成的數據丟失和系統問題。本系統采用云平臺多可用區域云服務和數據庫跨地域數據容災的方式，提供數據的可靠性和安全性方面的保障。

多可用區域云服務和數據庫跨地域數據容災是指利用技術、管理手段以及相關資源確保既定的關鍵數據、關鍵數據處理系統和關鍵業務數據備份在與源數據不同的位置，并在災難發生后可以恢復的過程。

4.1 多可用區實例

云平臺為全世界多個地域提供云計算服務，每個地域（Region）都包含多個可用區（Zone）。同一個地域下的可用區都被設計為相互之間網絡延遲很?。? ms以內）以及故障隔離的單元。

云平臺數據庫服務單可用區主實例運行在同一個可用區下的兩臺物理服務器上，可用區內機柜、空調、電路、網絡都有冗余。通過異步/半同步的數據復制方式和高效的HA切換機制，為用戶提供了高于物理服務器極限的數據庫可用性。

為了提供比單可用區實例更高的可用性，支持多可用區實例（也叫做同城雙機房或者同城容災實例）。多可用區實例將物理服務器部署在不同的可用區，當一個可用區（A）出現故障時流量可以在短時間內切換到另一個可用區（B）。整個切換過程對用戶透明，應用代碼無需變更。

4.2 跨域容災實例

云平臺數據庫服務多可用區實例的容災能力局限在同地域的不同可用區之間。為了提供更高的可用性，還支持跨地域的數據容災。用戶可以將地域A的實例A通過數據傳輸（Data Transmission）異步復制到地域B的實例B（實例B是一個完整獨立的實例，擁有獨立的連接地址、賬號和權限）。

配置了跨域容災實例后，當實例A所在地域發生短期不可恢復的重大故障時，用戶在另外一個地域的實例B隨時可以進行容災切換。切換完成后，用戶通過修改應用程序中的數據庫連接配置，可以將應用請求轉到實例B上，進而獲得高于地域極限的數據庫可用性。

4.3 備份恢復策略

平臺存在許多關鍵應用系統，其中數據構成了應用系統最重要的信息資產，因此，必須建立相應的備份和災難后快速恢復機制，以保障重要業務的連續性。

項目采用多可用區實例方式實現系統數據備份和恢復的方式來解決該問題。

可用區A和可用區B在同地域作為生產級的平臺，當用戶訪問的時候隨機訪問到A或B。A和B會同步做數據復制，保證數據的一致性。

通過異步復制的方式將數據備份到B可用區的數據庫中，由于網絡通信延遲的問題，正常情況下備份數據庫不對外進行數據服務，只是做為備份庫使用。 當可用區A發生短期不可恢復的重大故障時，用戶在可用區B的實例隨時可以進行容災切換。切換完成后，用戶通過修改應用程序中的數據庫連接配置，可以將應用請求轉到可用區B實例上，進而獲得數據庫的可用性。

5 結語

本文對于充電樁共享服務平臺進行完整的技術架構設計。從總體方案，存儲系統設計，備份恢復設計三個方面，詳細的闡述了如果構建高性能，高并發，穩定可靠的分布式平臺。為破解構建一個基于O2O模式的公共充電服務體系，完成一套萬臺級、服務于O2O充電服務的線上信息管理系統和千臺級智能網聯公共充電樁構成的線下服務網絡，提供可行的技術路徑。

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