汽車行業工業APP云平臺設計架構分析

侯慶坤 董長青 歐培培 趙甲 薄冉

摘 要：隨著工業互聯網技術的蓬勃發展，工業APP云平臺成為國內外企業爭相研究的熱點領域。但目前在汽車行業，國內還缺少一個統一的工業APP云平臺進行資源的整合和管理。同時大量工程經驗知識缺乏數字化的繼承，制約了汽車行業更好更快地發展。對汽車行業工業APP云平臺設計架構進行分析，設計了云平臺的整體功能架構，簡要介紹了平臺各層級的功能實現以及平臺架構特點，對云平臺構建過程中的OpenStack設計架構和微服務架構進行分析，為云平臺的實現提供了重要技術手段。汽車行業工業APP云平臺建設對汽車行業數字化改革具有重要參考意義。

關鍵詞：汽車行業工業APP云平臺;Openstack設計架構;微服務架構

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2020）04-99-05

Analysis of the design framework of APP cloud platform for automotive industry

Hou Qingkun¹， Dong Changqing²， Ou Peipei¹， Zhao Jia¹， Bo Ran¹

（ 1.China Automotive Data （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300380; 2.Tianjin University， Tianjin 300072 ）

Abstract：?With the vigorous development of industrial Internet technology， the industrial APP cloud platform has become a hot area for domestic and foreign companies to compete for research. But in the automotive industry， there is still a lack of a unified industrial APP cloud platform for resource integration and management in China. At the same time， the lack of digital inheritance of a large amount of engineering experience and knowledge has restricted the automotive industry to develop better and faster. Analyze the design framework of the industrial APP cloud platform in the automotive industry， design the overall functional architecture of the cloud platform， briefly introduce the functional implementation of each level of the platform， and the characteristics of the platform architecture. Analysis provides an important technical means for the realization of the cloud platform. The construction of the APP cloud platform for the automotive industry has important reference significance for the digital reform of the automotive industry.

Keywords： Automotive industry industrial APP cloud platform; Openstack design architecture; Microservice architecture

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： B??Article ID： 1671-7988（2020）04-99-05

引言

工業APP是指基于工業互聯網，承載工程知識經驗，面向特定工業場景的工業軟件。最近幾年伴隨著工業互聯網技術的蓬勃發展，政府相關部門也推出了一系列的政策對工業APP進行推廣，并提出了“培育百萬工業APP”的目標^[1]。國內外企業已早早在此領域進行布局，建立了一系列技術先進的工業互聯網平臺。GE于2013年推出了Predix平臺，開創了借助工業互聯網進行工業APP開發的先河^[2]。海爾的Cosmoplat云平臺以用戶實際需求為驅動，打造具有自主知識產權的工業APP定制平臺^[3]。此外，還有西門子、航天云網、浪潮等一批企業對工業互聯網平臺的建設和工業APP的培育進行了研究^[4]。但作為現代工業中的明珠-汽車行業，目前還沒有建立一個統一的工業互聯網平臺來支撐汽車行業工業APP的培育和管理。汽車行業常年的工程實踐中積累了大量的知識和經驗，缺乏數字化的方法對這些知識經驗進行繼承。汽車行業工業APP從數量到質量都不能滿足汽車行業數字化發展的需要。在此基礎上，本文提出了對面向汽車行業的工業APP云平臺設計架構進行研究，給出了平臺功能架構和關鍵技術架構，期望以此筑建汽車行業工業APP的孵化平臺和管理平臺，為汽車行業工業技術軟件化提供助力。

1 汽車行業工業APP云平臺架構

1.1 云平臺功能架構

汽車行業工業APP云平臺立足于工業互聯網技術和汽車行業特色，按照功能和業務分層原則，可分為數據采集層、軟硬件網絡環境、云服務基礎層、工業PaaS層、工業APP層。汽車行業工業APP云平臺的整體功能架構如圖1所示。

平臺各層級之間采用標準體系接口，實現信息交互和數據流通，以統一的安全體系構建系統軟硬件和信息安全防護。最底層的數據采集層面向企業研發生產過程，打通了云平臺與生產過程的信息鏈。軟硬件網絡環境層和云服務基礎層在硬件設備基礎之上通過虛擬化技術搭建起云服務基礎，并提供云服務管理規則。工業PaaS層以通用PaaS平臺和行業組件庫構筑起應用服務部署基礎，提供面向服務層的微服務組件工具和應用開發環境。分層的云平臺架構設計便于系統功能的模塊化搭建和模塊化管理。各層級按照功能進行解耦，避免了開發和部署過程中的互擾，由統一體系進行連接，保證平臺功能的完備性。通過整合各層的資源，向外輸出云資源服務、工業PaaS服務和工業APP服務。

1.2 平臺各層級功能

平臺各層級的主要功能如下：

（1）數據采集層通過預留的API接口，對車企的生產數據和研發仿真模型信息進行獲取，以TCP/IP報文形式上傳至信息匯總接口，完成信息的采集、存儲、分析，輔助企業對過程數據進行深加工，提取高價值信息，優化生產流程。數據采集層的基本架構如下所示：

（2）軟硬件網絡環境以OpenStack為核心進行構建，為平臺提供了硬件基礎設施和虛擬化資源。以大容量、高性能的服務器、存儲設備、安全設備作為起云平臺運行的硬件基礎，實現大數據云計算的安全、穩定運行。OpenStack實現了云系統在硬件設備上的部署，搭建了軟件系統和硬件系統之間的橋梁。借助虛擬機QoS來保證系統資源的合理化分配，避免資源的搶占和浪費;內部網絡通過VPN實現信息交互;分布式路由（DVR）技術解決了跨子網的虛擬機通訊;大頁內存技術完成了裸機和虛擬機之間的調度和管理。軟硬件網絡環境的基本框架如下所示：

（3）云服務基礎層與軟硬件網絡環境共同構成了云平臺的IaaS層。該層主要負責云平臺的運營管理，包括用戶管理、權限管理、日志管理、流程管理等，確保平臺運行和云服務規范化、科學化。

（4）工業PaaS層主要由通用PaaS平臺和汽車行業工業組件庫兩部分組成，二者有機結合共同為工業APP提供開發和運行環境。通用PaaS平臺以中間件為媒介，通過DevOps服務設計，構建平臺開放特性，加速平臺一體化開發進度。在通用PaaS平臺上將汽車行業工業組件庫進行加載部署，建立汽車行業工業APP應用開發環境，以微服務組件形式集成到云平臺。同時依托容器技術和微服務組件，提供SaaS層應用服務的分布式運行環境。工業PaaS層基本功能架構如圖4所示。

（5）工業APP層是平臺的主要功能層，也是面向行業輸出服務的窗口。該層向下與工業PaaS層進行對接，完成云環境的調用和云數據的傳遞，向上通過部署其中的行業APP資源和API數據接口對客戶輸出行業智力資源，用戶通過訪問云平臺實現對APP和行業數據的調用。在工業APP的部署上，采用基于微服務架構的云平臺分布式處理技術，提高系統的集成能力和數據處理能力。工業APP層通過廣域網絡進行資源傳輸，只需客戶端瀏覽器登陸平臺賬號，即可享用平臺資源，減少本地資源配置。

1.3 平臺架構特點

平臺的設計架構覆蓋了底層硬件、數據采集到面向汽車行業用戶的資源輸出，具備資源虛擬化、高擴展性、高可靠性、高經濟型、彈性云計算等特點，實現了軟硬件的高效結合、資源利用的最大化。

（1）資源虛擬化

將硬件基礎資源虛擬化，構建云平臺軟件系統的運行環境，保證硬件系統和軟件系統有機結合;將服務資源虛擬化，支持用戶在任何地點和環境下享受云計算服務，并能夠使用多種終端設備獲取數據應用服務。

（2）高擴展性

在不影響用戶使用云計算的前提下，及時實現平臺的擴展增容。這種動態擴展可自下而上，分層完成，以統一架構方式和標準實現動態融合，滿足用戶平臺使用需求。

（3）高可靠性

以多級哈希值計算實現分布式存儲數據，滿足大數據系統在分布式存儲過程中的動態擴展和高效定位需求。

獨立的備份和容災模塊增強數據安全冗余，多租戶隔離機制避免了信息互擾和竊失，為云平臺提供高可靠性的云計算服務能力。

（4）彈性云計算

實時監控資源使用，基于業務情況，采用自動負載均衡，彈性調控資源用量，緩解高峰資源并發運行的緊張態勢，低峰時段縮減容量，提高資源利用率。

2 OpenStack設計架構分析

汽車行業工業APP云平臺的高效、穩定、安全運行依賴于有效運維管理和科學資源調用。OpenStack為平臺提供了整體運維管理的引擎，實現了多級數據統一管理。

2.1 OpenStack功能架構

OpenStack的主要目的是實現硬件資源的虛擬化，承擔云平臺虛擬資源使用功能^[5～7]。在平臺各基礎硬件設備上建立虛擬層，作為上層操作系統的運行環境，對各類數據信息進行運維管理。同時該虛擬層將各種硬件設備整合為一個統一整體，共同協作，通過操作軟件來管理資源輸出。虛擬層使硬件設備和軟件系統實現分離，可由多個操作系統或應用程序共同使用硬件資源，建立多個互不干擾虛擬機來運行操作系統。虛擬化技術將硬件資源抽象化，打造靈活調用、輕便管理的資源池，實現平臺硬件基礎的高效集合、實時遷移。

OpenStack由多個具備HA能力的控制組件共同組成，各控制節點啟用Neutron的L3功能。其基本功能架構如圖所示：

上圖中可以看出OpenStack的基本功能分為四大部分，基礎服務（數據庫和消息隊列）、計算、存儲、網絡，統一由控制臺進行控制，同時設置API接口，用于內外信息交互。

2.2 OpenStack的節點組成

一個完整的OpenStack項目由四大集群組成：控制節點集群，計算節點集群，存儲節點集群以及網絡節點集群。

（1）控制節點集群

管理基礎服務，對數據庫服務和消息隊列服務進行管理，保證項目的數據存放和消息通信。提供項目的認證、鏡像、計算、網絡、UI面板服務，對虛擬機的建立和生命周期運行進行管理。同時支持擴展服務的管理，包括塊存儲、對象存儲等。

（2）計算節點集群

計算節點主要負責虛擬機的建立、運行、遷移等服務，并提供與控制節點之間的任務關聯以及與網絡節點之間的信息交互。同時作為監控代理對虛擬機的運行情況進行監控，反饋至控制節點。

（3）存儲節點集群

存儲節點主要提供塊存儲和對象存儲功能。塊存儲對虛擬機擴展了存儲空間，保證虛擬機完成更多的功能操作。對象存儲為對象虛擬出存儲空間，該存儲空間僅可實現對象的存儲功能，無法進行修改操作。同時存儲節點可通過網絡端口實現與控制節點連接，接受控制節點控制，并與計算節點和網絡節點進行信息交互。

（4）網絡節點集群

網絡節點主要負責網絡服務功能，提供私有網絡和公有網絡之間、虛擬機內外之間的信息溝通。網絡節點包含三個端口，可分別實現與控制節點的通信、與存儲節點和計算節點通信、與外部虛擬機和網絡之間通信。

2.3 OpenStack主要組件介紹

OpenStack的主要功能通過一系列組件實現，這些組件共同構成了OpenStack的API服務，主要組件如下所列：

（1）Horizon：提供web的接口，實現OpenStack的內外服務交互。

（2）Nova：提供虛擬機的管理服務，實現全生命周期管理。

（3）Neutron：實現OpenStack的網絡連接，為創建的虛擬機提供網絡服務。

（4）Swift：實現數據對象的存儲管理等服務。

（5）Clinder：提供塊存儲服務，用于創建和管理塊存儲。

（6）Keystone：用戶身份管理，同時管理服務目錄。

（7）Glance：完成虛擬機鏡像的管理工作。

（8）Ceilometer：監控云平臺的使用狀況。

上述組件之間的關系如圖6所示：

從上圖中可以看出，面板（Horizon）為系統提供UI管理界面;監控（Ceilometer）為系統提供監控功能;認證服務（KeyStore）為系統提供用戶認證;塊存儲（Clinder）為VM提供卷存儲;鏡像（Glance）為VM提供鏡像服務;計算（Nova）為VM提供資源服務，發起創建VM請求;網絡（Neutron）為VM提供網絡服務。

3 微服務架構介紹

云平臺存在大數據、多并行的服務特點。微服務架構可搭載平臺應用、實現資源調度輸出、支撐多任務分布式并行處理，滿足云平臺服務需求^[8]。微服務架構聚合了多個微服務功能，采用復雜系統去中心化模式，將不同功能業務定制到獨立的微服務模塊中，減少彼此間的耦合度，降低多任務的并發運行成本和系統宕機風險，實現功能任務的輕量化和定制化。

基于Spring Cloud的微服務架構如圖7所示：

其中，Eureka集群可實現微服務的彈性注冊和實現，在微服務運行的過程中，可在Eureka中注冊其服務名稱、服務地址等信息，以便于實現服務查詢。Ribbon集群解決了Eureka僅支持單循環條件的負載均衡，同時具備配置負載均衡和故障容錯的能力，自動捕獲Eureka中信息進行內容填充。ConfigServer可提供集中式配置服務，實現微服務的橫向擴展，分別更新不同版本的系統配置內容。Hystrix可為分布式系統提供通用故障容錯實現模式，完成系統智能熔斷和恢復，同時可提供來自各熔斷機制的重要指標。API網關對外部客戶端發出的請求進行處理，完成請求轉發、合成和協議轉換，對外部客戶端而言，API網關相當于客戶端的定制化API。Spring-Security提供若干過濾器，攔截進入請求，協同認證和訪問管理器對進入請求進行處理，提高安全管理性能。Zuul通過加載動態過濾機制，實現驗證與安全保障、審查與監控、動態路由、壓力測試、負載分配、靜態響應處理等功能。

基于微服務架構的應用模式通過平臺微服務框架和API接口，實現工業APP的快速開發、及時部署，以及行業內數據信息的開放式訪問，從而提高云平臺整體的并發性能和擴展性能，完成APP在線開發、應用在線使用、行業數據信息在線共享，構建汽車行業智力資源的一體化輸出平臺。其應用模式如圖8所示：

4 結束語

云平臺作為工業互聯網技術發展的重要成果，對汽車行業的發展，乃至現代工業技術的發展，有巨大的推動作用。本文通過分層設計，展示了云平臺的整體功能架構和實現手段。運用OpenStack架構搭建了平臺硬件設備和操作軟件之間橋梁，通過硬件虛擬化技術為軟件運行創建了使用環境，奠定了云平臺的軟件基礎和云化基礎。微服務架構的部署為云化APP的分布式應用創造了條件，解決大數據情況下的并發運行問題。二者自下而上的串聯起了云平臺的硬件、軟件、應用，共同構成了平臺從云架構到云服務的技術基礎。以云化開發環境、云化APP和云化數據的服務模式，實現整合汽車行業優質資源，推動汽車行業工業技術軟件化的進程，助力汽車行業標準化、自動化、智能化發展。

參考文獻

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