信息系統(tǒng)自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境的設(shè)計與應(yīng)用

周春云 周思遠(yuǎn) 朱洪斌

隨著國產(chǎn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，信息系統(tǒng)建設(shè)力度的逐步加大，現(xiàn)役信息系統(tǒng)急需進(jìn)行國產(chǎn)化適配改造，針對這一建設(shè)，急需結(jié)合自主可控發(fā)展現(xiàn)狀，開展自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境研究與設(shè)計，加快解決制約信息系統(tǒng)自主可控發(fā)展中的瓶頸，推動信息系統(tǒng)的國產(chǎn)化替代進(jìn)程，從根本上擺脫對國外基礎(chǔ)軟硬件的依賴。

信息系統(tǒng)主要由終端、服務(wù)器、交換機以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)等要素組成，其中在基礎(chǔ)軟硬件方面，以美國為主的發(fā)達(dá)國家擁有巨大的“技術(shù)閥門”優(yōu)勢，在體系標(biāo)準(zhǔn)、重點軟件和關(guān)鍵技術(shù)等方面領(lǐng)先于其他各國，牢牢占據(jù)信息技術(shù)的“制高點”。長期以來，我國絕大部分信息系統(tǒng)都是運行在國外設(shè)備上，信息系統(tǒng)的安全性問題日漸突出。

隨著我國信息技術(shù)的發(fā)展，自主可控生態(tài)環(huán)境正逐步完善，但是在推進(jìn)過程中還存在實際問題，僅從信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐環(huán)境來看，國產(chǎn)Linux操作系統(tǒng)未能實現(xiàn)類似Windows SDK或者Android SDK的開發(fā)和運行支撐能力，基礎(chǔ)軟硬件多線發(fā)展、兼容性差，難以形成整體合力，不利于信息系統(tǒng)的升級發(fā)展。

針對信息系統(tǒng)“強內(nèi)聚、松耦合”的設(shè)計特點，結(jié)合自主可控發(fā)展現(xiàn)狀，構(gòu)建公共基礎(chǔ)支撐環(huán)境，制定統(tǒng)一的開發(fā)、運行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，整合系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，為各類信息系統(tǒng)提供通用的基礎(chǔ)環(huán)境，實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的信息共享和互操作，全面保障信息系統(tǒng)的自主可控建設(shè)和升級發(fā)展。

自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境總體設(shè)計

總體結(jié)構(gòu)

自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境在信息系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮著“基礎(chǔ)底座”的作用。該環(huán)境依托自主可控基礎(chǔ)軟硬件發(fā)展成果，結(jié)合分布式、云計算、人工智能、自動化運維和高性能計算等先進(jìn)技術(shù)，以實現(xiàn)信息系統(tǒng)“分層解耦、兼容統(tǒng)一、通用共享、安全高效、持續(xù)發(fā)展”為目標(biāo)，開展系統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)境、平臺模塊和服務(wù)插件的設(shè)計，研制通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、服務(wù)化和模塊化的基礎(chǔ)支撐環(huán)境。

通過深入分析信息系統(tǒng)開發(fā)、運行使用要求，按照系統(tǒng)體系架構(gòu)進(jìn)行分層設(shè)計，包括基礎(chǔ)資源層、基礎(chǔ)環(huán)境層、基礎(chǔ)平臺層及應(yīng)用層，各層之間接口標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，可供上層調(diào)用引接。自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境主要涵蓋基礎(chǔ)環(huán)境層和基礎(chǔ)平臺層。

1.基礎(chǔ)資源層

資源層提供系統(tǒng)運行的硬件、固件、操作系統(tǒng)等各類基礎(chǔ)資源，支持集成公共基礎(chǔ)設(shè)施，兼容終端計算機、服務(wù)器、模塊化組合設(shè)備等各類硬件環(huán)境，通過對基礎(chǔ)資源的深度適配優(yōu)化，充分發(fā)揮國產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)性能。

2.基礎(chǔ)環(huán)境層

根據(jù)信息系統(tǒng)使用要求，自主可控支撐環(huán)境需要實現(xiàn)信息系統(tǒng)快速開發(fā)和兼容運行。通過構(gòu)建應(yīng)用基礎(chǔ)運行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)適配和部署運行的層次解耦，提升系統(tǒng)研制運行效率，保障應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

3.基礎(chǔ)平臺層

基礎(chǔ)平臺層提供信息系統(tǒng)運行所需的平臺支撐能力，包括云計算平臺、大數(shù)據(jù)平臺、并行計算平臺和地理信息平臺等。通過研制專用平臺和專用環(huán)境提升信息系統(tǒng)的中間層支撐能力，對上層應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、通用集成、安全高效的平臺層支撐。

4.應(yīng)用層

應(yīng)用層主要面向現(xiàn)役、在研的辦公、情報、決策支持、數(shù)據(jù)處理及綜合保障等各類信息系統(tǒng)的研制和建設(shè)過程，提供業(yè)務(wù)應(yīng)用所需的基礎(chǔ)支撐環(huán)境，提升自主可控開發(fā)適配和兼容運行能力。

作用特點

信息系統(tǒng)自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境具備如下特點：

提供統(tǒng)一架構(gòu)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一接口的運行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境，解決國產(chǎn)平臺適配周期長、效率低，中間件不完備和支撐能力弱等問題。

對信息系統(tǒng)急需的基礎(chǔ)庫和開發(fā)工具進(jìn)行補齊、優(yōu)化及版本接口統(tǒng)一，有效提升各類信息系統(tǒng)開發(fā)效率、降低集成聯(lián)調(diào)難度、縮短建設(shè)周期。

研制最小化基礎(chǔ)環(huán)境，針對信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)軟件中不同的應(yīng)用場景，在支撐環(huán)境中選擇安裝相應(yīng)的軟件包，這種安裝方式既不額外增加應(yīng)用響應(yīng)延時，也便于應(yīng)用的快速部署、升級維護(hù)和跨平臺遷移。

信息系統(tǒng)自主可控研制過程中使用大量的無法預(yù)估風(fēng)險的第三方插件和開源代碼，缺乏絕對安全、絕對可靠的運行保障，通過構(gòu)建基礎(chǔ)支撐環(huán)境，檢測并重構(gòu)不可控插件或源碼，通過代碼安全性檢測技術(shù)保障基礎(chǔ)環(huán)境的可靠、穩(wěn)定使用。

自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境技術(shù)實現(xiàn)

自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境是信息系統(tǒng)的重要支撐底座，采用“集研結(jié)合、繼承拓展”的設(shè)計思路進(jìn)行研制開發(fā)，主要功能模塊包括基礎(chǔ)支撐庫、運行環(huán)境、開發(fā)環(huán)境、云計算平臺、大數(shù)據(jù)平臺、并行計算平臺和地理信息平臺等。

基礎(chǔ)支撐庫

基礎(chǔ)支撐庫主要由計算加速庫、圖形處理庫、音網(wǎng)絡(luò)傳輸庫、消息通信庫、數(shù)據(jù)存儲庫、分布式處理庫和智能算法庫組成。基礎(chǔ)支撐庫提供信息系統(tǒng)軟件開發(fā)、適配和集成過程所需的基礎(chǔ)庫集合。解決信息系統(tǒng)基礎(chǔ)庫缺失、版本不統(tǒng)一、應(yīng)用性能薄弱和缺乏統(tǒng)一管理等問題。

基礎(chǔ)支撐庫在構(gòu)建時，會根據(jù)國產(chǎn)平臺特點進(jìn)行定制優(yōu)化，逐級進(jìn)行基礎(chǔ)庫性能提升，通過構(gòu)建統(tǒng)一、通用且完善的基礎(chǔ)支撐庫，全面支撐應(yīng)用自主可控的適配需求。

運行環(huán)境

運行環(huán)境主要面向前端業(yè)務(wù)插件和后端服務(wù)，提供統(tǒng)一的應(yīng)用運行環(huán)境，研制集成C/C++/JDK、Web、分布式集群等基礎(chǔ)運行環(huán)境，從版本、功能和接口等方面實現(xiàn)一致性，兼容國產(chǎn)飛騰、龍芯等基礎(chǔ)平臺，并通過逐級優(yōu)化、內(nèi)核調(diào)優(yōu)以及源碼裁剪等技術(shù)手段提升了運行效率，滿足應(yīng)用高效、穩(wěn)定的運行要求。

應(yīng)用運行環(huán)境具備強大的應(yīng)用運行支撐與集成應(yīng)用能力，支持多平臺、多應(yīng)用的國產(chǎn)化運行，采用先進(jìn)、科學(xué)的統(tǒng)一打包技術(shù)設(shè)計，將運行環(huán)境與應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一打包封裝，形成統(tǒng)一格式文件，有效地改變了應(yīng)用部署、運行模式，提升應(yīng)用部署效率。

開發(fā)環(huán)境

開發(fā)環(huán)境是業(yè)務(wù)軟件開發(fā)的必備條件，包括集成開發(fā)、編譯構(gòu)建、代碼遷移、代碼檢測等功能模塊。通過開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)對軟件的開發(fā)、調(diào)試、集成和測試，方便用戶的操作使用，提供軟件遷移改造功能，提升軟件從非國產(chǎn)平臺向國產(chǎn)平臺遷移效率。

開發(fā)環(huán)境是以國產(chǎn)Linux編譯工具或開源工具為基礎(chǔ)，提供自主可控平臺下的完整開發(fā)模式和開發(fā)工具，針對不同自主可控平臺提供同一版本，同一接口規(guī)范的基礎(chǔ)環(huán)境，實現(xiàn)多平臺差異下的快速開發(fā)適配驗證。

云計算平臺

云計算平臺主要包括虛擬化支撐引擎和云平臺資源管理調(diào)度軟件。通過在國產(chǎn)平臺上研制并適配虛擬化支撐引擎，將國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件資源形成虛擬資源，通過資源管理調(diào)度軟件實現(xiàn)虛擬資源的一體化管理調(diào)度，實現(xiàn)國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件的集中管控和集群構(gòu)建，完成對應(yīng)用服務(wù)的封裝，保障應(yīng)用快速部署和高效升級維護(hù)。云計算平臺提供可配置、按需調(diào)度的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源共享池，對上提供服務(wù)主機或容器。

大數(shù)據(jù)平臺

大數(shù)據(jù)平臺主要用于支撐信息系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)處理需求，完成海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲、計算、分析和檢索等功能，核心模塊包括分布式存儲軟件、分布式計算軟件和數(shù)據(jù)分析挖掘軟件。

大數(shù)據(jù)平臺以分布式文件存儲和分布式計算為基礎(chǔ)，將檢索查詢、圖算、機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和實時數(shù)據(jù)處理等大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)統(tǒng)一到一個基礎(chǔ)平臺下，并以一致的接口API公開，配套業(yè)務(wù)應(yīng)用存儲、計算、數(shù)據(jù)庫管理以及集群監(jiān)控管理等模塊，支持開發(fā)各類大數(shù)據(jù)處理、分析、多源數(shù)據(jù)提取和融合處理的相關(guān)應(yīng)用，為多源數(shù)據(jù)管理、多任務(wù)處理、決策支持等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供有效支撐。

并行計算平臺

并行計算平臺需要結(jié)合國產(chǎn)并行計算技術(shù)和自主可控發(fā)展現(xiàn)狀，重點分析研究基于OpenMP、MPI等傳統(tǒng)并行計算和基于異構(gòu)眾核并行計算的技術(shù)架構(gòu)、工作原理和實現(xiàn)途徑，結(jié)合信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求進(jìn)行定制化產(chǎn)品開發(fā)，形成具有國產(chǎn)化特色的并行計算能力，全面提升信息系統(tǒng)典型業(yè)務(wù)計算效率。

在平臺設(shè)計時，重點解決分布式資源調(diào)度與并行計算調(diào)度框架之間的動態(tài)協(xié)商和資源分配問題，滿足計算資源動態(tài)平衡和計算任務(wù)的熱備。同時，在應(yīng)用程序并行遷移改造過程中，通過代碼分析掃描，快速分析出應(yīng)用程序性能瓶頸，找出熱點函數(shù)，僅需少量人工查驗和修改，即可完成程序并行化改造，極大地降低了用戶并行程序改造難度。

地理信息平臺

地理信息平臺通過集成二維GIS、三維GIS功能，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決空間信息復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。

地理信息平臺研制過程中，重點突破國產(chǎn)硬件圖形加速、圖形庫優(yōu)化、圖像加載效率和二三維聯(lián)動顯示等技術(shù)難點，定制化圖形顯示驅(qū)動、應(yīng)用插件和API接口，支持二維、三維、2.5維可視化顯示，實現(xiàn)基于全球影像開發(fā)的空天地一體化信息展示平臺。

國產(chǎn)自主可控的基礎(chǔ)產(chǎn)品已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)囊?guī)模，急需在信息系統(tǒng)平臺推廣，但是在實際應(yīng)用過程中，還存在適配性、兼容性、穩(wěn)定性和易用性等問題，急需開展自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境的設(shè)計和應(yīng)用，推進(jìn)信息系統(tǒng)在國產(chǎn)平臺上高效、穩(wěn)定運行。下一步除了需要繼續(xù)完善基礎(chǔ)支撐環(huán)境的功能性能，更需要充分調(diào)研信息系統(tǒng)實際使用需要，從應(yīng)用需求入手，重視用戶的實用性和便捷性，打造更高效、更可靠、更全面的基礎(chǔ)支撐環(huán)境。