基于Rancher的DevOps應用于智慧校園的研究

施曉權，林平榮，楊俊欽，陳沛倫

（廣州軟件學院軟件研究所，廣州 510900）

0 引言

隨著《教育信息化2.0 行動計劃》的頒布，中國教育信息化邁進了“2.0”時代。智慧校園作為教育信息化的更高級形態，高校需要在此新時代的機遇與挑戰中，依托大數據、物聯網、人工智能、區塊鏈等新興技術，為智慧校園的建設提速。《“十三五”國家信息化規劃》明確指出，高校要把握技術變革趨勢，聚力建設智慧校園，推動教育智慧化轉型［1］。在智慧校園建設過程中，高校在教學、管理等方面演化出繁多的信息化系統，隨著建設推進，系統規模也日益龐大［2］。為了滿足智慧校園的可持續活躍，需要持續的優化迭代升級與運維來保障，而教育政策的變革、智慧校園系統日益頻繁變更的需求、新老技術的更新迭代，這些都需要龐大的變更和維護成本。此外，軟件開發與運維已經進入容器時代，構建環境容器化早已應用于各大規模的項目中，連貫的工作流程和流水線也需要一種方便易上手的方案。基于此，構建一套既滿足發展需要，又能銜接陳舊系統的開發迭代方案對于智慧校園轉型是十分必要的。本文圍繞高校轉型智慧校園背景，提出基于Rancher 的DevOps 平臺，來降低開發迭代的成本，降低持續活躍的難度系數，提高產品發布的容錯性，借助用戶反饋加速產品迭代，推進智慧校園建設，促進高校教育信息化踏上新階段。

1 Rancher簡介

目前容器管理的標準是Kubernetes，Kubernetes 也被大多數的云廠商作為標準的基礎設施對外提供。Rancher 支持對所有的Kubernetes 集群進行集中化創建和管理，用戶可以通過Rancher 提供的UI 界面進行點擊操作即可管理Kubernetes 集群，不再需要執行復雜的腳本命令。這為高校信息化系統上Kubernetes 提供了可行性。而Kubernetes 可以實現容器自動化部署、自動化擴容、自動故障遷移等，在各種信息化系統數量及規模日益龐大的智慧校園場景中，如果高校如果能夠基于Kubernetes構建，其中的價值不言而喻。

Rancher 是一款開源的企業級容器管理工具。Rancher 提供了在生產環境中使用的管理Docker和Kubernetes 的全棧化容器部署與管理平臺，主要由基礎設施編排、容器編排與調度、應用商店和企業級權限管理四部分組成。Rancher 的運行僅需主機具有CPU、內存、硬盤和網絡資源即可，并且可以運行在任何Linux 主機中，因此Rancher 可以運行在各種公有云或私有云上。此外，Rancher 的各種服務是通過容器化部署的，具有靈活的容器編排與調度機制和嚴密的企業級權限管理機制，這些讓Rancher 具備了通用、高可用和安全等特性。

Rancher 由五層架構組成。最底層是基礎的虛擬化環境，可以使用VMWEAR 搭建或者由各大云廠商提供；第二層是運行在虛擬化環境的各種Linux 主機；第三層是各種基礎硬件和網絡服務；第四層是用戶管理、由Docker Swarm、Kubernetes 等各種容器編排管理工具組成的容器編排管理服務等；第五層是運行在容器上面的各種應用。五層架構說明如圖1所示。

圖1 Rancher五層架構說明

2 基于Rancher的DevOps方案

Meyer［3］提出實現持續集成系統的關鍵因素是版本控制和持續集成服務器。Armenise［4］提出Jenkins 可以實現持續集成和自動化的構建,通過Jenkins 可以實現持續交付。張兆晨和羅鐵堅［5］在他們的基礎上，提出了一種基于Jenkins和Docker的CCI 持續集成系統,提出代碼管理、持續集成和持續交付的一體化工作流方案。但并沒有實現容器的管理和部署編排工具, 缺乏可視化的用戶管理界面。在高校中，專業且職責單一的運維人員比較少，低門檻、高可用的運維平臺是高校運維人員優先的選擇，因此，本文提出一種基于Rancher 的DevOps 方案，不僅可以達到一體化代碼管理、持續集成和持續交付，而且可以通過可視化的用戶管理界面進行容器編排管理、滾動發布，并實現了自動化部署、自動化擴容、自動故障遷移等，降低了運維的門檻和成本。

基于Rancher 的DevOps 方案主要借助Gitlab、Jenkins、Maven、Nexus、Docker Registry 等工具，構建高可用的自動化DevOps平臺。開發人員在編碼階段通過GitLab 版本管理工具對代碼進行版本管理，初次編寫完成后上傳到Gitlab，通過Jenkins 自動觸發構建動作，DevOps 會自動拉取代碼，通過腳本使用Maven進行打包并上傳到Nexus私服上，之后執行容器化部署操作，將最新的代碼打包成docker 鏡像，并發布到Docker Registry私服上，之后發布到Rancher 集群環境下的Kubernetes 上，通過Rancher 進行監控服務狀態，同時Jenkins 會將代碼發送到Sonar 進行審查，審查結果會通過Sonar 告訴開發人員，對存在隱藏Bug的地方，開發人員可以根據修改建議進行修正。開發人員對程序代碼進行迭代操作時，再次自動構建時，DevOps 會自動再次執行以上操作，唯一不同的是發布到的Kubernetes 上時是通過滾動發布的形式，會自動對服務逐個進行升級，不需要停止對外服務即可依次完成更新升級。運維人員可以進行指定版本代碼，打上標簽標記發布到生產環境，Rancher 會根據調度規則創建指定代碼的服務，運維人員也可以根據Rancher 提供的可視化監控界面，實時查看CPU 使用率、內存使用率、磁盤壓力、Pod、Service 等各種的資源情況，根據實際需求情況在Rancher 對各服務進行調整。基于Rancher的DevOps方案如圖2所示。

圖2 基于Rancher的DevOps方案

3 遺留系統過度到DevOps方案

在智慧校園的建設中，新的信息化系統采用新技術開發，可以直接使用DevOps方案，但更多的需要考慮舊系統的改造，讓其平穩過度到智慧校園中。教育信息化的發展過程存在階段性的差異，在教育信息化推薦的過程中，技術也在不斷的迭代更新，國內高校在教育信息化初期發展過程中普遍對信息化認知不足，缺少頂層設計與規劃，導致信息化建設各項標準未能完全統一，各業務模塊之間存在壁壘，出現了各種“煙囪式”信息化系統［6］。為了迎合政策變化、需求變更，不斷在現有系統堆砌業務，加上開發和運維人員流動、文檔缺失等因素，越來越多的系統逐漸演化成遺留系統（legacy system）［7］。應用系統分散，業務不協調，日積月累，導致大部分高校普遍存在“信息孤島”現象，嚴重阻礙了智慧校園發展的融合［8］。

遺留系統對高校的發展決策具有重大意義，管理層可以利用數據分析、數據挖掘等新技術從遺留系統中挖掘出潛在的數據價值，為今后的發展決策提供寶貴的數據資料。隨著技術的發展，老技術不再適合現有的業務場景，也將逐步淘汰，相對應的專業人才也逐步減少，這給遺留系統的維護、迭代帶來了一定的挑戰。在微服務、DevOps 技術還沒有出現之前，對遺留系統的遷移是舉步維艱，牽一發而動全身，不可能做到既能保持現有業務穩健運行，又能逐步對遺留系統進行改造，而且對遺留系統的改造還需要耗費巨大的人力物力。DevOps 的出現，讓遺留系統的改造具備了可行性。遺留系統過度到DevOps可以分為兩步走。第一步是數據遷移，遺留系統過度到智慧校園，必然是由新系統接替，但其積累的大量彌足珍貴的數據如何平穩遷移到新系統是必須優先考慮的，結合系統遷移的需求，可以采用縱向劃分的辦法，根據功能模塊對數據進行劃分，設計新的數據庫，再通過ETL 工具將數據遷移到新的數據庫，逐步的對數據進行遷移。在新系統沒有完全改造完成、停止舊系統使用前，新老數據庫同時使用，定時同步，確保數據的一致性。第二步是系統改造，大部分的遺留系統都是初期的信息系統演變而來，大多數是整體部署的項目，一個項目就一個工程，沒有按功能模塊劃分，所有的功能實現都放在里面，高度耦合，只能統一部署。對遺留系統的改造，可以根據現有的業務場景進行功能劃分，并選擇第一步劃分好所需要的數據庫，采用模塊化、按需逐步的開發方式，使用DevOps做到快速開發，縮短改造的工期和所需的人力物力。

通過以上的改造，無論是新老系統，都可以在DevOps 上進行迭代開，做到系統之間的解耦，逐步使用新系統替換遺留系統，通過Rancher 還可以做到系統的滾動升級，不需要停機也可以做到系統升級。后續如果需要對系統服務再次升級改造時，只需要選擇對應的服務進行升級即可，這樣就可以做到業務和技術同時不斷迭代更新，不會再產生新的遺留系統。

4 DevOps平臺搭建

通過Vmwear 平臺，虛擬出一臺4 核8 G 的Centos7 主節點和兩臺4 核8G 的Centos7 從節點，構建了基于Rancher 的DevOps 平臺。將基于Racher的DevOps應用到智慧校園下的統一身份認證平臺和智慧校園建設中的智慧迎新項目（由迎新遺留系統迭代演變而來），驗證平臺的可行性。具體環境配置如表1所示。

表1 環境配置

通過Jenkins 安裝好Git、SonarQube Scanner、Shell 等相關的插件，構建一個Maven 的項目，配置從Gitlab 拉取代碼并設置鉤子，當開發人員提交代碼時會觸發鉤操作，在Jenkins定義構建shell腳本，通過自定義腳本，對代碼進行編譯、打包，再通過Docker-compose 根據預先編寫好的Dockerfile 構建程序的Docker 鏡像，完成后通過Post Steps 發送通知給Rancher，并將代碼發送到SonarQube 對項目代碼進行審查，SonarQube 會自動發送檢測報告郵件給提交者。Rancher 接收到Jenkins 的通知后，根據預先設定好的命令對容器進行更新啟動。雖然實驗過程遇到不少挫折，如安裝Rancher 集群時需要預先開放好端口或者關閉防火墻，否則集群會搭建失敗，Jenkins 搭建需要通過命令預先修改為國內源，否則會在初始化階段失敗，導致搭建失敗，最終將兩套代碼部署到平臺上，部分構建過程日志如圖3 所示，驗證了基于Rancher的DevOps的可行性。

圖3 構建日志

5 總結

基于Rancher 的DevOps 平臺在高校智慧校園建設過程中，為遺留系統的改造提供了可行性，節約改造成本，避免新遺留系統的產生，也讓新系統的開發可以高效交付，快速迭代。通過平臺實現容器化部署、自動化運維，統一部署環境，做到一次構建到處運行，降低部署成本和人工參與的頻率，避免陷入瑣碎且易犯錯的盲區。通過平臺的實踐使用，為高校在智慧校園建設中搭建DevOPS和遺留系統的改造提供借鑒。