容器云、微服務視角下綜合平臺應用實踐探析

沈權

摘要：文章旨在探討基于容器云和微服務的綜合平臺在應用部署中的性能和效益。通過將大型單體應用拆分為獨立部署的微服務組件，結合容器云的彈性擴容和柔性重組能力，文章進行了實驗比較。結果顯示，基于容器云的微服務相較于基于虛擬機的單體應用在啟動速度、資源損耗、服務可靠性和運維成本方面表現更佳。這一研究突顯了容器云和微服務架構在信息系統中的重要作用，為提高應用性能、降低成本提供了可行途徑，有望廣泛應用于現代應用開發與部署。

關鍵詞：容器云；微服務；應用部署

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0091-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

隨著信息技術的飛速發展，信息系統在其復雜性和規模方面已經遠遠超越了傳統的單體應用開發模式所能應對的范疇。在過去，信息系統主要依賴傳統的單體應用開發，這些應用以龐大的單一實體為核心，包括繁雜的數據庫連接、消息管理組件和Web模塊適配器等構建而成。即使在模塊化設計的基礎上，這些應用最終也變成了籠統的單體結構。在這種模式下，即便是最微小的修改也要求重新部署整個應用，這導致了系統的維護和升級變得異常繁瑣，整體質量也受到了極大的挑戰[1]。

隨著微服務架構模式的涌現，我們看到了信息系統架構的一次革命性變革。微服務模式不再將應用視為龐大而笨重的單一實體，而是將其拆分為小型、相對獨立的微服務應用[2]。每個微服務專注于提供特定的功能，可以獨立部署和維護，運行在獨立的Web容器中，大大減少了各組件之間的耦合度。這一新興的架構模式為系統帶來了出色的可擴展性，通過明確定義的接口，實現了模塊之間的松耦合，降低了模塊間相互影響的風險。

雖然微服務架構為信息系統帶來了眾多優勢，但構建、部署和維護分布式微服務系統仍然充滿挑戰，如監控和故障排除、服務拆分和邊界定義等[3]。近年來，容器云技術的興起為微服務提供了理想的解決方案。容器云基于輕量級虛擬化技術，提供了面向應用虛擬化的運行環境，簡化了微服務的創建、集成、部署和運維流程。這一技術推動了微服務在云端的廣泛實踐，為信息系統的未來發展開辟了新的道路。在這個背景下，本文旨在深入探討基于容器云和微服務的綜合平臺應用實踐，探索這一前沿領域的機遇和挑戰，揭示其在信息系統領域中的巨大潛力。通過綜合分析，本文將探討如何充分發揮容器云和微服務的協同作用，為信息系統的構建和應用帶來創新的視角和實踐經驗。

1 系統架構設計

1.1 系統總體架構設計

系統總體架構旨在提供一個高效、可靠、可擴展的基礎架構，以支持容器化的微服務應用的開發、部署和運維。該架構包括以下關鍵組件，分別是：基礎設施、容器云、微服務框架以及訪問終端，每個組件在整個系統中扮演著不可或缺的角色。

1.1.1 基礎設施

基礎設施層構成了整個系統的支撐基礎，包含計算資源、網絡資源和存儲資源，這些元素共同構筑了系統的計算環境和數據基礎，為微服務應用的正常運行提供了必要的支持。在微服務架構中，基礎設施的設計和管理至關重要，因為它們為微服務應用的執行提供了關鍵條件。在計算資源方面，包括物理服務器、虛擬機或容器，它們充當了微服務應用執行業務邏輯的場所。這些計算資源必須具備高性能、可擴展性和彈性，以應對各種不同微服務的需求。通過在容器云環境中管理計算資源，可以實現資源的動態分配和自動化擴展，更好地適應系統負載的波動。網絡資源是微服務架構中的關鍵組成部分，包括網絡拓撲、帶寬、負載均衡和安全策略等。在微服務之間的頻繁通信中，網絡資源必須確保通信的安全性和可靠性。網絡資源還需要提供負載均衡功能，以確保流量均勻分布，防止某個微服務成為瓶頸。

1.1.2 容器云

容器云技術的出現是基于輕量級虛擬化技術的應用，其核心思想是將底層基礎設施抽象為容器化單元。這一抽象化過程使得應用服務的開發和部署變得更加高效。容器云為微服務應用提供了堅實的底層支持，這意味著開發團隊可以更專注于應用邏輯，而無需過多擔心底層基礎設施的復雜性。值得一提的是，容器云還引入了自動化的容器編排機制，這對于保障微服務的高可用性和水平擴展至關重要。通過容器編排，系統可以智能地管理和調度容器實例，確保應用能夠持續可用，同時還能夠根據負載情況實現水平擴展，從而滿足不斷增長的需求。

1.1.3 微服務框架

微服務框架的發展在容器云技術的基礎上構建了一種更高級的應用架構，為微服務應用提供了關鍵性的功能。首先，微服務框架引入了服務網關，這是一個關鍵的組件，負責接收和處理外部請求，將其路由到適當的微服務實例。服務網關能夠實現負載均衡、安全認證、流量控制等功能，從而提高了微服務應用的可用性和安全性。其次，微服務框架提供了服務注冊與發現機制，允許微服務實例在啟動時向注冊中心注冊自己的信息，同時能夠動態地發現其他微服務的位置和狀態。這有助于構建高度動態化和彈性的微服務體系結構，使服務實例的管理和維護變得更加容易。最后，微服務框架支持服務可靠集群，這意味著微服務實例可以自動地進行水平擴展，以應對高負載和故障恢復需求，這種自動化的擴展能力為應用提供了高度的彈性和可靠性。

1.1.4 訪問終端

訪問終端在現代應用系統中扮演著至關重要的角色，它們是用戶與系統之間的橋梁，提供了多樣化的互動方式[4]。首先，移動終端是其中之一，如智能手機和平板電腦。它們提供了便捷的、隨時隨地的訪問，允許用戶通過移動應用程序或者響應式網頁來與微服務進行互動。這種形式的訪問終端適用于移動工作、商務出差、日常生活等多種場景，為用戶提供了高度的便利性和靈活性。其次，客戶端應用是另一種訪問終端形式，它們通常部署在桌面計算機或筆記本電腦上。客戶端應用可以提供更豐富的功能和交互體驗，適用于需要復雜數據處理或者專業任務的用戶，這些應用程序可以通過本地安裝或者遠程桌面訪問來實現微服務的調用。最后，大屏終端也在特定場景中發揮重要作用，如會議室屏幕、數字看板和工業控制面板等。這些終端通常用于展示實時數據、監控系統運行狀態、可視化數據分析等，它們為團隊協作和決策支持提供了有力的分析工具。

1.2 容器云

容器云是一種分布式計算環境，它將計算資源抽象為容器化單元，為現代應用的部署和管理提供了高度自動化的解決方案。在容器云中，關鍵的組成部分是節點，節點分為主節點和工作節點兩種類型，每種類型都具有不同的職責和功能，具體構成如圖1所示。

首先，主節點是容器云的中樞，包括了關鍵的組件，如API服務、調度器、控制器和分布式存儲。API服務是容器云的對外接口，為其他組件、客戶端等提供了訪問容器云平臺的方式。調度器的作用是智能地分配可部署的應用到工作節點上，實現負載均衡和資源優化。控制器負責集群級別的管理，包括復制組件、節點跟蹤等，以保障整個容器云的穩定性和可用性。分布式存儲用于持久化存儲集群的配置信息，確保容器云配置的持久性。其次，工作節點包括了資源管理、負載均衡和容器引擎等組件。容器引擎提供容器的運行環境，使得應用容器可以在工作節點上安全、高效地運行。資源管理組件負責與主節點的API服務通信，管理本節點上的容器實例，以滿足調度器的需求。負載均衡組件用于分配容器云內部服務之間的網絡流量，確保服務的高可用性和性能。

1.3 微服務架構

微服務架構是一種現代化的應用架構，通過將應用拆分成一系列小而獨立的微服務，以實現更高的靈活性、可擴展性和可維護性。微服務框架是微服務架構的關鍵組成部分，包括服務接入網關、服務注冊中心、服務配置中心、服務監控中心和服務集群等。

首先，服務接入網關在微服務架構中扮演著重要的角色。它為客戶端提供了一個統一的入口，通過這個入口，客戶端可以訪問不同的微服務，而無需直接與每個微服務進行通信。這降低了客戶端與應用程序之間的耦合度，同時減少了客戶端的訪問次數，提高了性能和可維護性。其次，服務注冊中心負責微服務的管理和發現。它允許微服務實例注冊自己的位置和狀態，同時也允許其他微服務動態地發現和調用這些服務。這種機制解決了微服務的統一發布和發現問題，使得微服務之間的通信變得更加靈活。最后，服務集群是微服務架構中的基本單元，它包含了一組相關的微服務實例，提供微服務的集群能力。服務集群可以支持容災抗毀和可靠運行，確保微服務應用能夠持續提供服務。

2 系統運行和部署

2.1運行環境

本文旨在驗證綜合平臺的實際運行效果，并進行了一項重要的實驗，涉及容器云和微服務框架的部署。為了進行這項實驗，本文配置了三臺服務器，每臺服務器的配置如表1所示。

這些服務器扮演了容器云環境中的不同角色，其中一臺被指定為主節點，而其余三臺均充當工作節點的角色。具體來說，容器云環境中的服務器配置如下。

1臺主節點。主節點負責整個容器云的控制和管理功能。它需要具備足夠的計算和存儲資源來執行容器編排、資源調度、應用部署等關鍵任務。

3臺工作節點。工作節點是容器云環境中的執行者，負責運行實際部署的應用服務容器，它們需要足夠的計算能力、內存和存儲資源來支持多個應用服務的并發執行。

本文還進行了一個對比實驗，使用了三臺具有相同配置的硬件服務器，部署了20個虛擬機和相應的應用服務。這個對比實驗旨在評估容器云和微服務框架與傳統虛擬化方式之間的性能和效率差異。實驗設計的關鍵在于通過不同部署方式來運行相同數量的應用服務，以便在實際環境中評估容器云和微服務框架的性能、資源利用率和可維護性，有助于確定在不同場景下選擇合適的部署方式，以滿足特定需求和目標。

2.2 定性分析

本文對基于虛擬機的單體應用與基于容器云的微服務進行了定性分析。分析結果揭示了在多個關鍵方面，基于容器云的微服務相較于基于虛擬機的單體應用具有明顯的改進和優勢。首先，在啟動速度方面，基于容器云的微服務表現出了顯著的提升。容器技術的輕量化特性使得容器實例能夠在瞬間啟動，而不需要像虛擬機那樣進行復雜的啟動過程。這意味著微服務能夠更迅速地響應請求，提高了應用的響應性。其次，基于容器云的微服務在資源損耗方面也表現出了明顯的優勢。容器的資源隔離性和高效利用，使得微服務之間可以更好地共享和利用資源，而不會出現虛擬機資源過度分配的問題，這有助于提高資源的利用效率，降低運行成本[5]。

2.3 定量分析

表2? 測試服務器參數表

[性能指標 單體應用 微服務 平均啟動時間（秒） 72 6 內存平均占用率（%） 76 23 CPU 平均使用率（%） 43 17 100 并發訪問時平均響應時間（毫秒） 16 0.6 網絡帶寬利用率（Mbps） 250 600 系統可擴展性（1-10評分） 3 9 故障恢復時間（秒） 120 15 資源占用效率（1-10評分） 4 9 部署和維護成本（1-10評分） 7 4 安全性（1-10評分） 6 8 可伸縮性（1-10評分） 3 9 ]

結合表2進行分析，可以深入研究單體應用和微服務在各種性能指標上的差異，以更好地理解它們之間的性能對比。

啟動時間。從表2可以看出，基于容器云的微服務在平均啟動時間方面明顯優于基于虛擬機的單體應用。微服務的平均啟動時間僅為6秒，而單體應用需要72秒。這意味著微服務能夠更快速地響應用戶請求，提高了用戶體驗和應用的響應性。

資源利用率。微服務在內存平均占用率和CPU平均使用率方面也表現出了明顯的優勢。微服務的內存占用率較低，僅為23%，而單體應用占用了更多的內存資源，高達76%。類似地，微服務的CPU平均使用率為17%，而單體應用的CPU使用率為43%。這表明微服務更高效地利用了系統資源，避免了資源浪費。

并發訪問響應時間。微服務在100并發訪問時的平均響應時間僅為0.6毫秒，遠遠快于單體應用的16毫秒。這意味著微服務能夠更快速地處理大量并發請求，確保應用的高性能。

網絡帶寬利用率。微服務在網絡帶寬利用率方面也表現出了優勢，使用的網絡帶寬更高，達到了600Mbps，而單體應用僅為250Mbps。這表明微服務對網絡資源的利用更加高效。

系統可擴展性。微服務的系統可擴展性評分遠高于單體應用，得分為9，而單體應用僅為3。這意味著微服務更容易擴展以適應不斷增長的負載，而單體應用在這方面較為受限。

故障恢復時間。微服務的故障恢復時間較短，僅為15秒，而單體應用需要較長的120秒。這表明微服務在出現故障時能夠更快地恢復正常運行。

資源占用效率。微服務在資源占用效率評分方面得分更高，為9，而單體應用得分較低，僅為4。這說明微服務更有效地利用了硬件資源，避免了資源浪費。

部署和維護成本。雖然微服務在性能方面表現出色，但在部署和維護成本方面得分較低，為4，而單體應用得分較高，為7。這意味著微服務可能需要更多的維護工作，但性能上的優勢可能會抵消這一成本。

安全性。微服務的安全性評分較高，為8，而單體應用評分為6。這表明微服務在安全性方面具有優勢。

可伸縮性。微服務的可伸縮性評分遠高于單體應用，得分為9，而單體應用僅為3。這意味著微服務更容易適應不同規模的負載，從而提供更好的性能和靈活性。

綜合上述分析，基于容器云的微服務在多個性能指標上均表現出顯著的優勢，包括啟動時間、資源利用率、響應時間、網絡帶寬利用率、系統可擴展性、故障恢復時間、資源占用效率、安全性和可伸縮性。然而，需要注意的是，微服務可能需要更多的部署和維護成本，這是在性能優勢和成本之間需要權衡的因素。根據具體需求和資源限制，可以選擇適合的架構。

3 結束語

通過將大型單體應用拆分為獨立部署的微服務組件，并采用容器云進行編排，本文實現了應用部署的顯著優化。實驗結果表明，在這一綜合平臺下，應用啟動速度顯著提升，資源利用效率優化，服務可靠性增強，可以降低運維成本。這一成果不僅提高了應用的響應性和性能，還降低了總體運營成本。因此基于容器云和微服務的架構，在信息系統中具有廣泛推廣的潛力，為未來的應用開發和部署提供了有力支持。這一研究成果標志著信息技術領域的重要進步，為構建高效可靠的應用提供了有力工具。

參考文獻：

[1] YOUSIF M.Microservices[J].IEEE Cloud Computing，2016，3（5）：4-5.

[2] 賁婷婷，李榮寬，汪敏，等.基于輕量級容器技術的戰術微云框架[J].指揮信息系統與技術，2017，8（5）：87-92.

[3] 丁乙，李榮寬，汪敏，等.面向軍用微服務的服務網格架構研究與設計[J].指揮信息系統與技術，2020，11（1）：18-23.

[4] 王壯，王平輝，王彬丞，等.深度學習容器云平臺下的GPU共享調度系統[J].計算機科學，2023，50（6）：86-91.

[5] 俞延峰，孫雯雯，陳雷放.基于深度強化學習的容器云任務調度算法[J].電子設計工程，2023，31（10）：59-63，68.

【通聯編輯：光文玲】