姚振 王萍 宮政 劉濤 唐軼軒

摘 要： 針對電力公司管理信息系統(tǒng)所存在的可拓展性、可維護性較差以及在敏捷開發(fā)和快速部署方面的劣勢，提出采用Spring Cloud平臺、微服務架構和輕量級容器技術相結合的以提升電力信息系統(tǒng)的持續(xù)集成和擴展能力的解決方案。其中微服務架構是一種具有靈活的技術選擇、可獨立地按需擴展和高可用性的先進架構;Spring Cloud作為開源技術架構則為信息系統(tǒng)的微服務化提供全面的技術支持;而Dockers所代表的容器技術則為微服務架構提供了一個獨立且不受干擾的部署環(huán)境。試驗表明，該解決方案具有計算效率好和運行穩(wěn)定的優(yōu)點。

關鍵詞： 微服務; 管理信息系統(tǒng); Spring Cloud; Dockers

中圖分類號： TP 315 ? ? ?文獻標志碼： A

Abstract： In view of the scalability， poor maintainability and disadvantages of agile development and rapid deployment of power company management information systems， this paper tries to improve the combination of Spring Cloud platform， micro service architecture and lightweight container technology. A solution for continuous integration and expansion capabilities of power information systems is proposed. The microservices architecture is an advanced architecture with flexible technology choices， independent on-demand scalability and high availability; Spring Cloud as an open source technology architecture provides comprehensive technical support for micro-services of information systems， and represented by Dockers the container technology provides an independent and undisturbed deployment environment for the microservices architecture. Tests have shown that this solution has the advantages of good computational efficiency and stable operation.

Key words： microservice; management information system; Spring Cloud; Dockers

0 引言

電力公司在信息化建設過程中，致力于通過將業(yè)務流程與信息技術的結合來提高管理效率。然而由于缺乏整體規(guī)劃和理論支持，導致電力公司管理信息系統(tǒng)的架構出現(xiàn)以下三個特征：（1） 單片架構成為主要的部署模式[1-3]。單片架構軟件系統(tǒng)在開發(fā)的早期階段易于調(diào)試，運行簡單，易于部署。電力公司我們需要做的只是將打包的信息系統(tǒng)復制到服務器上。通過在負載均衡器的后端運行多個無狀態(tài)服務副本，可以很容易地實現(xiàn)應用程序的橫向擴展，并且操作或維護的門檻很低。（2） 隨著需求的變化，電力公司管理信息系統(tǒng)逐漸變得復雜得多，新的開發(fā)人員無法弄清楚業(yè)務邏輯。因此，修復錯誤和添加新功能非常困難且耗時。最終，電力公司管理信息系統(tǒng)將陷入一個巨大的、難以理解的泥潭。（3） 傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)模式在成本和效率上沒有優(yōu)勢，限制了電力公司的信息化發(fā)展。單片架構的管理信息系統(tǒng)也使得采用新的體系結構和編程語言變得非常困難。最終，電力公司無法通過非擴展，低可靠性應用程序實現(xiàn)敏捷開發(fā)甚至快速部署。為此，本文提出基于微服務架構和輕量級容器技術進行電力公司管理信息系統(tǒng)的開發(fā)以解決上述問題。

1 相關研究

微服務體系結構（MSA）是一個提供了用于構建復雜軟件系統(tǒng)的細粒度、自包含的服務組件（微服務）的新興云軟件系統(tǒng)。基于SDLC（軟件開發(fā)生命周期）原則開發(fā)的電力公司管理信息系統(tǒng)所缺乏可擴展、可維護等諸多問題，促使電力公司管理信息系統(tǒng)從傳統(tǒng)的單片體系結構遷移到MSA。文獻[4]提出了基于SDLC的遷移過程，包括設計、開發(fā)和實現(xiàn)過程中所需的所有方法和工具。

設計良好的微服務架構和更好的質(zhì)量依賴于對相關質(zhì)量屬性的清晰理解。然而，目前對微服務體系結構中質(zhì)量屬性的理解還不夠全面。文獻[5]通過系統(tǒng)文獻綜述（SLR）、探索性案例研究和解釋性調(diào)查構建了建筑質(zhì)量屬性知識。通過分析相關質(zhì)量屬性的影響因素及相應策略，旨在為微服務體系結構的質(zhì)量改進提供全面的指導。

文獻[8]介紹了使用相同的可擴展場景開發(fā)和部署的Web應用程序與單片架構、私有云運營的微服務架構和由云提供商運營的微服務架構三種不同方法的成本比較。測試結果表明，與標準單片式架構相比，微服務可以幫助降低基礎架構成本。此外，使用專門用于部署和擴展微服務的服務可將基礎架構成本降低70%或更多。該研究還描述了實施和部署微服務信息系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。

容器虛擬化以其能夠以靈活的方式部署和管理物聯(lián)網(wǎng)設備中的微服務正在成為一種被普遍使用的技術。文獻[6]關注物聯(lián)網(wǎng)設備中的微服務可靠性，并提出了一種基于容器虛擬化的系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了物聯(lián)網(wǎng)云上所運行的微服務的故障容錯機制。

2 基于微服務架構的信息系統(tǒng)

2.1 基本思路

為了減少電力公司信息系統(tǒng)中子系統(tǒng)之間的耦合，通常將系統(tǒng)分成多個組件，這有助于分離組件邊界和職責。程序員可以通過獨立地升級或維護系統(tǒng)。面向服務功能組件的主要目的是將不同編程語言實現(xiàn)的功能組件封裝到服務中。然后，用不同編程語言編寫的客戶端程序對服務接口進行跨語言和跨環(huán)境調(diào)用，功能組件服務和跨語言服務接口調(diào)用的效果，如圖1所示。

2.2 微服務架構的設計原則

在電力公司管理信息系統(tǒng)開發(fā)的早期階段，信息系統(tǒng)通常采用提供服務列表的單片架構S（s1，s2，…，sx），單片架構示意圖如圖2所示。

由一組開發(fā)人員開發(fā)代碼。隨著應用程序的擴展，將添加更多的服務或開發(fā)人員，從而增加了啟動新功能或改進所需的復雜性和時間。

面向服務的體系結構（SOA）[7]解決了電力公司管理信息系統(tǒng)復雜性所導致的可運維性、可拓展性較差的問題。電力公司管理信息系統(tǒng)由一系列單片架構的信息系統(tǒng)（S1，S2，…，Sn）組成，每個信息系統(tǒng)通過不同的標準提供服務（如簡單對象訪問協(xié)議）。一些管理信息系統(tǒng)使用路由機制，例如企業(yè)服務總線（Enterprise Service Bus，ESB）[8]在各個電力公司管理信息系統(tǒng)之間路由和發(fā)送消息。SOA允許每個信息系統(tǒng)由按業(yè)務功能分組的不同開發(fā)團隊進行獨立開發(fā)，最后獨立開發(fā)的各個系統(tǒng)向SOA發(fā)布各自的服務接口，并由SOA向各個系統(tǒng)提供消息訂閱功能。

雖然SOA實現(xiàn)可以滿足某些電力公司管理信息系統(tǒng)的需求，但SOA存在非常復雜、昂貴，甚至耗時的問題[6]。SOA的一個典型實現(xiàn)是ESB，其被設計用于有效地支持具有大量用戶的電力公司管理信息系統(tǒng)。當面臨將ESB擴展到數(shù)十萬或數(shù)百萬用戶的挑戰(zhàn)時，SOA將成為創(chuàng)建高延遲和增加單一故障點可能性的瓶頸。因此，根據(jù)需要向ESB添加或刪除服務器是很復雜的。至于敏捷性，在ESB中需要大量的配置來滿足最終用戶的新需求，這將耗費大量的時間。

作為SOA的一個輕量級子集，MSA（Micro Service Architecture）吸收了SOA體系結構的優(yōu)點，避免了單片架構的相應問題。MSA是使用一組微服務構建信息系統(tǒng)的解決方案。MSA由多個服務以單獨的業(yè)務單元的形式組成，并通過適當?shù)募夹g圍繞指定的業(yè)務實現(xiàn)。每個微服務運行在一個獨立的進程中，依賴于獨立的自動部署機制，形成一個邊界清晰、內(nèi)聚性高的自治單元;微服務通過一些輕量級的通信機制進行通信，如RPC、HTTP等[9-10]。

為此，建議將管理信息轉換為一組微服務MS（MS1，MS2…msn），每個微服務都是提供服務的子集（s1，s2…sx）。開發(fā)團隊使用技術棧（包括表示層、服務層和持久層）獨立地開發(fā)和測試這些微服務，以便更適用于微服務提供的服務。開發(fā)團隊還負責在云計算iaas/paas解決方案上部署、擴展、操作和升級微服務[11-13]。在表示層中，使用表示狀態(tài)轉移（rest）發(fā)布服務[14]。微服務架構如圖3所示。

Spring Cloud是一個旨在簡化信息系統(tǒng)的開發(fā)和部署過程的全新Web框架。Spring Cloud包含一組功能良好、基于Spring Boot的輕量級微服務組件。Spring Cloud的主要特性有服務發(fā)現(xiàn)管理、服務容錯、服務網(wǎng)關和服務配置、負載平衡和消息傳遞。在總線和服務跟蹤方面，Spring Cloud框架也有經(jīng)過良好測試和成熟的組件。

Spring Cloud完整架構圖，如圖4所示。

Eureka實現(xiàn)了Spring Cloud中微服務的自動注冊和發(fā)布。Zuul用于動態(tài)路由和請求過濾。功能區(qū)是基于HTTP和TCP的客戶端負載平衡，從Eureka Registry獲取服務列表。 HyStrix是一種可以提高系統(tǒng)容錯能力的斷路器。Turbine是一種用于監(jiān)控微服務集群的工具。 Feign集成了Ribbon，為客戶端提供聲明性HTTP API。Spring Cloud Config為Spring Cloud框架系統(tǒng)提供統(tǒng)一的配置管理，并為服務器（Config Server）和客戶端（Config Client）提供支持。Spring Cloud總線的作用是將服務節(jié)點與輕量級消息代理（例如RabbitMQ）連接，并廣播配置文件的動態(tài)信息與服務之間的通信。Spring Cloud Sleuth集成了ZipKin，實現(xiàn)了微服務的監(jiān)控鏈路分析[15]。

微服務是一種先進的體系結構，但在系統(tǒng)復雜性和服務的持續(xù)集成方面存在著不可避免的缺陷。因此，本文引入了Docker技術來彌補微服務架構的上述缺陷。Docker是一個符合Apache2.0協(xié)議開源容器引擎，其使用輕量級虛擬化技術來實現(xiàn)資源隔離，并打包各種環(huán)境依賴項和應用程序，以促進應用程序的移植和部署。本研究將微服務打包成單獨的Docker鏡像，然后將它們推入私有鏡像數(shù)據(jù)庫。每次部署服務時，都會從私有鏡像庫中提取相應的鏡像，并根據(jù)預定的微服務運行鏡像。

2.3 實施技術

Spring Cloud框架是以Java語言為基礎，以統(tǒng)一的通信標準，將不同語言（如C++、.NET、Python、Matlab等）編寫的程序發(fā)布到微服務中。本文使用JNI（解決C++和Java通信問題）、進程間通信和RPC（遠程過程調(diào)用）等技術將底層系統(tǒng)通信接口作為Java程序的補充，從而解決了功能組件服務的通信問題。

一個簡單的服務組合示例，該示例由四個服務A、B、C和D組成。如圖5所示。

服務A獲取輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以由多個基本數(shù)據(jù)類型（整數(shù)、浮點數(shù)）和復雜數(shù)據(jù)類型（數(shù)組）的組合;輸出（X，Y）是兩個基本數(shù)據(jù)類型的組合。在客戶端遠程調(diào)用該服務組合之后，服務的內(nèi)部調(diào)用過程如下：

1） 服務A調(diào)用B.handle（數(shù)據(jù)）;

2） 服務B異步調(diào)用c.handle（data）;

3） 服務B異步調(diào)用d.handle（data）;

4） 服務C返回響應X;

5） 服務D返回響應Y;

6） 服務B在服務C和D都返回響應之后返回響應（x，y）。

構建上述微服務的算法如下：

微服務構建算法

1： mS ← 初始微服務列表

2： ts ← 微服務的時間閾值

3： S ← 功能列表

4： C ← 代碼庫

5： for s in S

6： c ← 在C中完成的代碼

7： mS.add（c）

8： end for

9： for mSi，mSj in mS

10： if correlation（mSi，mSj） > ts

11： mSi = merge（mSi，mSj）

12： end if

13： end for

使用Docker后微服務框圖，如圖6所示。

這四個微服務A、B、C和D獨立部署在Docker容器中，微服務A發(fā)起調(diào)用微服務B的請求，微服務B異步調(diào)用微服務C和D。這創(chuàng)建了一個復雜而完整的業(yè)務處理流程。將復雜的應用系統(tǒng)拆分為多個服務，每個服務具有單一功能和簡單的業(yè)務邏輯。每個微服務都在Eureka Server中注冊，微服務可以通過聲明性RESTful API調(diào)用。

3 實驗分析

實驗環(huán)境包括：配置Xeon處理器、16GB RAM的運行微服務的主機，在Linux3.9上運行Docker 1.6和Spring Cloud Dalston.SR5的主機，以及單獨運行每個容器的主機。試驗選擇了WSO2產(chǎn)品作為試驗環(huán)境的服務總線。測試和比較單片架構、ESB和本文所提的微服務架構這三種體系結構的性能。試驗所測量到服務時間的消耗包括（1） 用于請求服務的時間，（2） 用于接收響應消息的時間（3） 用于解析服務響應消息和描述的時間。為了獲得準確的數(shù)據(jù)，試驗啟動了多個重復調(diào)用請求。

如前所述，使用SpringCloud框架將電力公司管理信息系統(tǒng)重構為未耦合的微服務，并通過Docker技術將它們部署到服務器上。在本試驗中，使用四個微服務作為實驗條件。微服務A負責購電成本和銷電價格的查詢。微服務B用于統(tǒng)計售電量。微服務C為購電合同的概述，如季度購電成本等。微服務D根據(jù)損益信息指定下一季度的購電計劃。

為了從中準確評估這些微服務的運行性能，試驗在沒有加載管理系統(tǒng)的前提下反復運行這些微服務，性能試驗結果，如表1所示。

試驗對不同系統(tǒng)架構下管理信息系統(tǒng)的運行性能的反復測試的結果，如表2所示。

在不同服務調(diào)用數(shù)量下，三個系統(tǒng)架構的運行性能的試驗數(shù)據(jù)對比如圖7所示。

通過分析表1、表2和圖7的試驗數(shù)據(jù)，可以得出結論：由于內(nèi)部通信成本幾乎為零，單片架構的平均時間開銷最小，平均運行時間為63.24 ms;對于微服務架構和ESB，微服務架構的平均時間損失為54.25 ms，優(yōu)于ESB的 65.42 ms，這使得使用微服務架構重建電力公司管理信息非常合理。由圖7可知，隨著服務調(diào)用數(shù)量增長，微服務架構沒有明顯下降，因此可以預見采用微服務架構構建電力公司管理信息系統(tǒng)將具有良好的運行穩(wěn)定性。

4 總結

隨著電力公司管理系統(tǒng)的規(guī)模越來越龐大，對快速響應功能需求的要求越來越嚴格，傳統(tǒng)的軟件系統(tǒng)架構已經(jīng)不能滿足需求。微服務架構作為新興的系統(tǒng)架構為軟件開發(fā)人員提供靈活的軟件構建方法，可以有效應對更頻繁的軟件更新和滿足更短的交付周期的需求，成為電力公司部署管理系統(tǒng)新的架構選擇。本文闡述了Spring Cloud和Docker所構建的系統(tǒng)架構能夠實現(xiàn)面向組件和面向服務的服務管理，增強了服務的持續(xù)集成和擴展能力。試驗也表明了該系統(tǒng)架構具有計算效率良好，運行穩(wěn)定的優(yōu)勢。因此基于Spring Cloud和Docker的微服務架構具有成為電力公司重構管理信息系統(tǒng)的最佳解決方案的潛力。

參考文獻

[1] 李慧春，王成喜，朱曉旭.基于Docker的Linux在線實驗環(huán)境[J].實驗技術與管理，2019，36（3）：47-50.

[2] 徐曉耘，左松林，倪妍妍.基于微服務架構的電力營銷信息系統(tǒng)研究[J].信息技術，2019（2）：160-166.

[3] 劉曉東，趙曉芳，陳雅靜，等.基于服務能力模型的微服務彈性資源供給機制[J].高技術通訊，2019，29（1）：1-11.

[4] 方意，朱永強，宮學慶.微服務架構下的分布式事務處理[J].計算機應用與軟件，2019，36（1）：152-158.

[5] 趙子晨，朱志祥，蔣來好.構建基于Dubbo框架的Spring Boot微服務[J].計算機與數(shù)字工程，2018，46（12）：2539-2543.

[6] 張琦.基于Docker的CaaS管理平臺架構研究與設計[J].計算機應用與軟件，2018，35（11）：33-41.

[7] 馮顯力，韋化，韋洪波，等.含微服務的調(diào)度自動化系統(tǒng)分布式實時數(shù)據(jù)庫[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2018，46（21）：138-144.

[8] 程偉華，周捷，趙亞.基于微服務架構的電力系統(tǒng)拆分方法[J].信息技術，2018，42（10）：115-119.

[9] 徐琛杰，周翔，彭鑫，等.面向微服務系統(tǒng)的運行時部署優(yōu)化[J].計算機應用與軟件，2018，35（10）：85-93.

[10] 承林，王海寧，高春成.微服務在電力交易系統(tǒng)中的應用研究[J].電網(wǎng)技術，2018，42（2）：441-446.

[11] 龍新征，彭一明，李若淼.基于微服務框架的信息服務平臺[J].東南大學學報（自然科學版），2017，47（S1）：48-52.

[12] 張松，疏官勝，李京.容器微云監(jiān)控系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[J].中國科學技術大學學報，2017，47（8）：627-634.

[13] 畢小紅，劉淵，陳飛.微服務應用平臺的網(wǎng)絡性能研究與優(yōu)化[J].計算機工程，2018，44（5）：53-59.

[14] 郝庭毅，吳恒，吳國全，等.面向微服務架構的容器級彈性資源供給方法[J].計算機研究與發(fā)展，2017，54（3）：597-608.

[15] 歐陽榮彬，王倩宜，龍新征.基于微服務的數(shù)據(jù)服務框架設計[J].華中科技大學學報（自然科學版），2016，44（S1）：126-130.

（收稿日期： 2019.06.25）