李曉剛 馮樹海 吳敏 洪元瑞 承林

摘? 要： 隨著國家深化電力體制改革工作的不斷推進，中長期電力交易品種和交易頻次近年來也呈現(xiàn)快速增多的態(tài)勢，新一代電力交易系統(tǒng)已引入云計算、微服務(wù)、大數(shù)據(jù)等最新IT技術(shù)，為了更好地提高多級電力交易系統(tǒng)之間的快速協(xié)同，本文提出了一個基于服務(wù)網(wǎng)格技術(shù)框架的三級協(xié)同電力交易系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計方案，該方案優(yōu)化了電力交易系統(tǒng)從單體架構(gòu)演進到分布式架構(gòu)后的復(fù)雜服務(wù)調(diào)用時的執(zhí)行效率。通過多個場景的測試，驗證了該方案可以降低三級電力交易系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、優(yōu)化服務(wù)器使用開銷、提升三級系統(tǒng)應(yīng)用的性能和執(zhí)行響應(yīng)速度，是分布式電力交易系統(tǒng)優(yōu)化提升的一種不錯選擇。

關(guān)鍵詞： 電力市場;服務(wù)網(wǎng)格;微服務(wù);電力交易系統(tǒng);電力信息化

中圖分類號： TP311.11 ???文獻標識碼： A??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.007

本文著錄格式：李曉剛，馮樹海，吳敏，等. 基于服務(wù)網(wǎng)格的三級協(xié)同電力交易系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 軟件，2020，41（07）：37-41

Design and Implementation of Three-level Collaboration Power MarketTrading System Based on Service Mesh

LI Xiao-gang¹， FENG Shu-hai²， WU Min¹， HONG Yuan-rui¹， CHENG Lin³

（1. East China Branch Of State Grid Corporation of China， Shanghai 200120， China;2. China Electric Power Research Institute， Nanjing 210003， China;3. Shanghai Keyu Information Technology Co.， Ltd， Shanghai 201721， China）

【Abstract】： AbstractWith the continuous advancement of the countrys deepening of the power system reform， the medium and long-term power trading varieties and trading frequency have also shown a rapid increase in recent years. The new generation of power trading systems has introduced the latest IT technologies such as cloud computing， microservices and big data. In order to better improve the rapid coordination between multi-level power trading systems， this article proposes an application design scheme of three-level collaborative power trading system based on service mesh technology framework. This scheme optimizes the execution efficiency of the complex service invocation after the power trading system evolves from a single architecture to a distributed architecture. Tested in multiple scenarios， it is verified that the scheme can reduce the structural complexity of the three-level power trading system， optimize server usage overhead and improve performance and execution response speed of three-level system applications. It is a good choice for optimization and improvement of distributed power trading system.

【Key words】： Power market; Service mesh; Micro service; Power market trading system; Electric power informatization

0? 引言

當(dāng)前，按地域劃分，國家電網(wǎng)管理區(qū)域的電力交易可分為跨區(qū)、區(qū)域內(nèi)省間和省內(nèi)電力交易。隨著《中共中央、國務(wù)院關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》（中發(fā)[2015]9號）及其配套文件發(fā)布^[1]，電力市場化交易的規(guī)模每年都在快速增長，同時，為了滿足各地經(jīng)濟發(fā)展的需要和新能源消納的需要，中長期電力交易品種和交易頻次近年來也呈現(xiàn)快速增多的態(tài)勢，這就對當(dāng)前三級電力交易組織提出了新的挑戰(zhàn)。之前一些文章主要是對某一層級的電力交易進行研究^[2-6]，很少有將三級電力交易放在一起進行考慮的，這是因為之前對三級電力交易之間的銜接效率要求并不高，所以沒有得到更多的重視。

另外，除了業(yè)務(wù)需求不迫切外，技術(shù)實現(xiàn)也并非易事。十一五和十二五的電力交易平臺都是以單體系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)的，龐大并遠距離部署的單體系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換是通過指定的數(shù)據(jù)交換通道，而非服務(wù)調(diào)用方式實現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)交換的及時性不是很高，無法實現(xiàn)多級交易的分鐘級甚至秒級銜接。

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，國家電網(wǎng)公司的新? 一代電力交易平臺已采用基于微服務(wù)架構(gòu)開發(fā)建 設(shè)^[7-11]，這為多級電力交易快速協(xié)同在技術(shù)層面創(chuàng)造了一定的有利條件，本文將在微服務(wù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入服務(wù)網(wǎng)格（Service Mesh）技術(shù)框架，設(shè)計一種有利于提高多級電力交易系統(tǒng)快速協(xié)同的架構(gòu)技術(shù)解決方案。

1 ?微服務(wù)架構(gòu)

微服務(wù)是由Martin Fowler與James Lewis于2014年共同提出^[12]。微服務(wù)框架是由很多小服務(wù)組成，每個服務(wù)運行在單獨進程中，并通過輕量級通信機制（如RPC），完成整個應(yīng)用通信，然后是針對業(yè)務(wù)的垂直劃分，進行自動化獨立部署，來保證最低限度的集中式管理的一種服務(wù)^[13]。

1.1 ?微服務(wù)架構(gòu)組成

微服務(wù)架構(gòu)一般由負載均衡、服務(wù)網(wǎng)關(guān)、本地緩存、服務(wù)管理層、微服務(wù)層、遠端緩存、數(shù)據(jù)訪問層、消息隊列層等。（1）負載均衡負責(zé)擴展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的帶寬、增加吞吐量、加強網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性。（2）服務(wù)網(wǎng)關(guān)負責(zé)對接入客戶端的身份認證、防報文重放與防數(shù)據(jù)篡改、功能調(diào)用的業(yè)務(wù)鑒權(quán)、響應(yīng)數(shù)據(jù)的脫敏、流量與并發(fā)控制等。（3）本地緩存負責(zé)降低了服務(wù)調(diào)用的頻次，同時也提示了訪問速度。本地緩存一般使用自動過期方式，業(yè)務(wù)場景中允許有一定的數(shù)據(jù)延時。（4）服務(wù)管理層負責(zé)微服務(wù)的注冊、發(fā)現(xiàn)與治理等內(nèi)容。（5）微服務(wù)層包括各業(yè)務(wù)的原子服務(wù)，實現(xiàn)各類業(yè)務(wù)的增刪改查和計算處理等。（6）遠端緩存是訪問DB前置一層分布式緩存，減少DB交互次數(shù)，提升系統(tǒng)的TPS（吞吐量）。（7）數(shù)據(jù)訪問層負責(zé)對數(shù)據(jù)庫表的增刪改查操作，單表數(shù)據(jù)量過大則可以做數(shù)據(jù)的分庫分表處理。（8）消息隊列層負責(zé)解耦服務(wù)之間的依賴，異步調(diào)用可以通過MQ的方式來執(zhí)行。

1.2 ?微服務(wù)架構(gòu)特點

微服務(wù)架構(gòu)本質(zhì)上依然繼承了SOA設(shè)計理念，淡化了ESB的概念，使用去中心化的設(shè)計思想，使服務(wù)之間切分和組合更為靈活，更容易應(yīng)對業(yè)務(wù)的變化和發(fā)展。

微服務(wù)的優(yōu)點主要有：（1）邏輯清晰，服務(wù)簡單，以組件化的方式分解為多個服務(wù);（2）開發(fā)迭代速度高;（3）微服務(wù)是松散耦合的;（4）可以有不同團隊開發(fā);（5）方便運維，一個服務(wù)進行變更并不需要其他服務(wù)同步更新;（6）伸縮性好，微服務(wù)可以單獨擴展，利用服務(wù)注冊和發(fā)現(xiàn)技術(shù)可以將實現(xiàn)平滑的水平擴展，無需重啟服;（7）容錯性好，微服務(wù)可以實現(xiàn)故障隔離、分流轉(zhuǎn)發(fā)以及熔斷機制。

2 ?傳統(tǒng)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)模式

2.1 ?傳統(tǒng)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)模式

傳統(tǒng)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)模式主要包括服務(wù)提供方、服務(wù)消費方、服務(wù)注冊中心和服務(wù)監(jiān)控中心^[14-15]，如圖1所示。

服務(wù)之間的調(diào)用主要包括：（1）服務(wù)容器負責(zé)啟動，加載，運行服務(wù)提供者。（2）服務(wù)提供者在啟動時，向注冊中心注冊自己提供的服務(wù)。（3）服務(wù)消費者在啟動時，向注冊中心訂閱自己所需的服務(wù)。（4）注冊中心返回服務(wù)提供者地址列表給消費者。（5）服務(wù)消費者，從提供者地址列表中，基于軟負載均衡算法，選一臺提供者進行調(diào)用，如果調(diào)用失敗，再選另一臺調(diào)用。（6）服務(wù)消費者和提供者，在內(nèi)存中累計調(diào)用次數(shù)和調(diào)用時間，定時每分鐘發(fā)送一次統(tǒng)計數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心。

2.2 ?傳統(tǒng)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)模式

在傳統(tǒng)微服務(wù)架構(gòu)中，隨著業(yè)務(wù)越來越大，拆分的服務(wù)實例也越來越多，那么各個服務(wù)之間的依賴就變成了非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，可能就類似于如圖2所示的樣子了。

在如此復(fù)雜的分布式部署結(jié)構(gòu)下，微服務(wù)中服務(wù)依賴調(diào)用和數(shù)據(jù)傳輸所面臨的問題也成倍增加，極大的提高了服務(wù)治理的難度。

因此需要引入新的信息技術(shù)來解決這個問題，而服務(wù)網(wǎng)格（Service Mesh）技術(shù)正是當(dāng)前最為合適的一種選擇。

3 ?服務(wù)網(wǎng)格技術(shù)

服務(wù)網(wǎng)格（Service Mesh）技術(shù)最早使用由開發(fā)Linkerd的Buoyant公司提出^[16]，并在內(nèi)部使用。2016年9月29日第一次公開使用這個術(shù)語。服務(wù)網(wǎng)格（Service Mesh）的定義是由Linkerd的CEO William給出來的，即服務(wù)網(wǎng)格是一個基礎(chǔ)設(shè)施層，功能在于處理服務(wù)間通信，職責(zé)是負責(zé)實現(xiàn)請求的可靠傳遞。在實踐中，服務(wù)網(wǎng)格通常實現(xiàn)為輕量級網(wǎng)絡(luò)代理，通常與應(yīng)用程序部署在一起，但是對應(yīng)用程序透明。當(dāng)前，服務(wù)網(wǎng)格作為服務(wù)間通信的基礎(chǔ)設(shè)施層，正逐漸走向成熟^[17]。

通俗理解，可以將服務(wù)網(wǎng)格（Service Mesh）比作是應(yīng)用程序或者說微服務(wù)間的TCP/IP，負責(zé)服務(wù)之間的網(wǎng)絡(luò)調(diào)用、限流、熔斷和監(jiān)控^[18-19]。對于編寫應(yīng)用程序來說一般無須關(guān)心TCP/IP這一層，同樣使用Service Mesh也無須關(guān)心服務(wù)之間是通過應(yīng)用程序或其他框架的實現(xiàn)機制^[20-21]，比如Spring Cloud、OSS，只要交給Service Mesh就可以了。

服務(wù)網(wǎng)格的主要特點：（1）應(yīng)用程序間通訊的中間層;（2）輕量級網(wǎng)絡(luò)代理;（3）應(yīng)用程序無感知;（4）解耦應(yīng)用程序的重試/超時、監(jiān)控、追蹤和服務(wù)發(fā)現(xiàn)。

服務(wù)網(wǎng)格（Service Mesh）模式也被形象稱為邊車（Sidecar）模式，服務(wù)的消費方和提供方主機（或者容器）兩邊都會部署代理SideCar，代理除了負責(zé)服務(wù)發(fā)現(xiàn)和負載均衡，還負責(zé)動態(tài)路由、容錯限流、監(jiān)控度量和安全日志等功能，這些功能與具體業(yè)務(wù)無關(guān)，邊車（Sidecar）模式如圖3所示。

4 ?解決方案

4.1 ?系統(tǒng)設(shè)計思路

設(shè)計Sidecar為獨立進程，可以每臺宿主機共用同一個Sidecar進程，也可以每個應(yīng)用獨占一個Sidecar進程。Sidecar的目的將每個微服務(wù)節(jié)點中相關(guān)服務(wù)框架功能剝離出來，使服務(wù)節(jié)點只聚焦于自身業(yè)務(wù)邏輯處理，服務(wù)之間的調(diào)用則交給SideCar。為了降低Sidecar的使用復(fù)雜度，本方案使用每臺宿主機共用同一個Sidecar進程的方式，即部署在一個服務(wù)器上的電力交易微服務(wù)程序共同使用同一個Sidecar進程。該Sidecar進程負責(zé)協(xié)調(diào)服務(wù)網(wǎng)格中所有服務(wù)的出入站流量，以及注冊服務(wù)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、請求路由、熔斷限流、日志統(tǒng)計等。

4.2 ?系統(tǒng)服務(wù)網(wǎng)格總體設(shè)計

電力市場交易邏輯復(fù)雜，業(yè)務(wù)功能模塊多，三級系統(tǒng)的信息交換任務(wù)重，特別是新一代電力市場交易引入微服務(wù)架構(gòu)后，三級信息交換以及微服務(wù)調(diào)用的復(fù)雜度快速提升。

本文依據(jù)電力交易系統(tǒng)的應(yīng)用場景、業(yè)務(wù)特點以及微服務(wù)架構(gòu)特點，參考互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)比較成熟的技術(shù)解決方案，提出一個基于服務(wù)網(wǎng)格的三級聯(lián)動電力交易系統(tǒng)解決方案。

該方案設(shè)計主要針對三級交易系統(tǒng)功能進行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)邊車模式思路，剝離原微服務(wù)的非業(yè)務(wù)功能，為每臺交易系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計一個統(tǒng)一的管理與服務(wù)中心，如圖4所示，負責(zé)該服務(wù)器節(jié)點下的所有微服務(wù)的出入站流量、服務(wù)注冊、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、請求路由、熔斷限流、日志統(tǒng)計等。

根據(jù)電力交易三級系統(tǒng)的部署和功能內(nèi)容，可以抽象成上圖所示的服務(wù)網(wǎng)格架構(gòu)圖。若按照原每個微服務(wù)獨自承擔(dān)服務(wù)框架功能的方式，則微服務(wù)之間總的拓撲連接數(shù)為I，如公式（1）所示。

I=k1×…×kn×s1×…×sm×p1×…×pt（1）

現(xiàn)在按照上圖方式，每個服務(wù)器節(jié)點對內(nèi)外服務(wù)由這個服務(wù)器上的管理與服務(wù)中心統(tǒng)一處理，服務(wù)連接數(shù)可以降為J，如公式（2）所示。

J=n×m×t（2）

拓撲連接數(shù)從I減少到J，可以大大減少系統(tǒng)的IO開銷，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，從而增加了對各微服務(wù)處理的管理能力，提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和使用? 效率。

4.3 ?管理與服務(wù)中心設(shè)計

管理與服務(wù)中心設(shè)計遵循服務(wù)網(wǎng)格的邊車設(shè)計模式，負責(zé)所在服務(wù)器上的所有微服務(wù)注冊、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、負載均衡、熔斷限流、日志統(tǒng)計等非業(yè)務(wù)處理功能，如圖5所示。

（1）服務(wù)注冊

管理與服務(wù)中心接受服務(wù)提供者的注冊、存儲服務(wù)提供者的服務(wù)信息，比如微服務(wù)名、微服務(wù)路徑、微服務(wù)調(diào)用參數(shù)等信息。并與每個業(yè)務(wù)微服務(wù)保持心跳，如果心跳不能保持則注銷該實例。

（2）服務(wù)發(fā)現(xiàn)

接收本服務(wù)器上的各業(yè)務(wù)微服務(wù)的請求、以及其他服務(wù)器上的微服務(wù)的請求，并調(diào)用本服務(wù)器上對應(yīng)微服務(wù)程序進行業(yè)務(wù)處理。

（3）負載均衡

管理與服務(wù)中心根據(jù)對本服務(wù)器微服務(wù)調(diào)用請求情況以及當(dāng)前服務(wù)器各微服務(wù)的調(diào)用執(zhí)行情況，從中選取請求需要的并且空閑的微服務(wù)，按照輪詢法或者隨機法進行選擇，并提供給請求方進行響應(yīng)執(zhí)行。

（4）熔斷限流

本方案的熔斷處理主要是指當(dāng)某個微服務(wù)不屬于核心流程的業(yè)務(wù)處理，且對該微服務(wù)的請求經(jīng)常超時，為了避免影響當(dāng)前服務(wù)器的負載，這時管理與服務(wù)中心會把請求方的請求直接短路掉，返回請求方一個可以識別的空值，并且會把該微服務(wù)從管理與服務(wù)中心的服務(wù)列表中摘除，避免整個系統(tǒng)受到影響。

本方案的限流處理主要是指在管理與服務(wù)中心會注冊每個微服務(wù)的流量閾值，當(dāng)對某微服務(wù)的請求數(shù)超過該閾值時，該管理與服務(wù)中心會拒絕對該微服務(wù)新的請求，并自動讓請求方去其他服務(wù)器尋找可用的微服務(wù)進行調(diào)用。

（5）日志統(tǒng)計

管理與服務(wù)中心會實時監(jiān)控該服務(wù)器的CPU使用率、內(nèi)存使用率、IO連接數(shù)、每個微服務(wù)被調(diào)用的時間、請求方信息、執(zhí)行時間信息等，這些信息有助于系統(tǒng)管理者更好地維護電力交易系統(tǒng)的軟硬件資源，從而進一步保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

5 ?方案驗證

基于本文提出的方案構(gòu)建的三級模擬驗證系統(tǒng)，按照兩種服務(wù)器配置構(gòu)建。第一種服務(wù)器配置是三級系統(tǒng)各兩臺虛擬機，共六臺虛擬機;第二種服務(wù)器是三級系統(tǒng)各三臺虛擬機，共九臺虛擬機。

對于電力交易系統(tǒng)而言，請求并發(fā)數(shù)不高，負載性能不是業(yè)務(wù)痛點，因此本方案主要是為了降低結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜度，并優(yōu)化服務(wù)器使用開銷，具體測試結(jié)果如下。

由測試結(jié)果看，本系統(tǒng)采用的基于服務(wù)網(wǎng)格的三級聯(lián)動電力交易系統(tǒng)設(shè)計，可以通過對微服務(wù)的有效管理，降低系統(tǒng)運維難度，減少服務(wù)器的IO開銷，減少請求響應(yīng)平均執(zhí)行時間，降低CPU的使用峰值，從而提高了服務(wù)器的可用性和可靠性，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提升應(yīng)用的性能和執(zhí)行響應(yīng)速度，為三級遠程系統(tǒng)應(yīng)用進行數(shù)據(jù)交換和服務(wù)調(diào)用的響應(yīng)及時性打下了很好的基礎(chǔ)。

6 ?結(jié)論

根據(jù)電力交易系統(tǒng)從單體模式向微服務(wù)架構(gòu)的演進路線，以及三級系統(tǒng)之間服務(wù)調(diào)用與數(shù)據(jù)交換的及時性要求，本文提出了一種基于服務(wù)網(wǎng)格的三級聯(lián)動電力交易的系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，優(yōu)化了電力交易系統(tǒng)從單體架構(gòu)演進到分布式架構(gòu)后的復(fù)雜服務(wù)調(diào)用時的執(zhí)行效率。該方案通過多個場景的測試，驗證了可以降低三級電力交易系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，優(yōu)化了服務(wù)器使用開銷，提升了三級系統(tǒng)應(yīng)用的性能和執(zhí)行響應(yīng)速度，是分布式電力交易系統(tǒng)進一步提升的一種不錯選擇。

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