國家管網(wǎng)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院分公司 徐杰 高?？?吳志強(qiáng) 張正雄 王玉霞

信息化系統(tǒng)建設(shè)的業(yè)務(wù)需求越來越多，急需高效快捷的開發(fā)模式替代傳統(tǒng)的低效開發(fā)模式，本文從數(shù)字化項(xiàng)目過程管理、開發(fā)測試資源管理、代碼資產(chǎn)管理、DevOps 敏捷開發(fā)管理四個(gè)方面開展應(yīng)用技術(shù)研究，探索建設(shè)數(shù)字化試驗(yàn)云平臺的技術(shù)思路。云平臺由計(jì)算服務(wù)、存儲服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、監(jiān)控告警、平臺管理和運(yùn)維管理組成，以實(shí)現(xiàn)軟硬件資源的高效利用和精準(zhǔn)服務(wù)為目標(biāo)，通過對IT 資源層的云化部署，實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠、可擴(kuò)展并服務(wù)于業(yè)務(wù)運(yùn)行的信息基礎(chǔ)設(shè)施云平臺。

目前，大部分?jǐn)?shù)字化項(xiàng)目不具備項(xiàng)目全過程管理及源代碼的自主管控能力，數(shù)字化項(xiàng)目在大數(shù)據(jù)、人工智能方面應(yīng)用需要大量的計(jì)算資源提供基礎(chǔ)支撐，快速搭建數(shù)字化項(xiàng)目試驗(yàn)環(huán)境，及時(shí)響應(yīng)數(shù)字化項(xiàng)目研發(fā)需求。如何在遵循統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)維架構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字化項(xiàng)目的自主可控和高效協(xié)同是目前面臨的難題[1-3]。研究數(shù)字化試驗(yàn)云平臺，完整覆蓋數(shù)字化項(xiàng)目研發(fā)管理核心流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化項(xiàng)目全生命周期管理的可視化、自動化，提供統(tǒng)一的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等IT 基礎(chǔ)設(shè)施資源，實(shí)現(xiàn)平臺資源和管理服務(wù)能力向云計(jì)算服務(wù)模式轉(zhuǎn)型升級，為數(shù)字化項(xiàng)目研發(fā)提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施資源與技術(shù)架構(gòu)，搭建統(tǒng)一的開發(fā)測試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化項(xiàng)目研發(fā)過程管控與代碼資產(chǎn)統(tǒng)一管理，打造數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施底座。

1 數(shù)字化試驗(yàn)云平臺框架

云網(wǎng)邊端一體化是作為數(shù)字化云平臺建設(shè)的核心架構(gòu)。“云”指的是云平臺，包括私有云或公有云，為核心數(shù)字化平臺；“網(wǎng)”指的是實(shí)現(xiàn)各個(gè)組件相互連接的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，網(wǎng)既是連接企業(yè)中心云和邊緣云的廣域網(wǎng)絡(luò)，也是聯(lián)通生產(chǎn)業(yè)務(wù)現(xiàn)場各種智能終端與邊緣云節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)；“邊”指的是邊緣云平臺，邊緣云平臺主要部署和承載生產(chǎn)端的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺，同時(shí)提供數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲服務(wù)支持；“端”指的是用于生產(chǎn)業(yè)務(wù)場景的各類包含智能傳感器的終端或無人機(jī)等，它是實(shí)際采集一線數(shù)據(jù)的核心組件。

數(shù)字化試驗(yàn)云平臺可以概括為“一網(wǎng)、一云、一平臺”?！耙痪W(wǎng)”指為云平臺提供連接和數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；“一云”指架構(gòu)統(tǒng)一、技術(shù)先進(jìn)、功能完備的分布式云平臺，支撐業(yè)務(wù)生產(chǎn)；“一平臺”指的是在“一云”基礎(chǔ)上構(gòu)建的數(shù)字化業(yè)務(wù)平臺，以云平臺的IaaS 層提供資源，以PaaS 層為數(shù)字化業(yè)務(wù)提供功能組件支持，實(shí)現(xiàn)快速搭建和監(jiān)控，服務(wù)業(yè)務(wù)場景。

如圖1 所示為數(shù)字化試驗(yàn)云平臺整體架構(gòu)圖，云平臺在底層服務(wù)器硬件的基礎(chǔ)上將IT 資源虛擬化，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供近端的計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全和災(zāi)備服務(wù)支持，是實(shí)現(xiàn)AI、大數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)需求快速響應(yīng)的基礎(chǔ)。對于云平臺而言，依靠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速收集使用。通過PaaS 容器平臺提供數(shù)據(jù)庫中間件、大數(shù)據(jù)、容器、AI 等業(yè)務(wù)系統(tǒng)服務(wù)組件，可以快速搭建信息化系統(tǒng)，也可以避免數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)、AI 等服務(wù)重復(fù)建設(shè)，提升開發(fā)和業(yè)務(wù)響應(yīng)敏捷性、運(yùn)維便利性。

圖1 數(shù)字化試驗(yàn)云平臺整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of digital test cloud platform

2 數(shù)字化試驗(yàn)工程云平臺

數(shù)字化試驗(yàn)工程云平臺在保證穩(wěn)定性的情況下完整實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能，在規(guī)范業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)資源的同時(shí)，滿足系統(tǒng)動態(tài)擴(kuò)展要求，云平臺具有良好的擴(kuò)展性、靈活性、資源高可用性。在安全上平臺軟硬件系統(tǒng)在滿足業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，以國家信息技術(shù)平臺相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，采用全分布式架構(gòu)、虛擬化、分布式存儲、云安全、應(yīng)用遷移等技術(shù)。

數(shù)字化試驗(yàn)工程云平臺總體架構(gòu)包括物理設(shè)備層、中心云平臺層、云平臺統(tǒng)一服務(wù)門戶層三部分。物理設(shè)備層為支撐云平臺的六大系統(tǒng)，包括機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)、安全等，依托標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)的數(shù)據(jù)中心，確保環(huán)境穩(wěn)定可靠；中心云平臺層是云平臺核心部分，涵蓋了硬件基礎(chǔ)設(shè)施層、IaaS 層和PaaS 層功能，中心節(jié)點(diǎn)在云平臺的整體架構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)、管理數(shù)據(jù)和資源的全面協(xié)同；云平臺統(tǒng)一服務(wù)門戶層面向用戶提供門戶，平臺通過統(tǒng)一門戶納管現(xiàn)有虛擬平臺，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源按需發(fā)布和獲取、管理流程自定義化。云平臺在硬件設(shè)備兼容性、擴(kuò)展性等方面應(yīng)具備靈活性，同一個(gè)平臺內(nèi)可以提供不同類型的計(jì)算（虛擬機(jī)、物理機(jī)）、存儲（結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化）和網(wǎng)絡(luò)等服務(wù)，滿足不同業(yè)務(wù)場景需求。集群物理部署拓?fù)涫疽鈭D如圖2 所示。

圖2 數(shù)字化試驗(yàn)云平臺物理部署拓?fù)涫疽鈭DFig.2 Physical deployment topology diagram of digital test cloud platform

3 數(shù)字化試驗(yàn)容器平臺

數(shù)字化試驗(yàn)容器平臺中的主集群與成員集群都是基于Kubernetes 的容器集群，如圖3 所示。

圖3 數(shù)字化試驗(yàn)云平臺Fig.3 Digital test cloud platform

3.1 微服務(wù)治理

微服務(wù)架構(gòu)會使用軟件庫，但是用來實(shí)現(xiàn)軟件組件化的主要方式是將軟件拆分成服務(wù)，微服務(wù)采用不同的分割方法，劃分成圍繞業(yè)務(wù)能力組織的服務(wù)[4]。目前，流行的微服務(wù)框架為Spring Cloud，但也存在Dubbo 等框架開發(fā)的微服務(wù)應(yīng)用，以及下一代的Service Mesh 框架，Istio也會慢慢成為容器平臺上構(gòu)建微服務(wù)的首選。容器平臺對三種微服務(wù)的架構(gòu)進(jìn)行支持：Spring Cloud、Dubbo、Istio。除Istio 是容器平臺自身原生提供支持外，Spring Cloud 以及Dubbo 框架都通過PaaS 的形式為每個(gè)項(xiàng)目提供單獨(dú)的相關(guān)組件安裝。

容器平臺采用Istio 作為微服務(wù)治理的底層框架。Istio 結(jié)合Kubernetes 內(nèi)部的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，來進(jìn)行微服務(wù)的治理，從而提供完整的微服務(wù)方案而無須侵入代碼。Istio 采用Envoy 作為網(wǎng)關(guān)來提供Ingress 服務(wù)，應(yīng)用可通過編排來注冊自己的API 到Ingress 上從而提供外部訪問的能力。通過容器平臺本身的ConfigMap 和Secret能夠完成在基礎(chǔ)設(shè)施層的配置管理。最外層利用容器平臺的Ingress 配合API 網(wǎng)關(guān)通過Istio 的注冊完成服務(wù)的API 向Ingress 的注冊，再配置API 網(wǎng)關(guān)和Ingress 的聯(lián)動完成服務(wù)向API 網(wǎng)關(guān)的發(fā)布和統(tǒng)一管理。

3.2 DevOps

DevOps 通過工具的整合以及提供標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范建立開發(fā)運(yùn)維體系，DevOps 首先通過自動化工具形成標(biāo)準(zhǔn)的自動化流程，并在流程之上形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。通過自動化工具，建立的研發(fā)運(yùn)維規(guī)范體系主要圍繞著四個(gè)重點(diǎn)展開：代碼與發(fā)布版本的一致性、配置從代碼中剝離、建立標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建與發(fā)布體系、構(gòu)建依賴庫。代碼到構(gòu)建物的構(gòu)建通過CI 流水線完成自動化的構(gòu)建，構(gòu)建物的發(fā)布通過CD 流水線完成自動化的發(fā)布，減少人工干預(yù)提高效率以及保證正確性。通過標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)來規(guī)范應(yīng)用的運(yùn)行環(huán)境以及相關(guān)依賴，實(shí)現(xiàn)可視化CI/CD 流水線，從倉庫、代碼編譯、鏡像制作、鏡像安全、推送到倉庫、應(yīng)用版本、到定時(shí)構(gòu)建的端到端流水線設(shè)置，整體提升開發(fā)測試等工作效率。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

基于本文關(guān)鍵技術(shù)包括IT 基礎(chǔ)設(shè)施云平臺架構(gòu)技術(shù)、DevOps 敏捷開發(fā)運(yùn)維技術(shù)、分布式存儲、軟件定義網(wǎng)絡(luò)及容災(zāi)備份等技術(shù)，開發(fā)完成數(shù)字化試驗(yàn)容器云平臺，在業(yè)務(wù)上實(shí)現(xiàn)IT 算力與業(yè)務(wù)進(jìn)一步結(jié)合，通過云技術(shù)將資源進(jìn)行整合，推動了信息系統(tǒng)整合程度和資源利用效率，有效減少了重復(fù)建設(shè)、軟硬件系統(tǒng)采購和運(yùn)維成本，也可以使閑置IT 資源服務(wù)于管理和生產(chǎn)，從而有效的賦能業(yè)務(wù)發(fā)展。

5 結(jié)語

本文通過研究具有高可擴(kuò)展性的數(shù)字化試驗(yàn)云平臺，將計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源形成服務(wù)能力，提供高效可靠的計(jì)算、存儲服務(wù)和靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能力，保證系統(tǒng)高可用、高可靠、高安全性，降低系統(tǒng)運(yùn)維成本，解決系統(tǒng)設(shè)備老化、性能低下、復(fù)雜度高、無法擴(kuò)展等問題。通過數(shù)字化試驗(yàn)云平臺的應(yīng)用研究，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化項(xiàng)目全周期、全過程精細(xì)管理，提升項(xiàng)目質(zhì)量與基礎(chǔ)資源使用率，降低數(shù)字化投入成本，有利于數(shù)字化團(tuán)隊(duì)協(xié)作，有效提升團(tuán)隊(duì)效率，支撐業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

引用

[1] 趙海洋,時(shí)延鵬.基于ITIL與物聯(lián)網(wǎng)的開放型IT運(yùn)維云服務(wù)平臺的研究[J].現(xiàn)代信息科技,2022,6(1):160-163.

[2] 馬軍,滑維鑫.分布式云平臺架構(gòu)及管理技術(shù)[J].數(shù)字通信世界,2018(2):183+186.

[3] 萬涵.智能化運(yùn)維管理平臺的規(guī)劃設(shè)計(jì)探討[J].通訊世界,2019,26(6):131-133.

[4] 薛皓辰,柳先輝.基于微服務(wù)架構(gòu)的制造技術(shù)資源服務(wù)平臺架構(gòu)研究[J].科技管理研究,2021,41(14):208-212.