基于Docker容器的智能航保云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：智能航保是現(xiàn)代化航海的重要內(nèi)容和必然趨勢(shì)，航海保障部門也一直致力于智能航保的研究和建設(shè)工作。本文介紹了智能航保的發(fā)展背景，分析了利用傳統(tǒng)開發(fā)模式和云平臺(tái)部署智能航保會(huì)存在的問題，引入Docker容器技術(shù)，提出基于Docker容器技術(shù)的智能航保云平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：Docker;智能航保;云平臺(tái)

0 ?引 言

自從國際海事組織（IMO）提出e-航海發(fā)展戰(zhàn)略以來，智能化理論和技術(shù)逐漸滲透到航海領(lǐng)域。根據(jù)交通運(yùn)輸部等七部門聯(lián)合發(fā)表的《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》，作為五大要素之一的智能航保也需要深入研究智能航運(yùn)下的用戶需求，構(gòu)建完善的智能航保體系，而智能航保的建設(shè)離不開信息大數(shù)據(jù)的支持和服務(wù)，航保云平臺(tái)是智能航保建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)^[1]。由于智能航保建設(shè)的長期性，云平臺(tái)建設(shè)可采用重點(diǎn)先行建設(shè)、其余分步建設(shè)、后期迭代升級(jí)的原則，但傳統(tǒng)的開發(fā)模式和云平臺(tái)存在如部署不方便、配置復(fù)雜、升級(jí)效率低、資源利用率低、運(yùn)行能力差等問題，因此，引入基于Docker容器技術(shù)的智能航保云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)。Docker容器是開源的虛擬化技術(shù)，具有部署靈活、配置簡(jiǎn)化、迭代效率高、性能損耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于智能航保的長期性建設(shè)。

1 智能航保發(fā)展背景

2006年國際海事組織（IMO）首次提出e-航海的概念，揭開了數(shù)字化航海時(shí)代的序幕，E航海迅速發(fā)展成為各海洋國家的戰(zhàn)略目標(biāo)。在國際海事組織（IMO）、國際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）、國際海道測(cè)量組織（IHO）和國際電信聯(lián)盟（ITU）的共同推動(dòng)下，航海逐漸走向信息化、網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化，利用先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)船岸間智能導(dǎo)助航信息服務(wù)成為e-航海的核心目標(biāo)。隨著e-航海戰(zhàn)略的不斷深入和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，陸續(xù)衍生出智慧海事、智慧港口、智能船舶等概念。2019年，交通運(yùn)輸部、中央網(wǎng)信辦、國家發(fā)展改革委、教育部、科技部、工業(yè)和信息化部、財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》，為智能航運(yùn)未來30年發(fā)展指明方向。智能航運(yùn)是傳統(tǒng)航運(yùn)要素與高新技術(shù)深度融合形成的現(xiàn)代航運(yùn)新業(yè)態(tài)，包括智能船舶、智能港口、智能航保、智能航運(yùn)服務(wù)和智能航運(yùn)監(jiān)管五方面基本要素?！爸悄芎奖！笔侵悄芑叫兄畏?wù)保障系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，作為智能航運(yùn)的重要組成部分，智能航保旨在通過智能化手段進(jìn)一步提升航海保障水平，在整個(gè)智能航運(yùn)體系中起到重要支撐作用。智能航保是利用智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，使船舶導(dǎo)航、通信傳輸、數(shù)據(jù)處理等系統(tǒng)和信息服務(wù)平臺(tái)充分智能化，既能為船舶自主航行提供技術(shù)支撐、服務(wù)和保障，也能對(duì)獲取的信息進(jìn)行整合、交換和分析，為智能監(jiān)管提供輔助支持，為打造平臺(tái)化航運(yùn)服務(wù)提供手段。

2 ?航保業(yè)務(wù)平臺(tái)建設(shè)現(xiàn)狀及問題

目前，航保多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)模式，不同的業(yè)務(wù)運(yùn)行在不同的物理服務(wù)器之上，這種架構(gòu)模式存在諸多缺點(diǎn)：（1）資源浪費(fèi)。航保的大部分應(yīng)用與業(yè)務(wù)系統(tǒng)消耗的資源很少，而一臺(tái)服務(wù)器上只運(yùn)行一種業(yè)務(wù)造成了資源的浪費(fèi)，利用率不高。（2）成本高。運(yùn)行一種業(yè)務(wù)，相應(yīng)地就要準(zhǔn)備物理服務(wù)器，然后安裝適用的操作系統(tǒng)，安裝各種系統(tǒng)環(huán)境的依賴，再安裝業(yè)務(wù)程序，部署過程緩慢，成本也很高。（3）更新升級(jí)困難。服務(wù)器若要更新升級(jí)，運(yùn)行在其上的業(yè)務(wù)就需要遷移并重新部署，并且更新升級(jí)后的服務(wù)器未必有效支持業(yè)務(wù)運(yùn)行。（4）擴(kuò)展性低。對(duì)服務(wù)器進(jìn)行資源擴(kuò)展也是非常麻煩，同樣需要重新部署。因此，最近幾年，航保也逐漸引入虛擬化技術(shù)來解決傳統(tǒng)物理服務(wù)器應(yīng)用遇到的問題。虛擬化技術(shù)是通過運(yùn)行在物理服務(wù)器與操作系統(tǒng)之間的中間層，進(jìn)行資源的虛擬化，加載所有客戶端的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)服務(wù)器上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。利用虛擬化技術(shù)，我們可以很容易的進(jìn)行資源擴(kuò)展而無須考慮物理服務(wù)器，但是這種虛擬化技術(shù)仍具有局限性：（1）部署困難。業(yè)務(wù)的運(yùn)行需要依靠代碼、運(yùn)行環(huán)境、配置等，增加新的業(yè)務(wù)仍需要部署新的應(yīng)用環(huán)境，無法將應(yīng)用及其依賴打包作為整體進(jìn)行管理。（2）資源有效利用率低。每一臺(tái)虛擬機(jī)都具有完整的操作系統(tǒng)，在不同的虛擬機(jī)上部署不同的應(yīng)用，但虛擬機(jī)開銷很高，操作系統(tǒng)本身消耗資源很多，造成資源的有效利用率很低。（3）負(fù)載均衡和運(yùn)行監(jiān)控能力差。在實(shí)際運(yùn)行中，不同的應(yīng)用服務(wù)對(duì)硬件和內(nèi)存的需求是變化的，因此需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整資源分配;并且運(yùn)行過程需要監(jiān)控機(jī)制，需要有靈活的容錯(cuò)備份和異常處理機(jī)制。

智能航保的建設(shè)要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展性、開放性，保證各項(xiàng)服務(wù)、業(yè)務(wù)之間松耦合，避免建設(shè)過程中耦合過于嚴(yán)重，智能航保云平臺(tái)是建設(shè)的核心，平臺(tái)上需要不斷加入新的服務(wù)或者應(yīng)用來豐富智能航保的功能，需要后期不斷的維護(hù)和更新，良好的擴(kuò)展性可以保障新集成的服務(wù)不會(huì)影響整體架構(gòu)和正常運(yùn)行。

3 ?Docker容器

3.1 ?Docker容器簡(jiǎn)介

Docker是一個(gè)開源的應(yīng)用容器引擎，提供輕量化的虛擬化解決方案，被稱為軟件行業(yè)的集裝箱技術(shù)，Docker技術(shù)可以讓開發(fā)者將應(yīng)用及其依賴一起打包放到可移植的容器中，包括開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行應(yīng)用的環(huán)境變量、組件等，這個(gè)容器就是完整的交付環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“一次封裝，到處運(yùn)行”^[2]。與當(dāng)前應(yīng)用廣泛的傳統(tǒng)的虛擬化技術(shù)相比，Docker容器技術(shù)具有突出的性能：（1）靈活性高。伸縮性強(qiáng)，擴(kuò)展性強(qiáng)，擴(kuò)展或更新應(yīng)用時(shí)只需要加載相應(yīng)的容器，最大化地利用現(xiàn)有資源。（2）集成度高。應(yīng)用及其依賴以類似集裝箱的形式打包交付，不受宿主操作系統(tǒng)版本及環(huán)境變量的影響，應(yīng)用系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行遷移和擴(kuò)展。（3）啟動(dòng)快，性能高。管理操作，如啟動(dòng)、停止、重啟等操作，可以實(shí)現(xiàn)秒級(jí)甚至毫秒級(jí)，應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的性能得到大幅提升。（4）資源利用率高。與傳統(tǒng)的虛擬技術(shù)相比，Docker不包含操作系統(tǒng)內(nèi)核，更加輕量化，降低了虛擬機(jī)的性能損耗^[3]。Docker技術(shù)作為一種充分挖掘計(jì)算平臺(tái)能力的輕量化虛擬技術(shù)，近年來得到許多大企業(yè)的支持和應(yīng)用，網(wǎng)易、華為、騰訊等大型企業(yè)都已經(jīng)大規(guī)模地部署Docker。

3.2 Docker的系統(tǒng)架構(gòu)（見圖1）

傳統(tǒng)的虛擬化技術(shù)與Docker容器技術(shù)的架構(gòu)對(duì)比如圖1所示^[4]。Docker容器技術(shù)與傳統(tǒng)的物理服務(wù)器及虛擬化工作方式不同，虛擬化技術(shù)是在主機(jī)上制備操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)上再安裝并部署相應(yīng)的配置和業(yè)務(wù)應(yīng)用，而Docker更為簡(jiǎn)潔化、輕量化，它沒有物理主機(jī)的模擬，通過各實(shí)例共享主機(jī)的操作系統(tǒng)，在Docker容器中是不包含操作系統(tǒng)的，因此，將應(yīng)用運(yùn)行在Docker容器上，配置可以簡(jiǎn)化，將運(yùn)行環(huán)境、代碼及相關(guān)配置文件打包到容器里，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)環(huán)境、業(yè)務(wù)環(huán)境與本地環(huán)境的統(tǒng)一，降低了開發(fā)部署的難度，且一臺(tái)機(jī)器上可以運(yùn)行多個(gè)容器，共享操作系統(tǒng)內(nèi)核，而每個(gè)容器中的應(yīng)用都是孤立進(jìn)程。Docker的組成包含三個(gè)主要部分：（1）鏡像。鏡像可看作是容器的源代碼，提供容器運(yùn)行時(shí)所用的程序、庫、配置參數(shù)等。（2）容器。容器是Docker的運(yùn)行單元，通過鏡像啟動(dòng)應(yīng)用或系統(tǒng)，是鏡像運(yùn)行時(shí)的實(shí)體。（3）倉庫。倉庫是存放鏡像的地方，保存用戶構(gòu)建的鏡像，有公有和私有倉庫兩種。

Docker雖然具有眾多優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際運(yùn)維中存在部署和管理不能自動(dòng)化、監(jiān)控能力差、無法自動(dòng)伸縮擴(kuò)展等問題，因此，在平臺(tái)架構(gòu)中需引入相應(yīng)的容器集群調(diào)度管理系統(tǒng)。本架構(gòu)引入Kubernetes，提供跨主機(jī)集群的自動(dòng)部署、擴(kuò)展和管理容器的功能，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)應(yīng)用組件的自動(dòng)化管理和容器集群的負(fù)載均衡、運(yùn)行監(jiān)測(cè)和管理調(diào)度。

4 基于Docker容器的智能航保云平臺(tái)架構(gòu)

利用Docker容器技術(shù)建設(shè)航保云平臺(tái)，可搭建一致性強(qiáng)、便于使用的開發(fā)運(yùn)行環(huán)境?；贒ocker容器的云平臺(tái)架構(gòu)靈活便捷，能與開發(fā)環(huán)境無縫集成;擴(kuò)展性強(qiáng)，能快速擴(kuò)展應(yīng)用和環(huán)境;可移植性強(qiáng)，無差別地移植到測(cè)試和應(yīng)用環(huán)境中，可有效實(shí)現(xiàn)在e-航海背景下全球統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的智能航保服務(wù)。

基于Docker容器的智能航保云平臺(tái)總體架構(gòu)圖如圖2所示，自下而上包括物理層、數(shù)據(jù)層、容器層、支撐層和應(yīng)用層。 物理層包括所有的硬件設(shè)備，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等，為平臺(tái)的運(yùn)行提供物理環(huán)境支撐;數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)資源，是航保云平臺(tái)的大數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)信息包括海上空間信息、航標(biāo)、AIS，重要水域的航行規(guī)則、管理信息、服務(wù)資源等船舶進(jìn)出港常用信息，也可與外部涉海機(jī)構(gòu)建立信息共享機(jī)制，獲取港口調(diào)度、海況信息、災(zāi)害天氣、環(huán)保信息等外部數(shù)據(jù)，建立互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)共享平臺(tái);容器層實(shí)現(xiàn)了基于Docker容器和Kubernetes的容器管理，提供自動(dòng)化的容器構(gòu)建與調(diào)度、負(fù)載均衡、運(yùn)行監(jiān)控等服務(wù)，完成輕量

級(jí)的應(yīng)用系統(tǒng)部署和運(yùn)維;支撐層利用航標(biāo)數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、信息服務(wù)、運(yùn)維管理、平臺(tái)門戶等構(gòu)建云平臺(tái)軟件體系，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)管理能力、接口服務(wù)能力以及信息分析能力;應(yīng)用層是向用戶提供各種應(yīng)用服務(wù)的支持，如航海保障綜合服務(wù)、港口信息服務(wù)、海上安全信息服務(wù)、海圖服務(wù)、通航環(huán)境信息服務(wù)、高精度導(dǎo)航定位服務(wù)等，利用支撐層的數(shù)據(jù)服務(wù)和接口服務(wù)，提供不同領(lǐng)域的應(yīng)用方式^[5]。

5 ?總 結(jié)

智能航保是e-航海經(jīng)過多年發(fā)展之后呈現(xiàn)的新形態(tài)，是未來的發(fā)展方向。智能航保通過先進(jìn)技術(shù)和智能化手段，開發(fā)一批具有示范意義的航海保障數(shù)字服務(wù)和應(yīng)用平臺(tái)，全面促進(jìn)中國航海保障服務(wù)能力進(jìn)一步提升。本文介紹了智能航保的發(fā)展背景，結(jié)合傳統(tǒng)開發(fā)模式和云平臺(tái)部署智能航保會(huì)存在的問題，引入Docker容器技術(shù)，提出基于Docker容器技術(shù)的智能航保云平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在E航海背景下全球統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的智能航保服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

張璞，女，碩士研究生，工程師，從事無線電航標(biāo)管理，（E-mail）dlhbczp@163.com， 15042482671