基于微服務(wù)架構(gòu)的統(tǒng)一應(yīng)用開發(fā)平臺①

李春陽, 劉 迪, 崔 蔚, 李曉珍, 李春岐(國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司, 北京 000)(北京中電普華信息技術(shù)有限公司, 北京 009)(天津市普迅電力信息技術(shù)有限公司, 天津 009)

基于微服務(wù)架構(gòu)的統(tǒng)一應(yīng)用開發(fā)平臺①

李春陽1, 劉 迪2, 崔 蔚1, 李曉珍1, 李春岐31(國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司, 北京 100031)2(北京中電普華信息技術(shù)有限公司, 北京 100192)3(天津市普迅電力信息技術(shù)有限公司, 天津 300192)

隨著信息化時代的發(fā)展, 業(yè)務(wù)系統(tǒng)越發(fā)龐大復(fù)雜, 系統(tǒng)開發(fā)及維護(hù)面臨著巨大的挑戰(zhàn). 針對這一問題,提出基于微服務(wù)架構(gòu)的統(tǒng)一應(yīng)用開發(fā)平臺, 重點介紹了平臺的微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計、基于平臺的業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn). 通過引入微服務(wù)構(gòu)建和分布式服務(wù)注冊等相關(guān)技術(shù), 平臺實現(xiàn)了生成微服務(wù)工程的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)框架, 解決傳統(tǒng)單體架構(gòu)應(yīng)用龐大而帶來的研發(fā)周期長, 難以快速響應(yīng)用戶需求等問題, 為業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)提供了有效支撐.

微服務(wù); 開發(fā)平臺; 分布式服務(wù)注冊中心

傳統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)的弊端最早在大型企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中呈現(xiàn), 這些公司都遇到了復(fù)雜應(yīng)用的開發(fā)維護(hù)成本變高、代碼重復(fù)率增大、團(tuán)隊協(xié)作效率變差、系統(tǒng)可靠性變低、系統(tǒng)水平擴(kuò)展困難、新功能上線周期變長等問題. 因此眾多大型公司經(jīng)過了反復(fù)實踐和嘗試,推出了各種輕量級的架構(gòu)模式, 有效的解決了上述問題.

國家電網(wǎng)公司目前的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)是按照傳統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)搭建的, 但是隨著企業(yè)應(yīng)用的不斷深化和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的幾何級增長, 業(yè)務(wù)用戶對應(yīng)用系統(tǒng)提出了越來越高的要求, 在這樣的背景下傳統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)已無法滿足公司信息化發(fā)展的需要, 很多問題已經(jīng)初露端倪,其中包括: 1)傳統(tǒng)的企業(yè)應(yīng)用代碼龐雜并且業(yè)務(wù)組件之間耦合程度非常高, 造成了業(yè)務(wù)應(yīng)用維護(hù)難度大、升級成本高; 2)業(yè)務(wù)模塊之間的循環(huán)依賴、不合理的調(diào)用、冗長復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程等問題對新功能的上線造成極大影響; 3)系統(tǒng)功能組件出現(xiàn)無法恢復(fù)的故障時, 整個節(jié)點處于不可用狀態(tài); 4)在擴(kuò)展性方面, 由于傳統(tǒng)應(yīng)用大多是單一部署, 在這種模式下一個應(yīng)用某些部分偏I(xiàn)/O密集型、某些部分卻偏CPU密集型, 但應(yīng)用卻只部署在一臺機(jī)器上, 很難用單一硬件來滿足應(yīng)用各部分對硬件資源的不同要求, 造成無法高效的應(yīng)對多用戶高并發(fā)的場景等問題.

為解決現(xiàn)階段信息系統(tǒng)建設(shè)中存在的問題,本文推出了全面支持微服務(wù)的開發(fā)框架[1], 可將高度耦合的功能分解到各個離散的微服務(wù)中以實現(xiàn)對應(yīng)用系統(tǒng)的解耦. 該架構(gòu)全面支持了輕量級嵌入式應(yīng)用容器、輕量級IOC組件、去中心化的服務(wù)注冊中心、高性能的遠(yuǎn)程過程調(diào)用、應(yīng)用的追蹤與監(jiān)控、分布式會話管理、負(fù)載均衡策略及應(yīng)用可靠性保障等特性.

1 平臺簡介

平臺按照“開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)模塊化、操作工具化、運(yùn)行容器化, 應(yīng)用服務(wù)化”的總體目標(biāo), 把微服務(wù)開發(fā)框架、相應(yīng)的技術(shù)和工具整合到平臺中, 平臺主要包括集成開發(fā)工具、基礎(chǔ)服務(wù)框架、應(yīng)用開發(fā)套件三大功能組件. 總體功能架構(gòu)如圖1所示.

圖1 平臺功能架構(gòu)

集成開發(fā)工具主要包括可視化界面設(shè)計器、編碼與調(diào)試輔助工具等與業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)密切關(guān)聯(lián)的功能組件; 基礎(chǔ)服務(wù)框架用于屏蔽大量的底層技術(shù)細(xì)節(jié),提供了微服務(wù)集群管理、遠(yuǎn)程過程調(diào)用、分布式服務(wù)框架、分布式緩存、集中日志等基礎(chǔ)性技術(shù)組件; 應(yīng)用開發(fā)套件主要包括MX展現(xiàn)框架、即席報表組件等高級開發(fā)套件, 基于這些套件可以快速開發(fā)出業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能邏輯, 保障業(yè)務(wù)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行. 本文主要介紹平臺的基礎(chǔ)微服務(wù)框架.

2 平臺微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

平臺微服務(wù)開發(fā)框架基于約定優(yōu)于配置的思想,封裝了支撐微服務(wù)構(gòu)建的組件庫, 不需要繁瑣的配置即可使用Java語言開發(fā)微服務(wù). 平臺總體技術(shù)架構(gòu)如圖2所示.

圖2 平臺總體技術(shù)架構(gòu)

平臺基于dropwizard提供微服務(wù)開發(fā)組件, 以Jetty作為Web容器, 引入Jersey提供標(biāo)準(zhǔn)Restful 風(fēng)格的Web訪問, 集成Hibernate等數(shù)據(jù)持久層訪問組件;提供服務(wù)注冊發(fā)現(xiàn)功能, 自動注冊本地服務(wù)到注冊中心; 通過可選的負(fù)載均衡策略, 選擇最優(yōu)的服務(wù)地址;提供輕量級的RPC組件調(diào)用, 保障高可用的服務(wù)調(diào)用.

在開發(fā)階段根據(jù)微服務(wù)框架Bundle特性, 能夠?qū)崿F(xiàn)平臺各模塊的Bundle插件集成到微服務(wù)中, 如任務(wù)調(diào)度、大數(shù)據(jù)組件、報表和展現(xiàn)框架等.

同時, 平臺提供了去中心化的分布式服務(wù)注冊中心[2], 在每個節(jié)點上啟動一個注冊中心, 不同節(jié)點的多個注冊中心之間沒有主次之分, 降低了注冊中心的壓力, 其中一個注冊中心宕機(jī), 不會影響集群中的其它注冊中心. 針對注冊中心節(jié)點的宕機(jī)問題, 提供了自動檢測失敗節(jié)點機(jī)制及周期性地恢復(fù)功能, 為注冊中心正常運(yùn)行提供雙重保障.

2.2 微服務(wù)開發(fā)框架

2.2.1 微服務(wù)工程

微服務(wù)工程有三種, 服務(wù)生產(chǎn)者, 服務(wù)消費(fèi)者和服務(wù)定義接口(API), 服務(wù)由接口定義, 服務(wù)生產(chǎn)者實現(xiàn)接口服務(wù), 服務(wù)消費(fèi)者來調(diào)用. 工程結(jié)構(gòu)[3]如圖3所示.

消費(fèi)者和生產(chǎn)者微服務(wù)通過擴(kuò)展微服務(wù)開發(fā)組件實現(xiàn). 微服務(wù)開發(fā)組件是對開源微服務(wù)組件dropwizard的二次封裝, 除了具有dropwizard提供的特性外, 還封裝了服務(wù)注冊, 發(fā)現(xiàn), 刷新, 輕量級RPC,負(fù)載均衡. 由以下核心模塊[4]協(xié)助完成.

圖3 微服務(wù)工程結(jié)構(gòu)

服務(wù)實現(xiàn): 通過自定義注解@MircoService, 將RPC調(diào)用,負(fù)載均衡做了封裝, API接口的實現(xiàn)類和引用類必須注解為@ MircoService類型.

服務(wù)交互監(jiān)聽器: 平臺提供ServerListener類, 系統(tǒng)啟動時加載該監(jiān)聽器, 實現(xiàn)服務(wù)注冊刷新和發(fā)現(xiàn).

(1) 服務(wù)實現(xiàn)

提供注解@Microservice, 將類標(biāo)記為微服務(wù)的業(yè)務(wù)處理邏輯構(gòu)件. 標(biāo)記方式有兩種:

① 作為接口引用的標(biāo)記

public class TestFrontController {

private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(Bug4TestFrontController.class;

@MicroService //標(biāo)記為接口引用的微服務(wù)構(gòu)件

private IBugService service;

}

② 作為接口實現(xiàn)的標(biāo)記

@MicroService //標(biāo)記為微服務(wù)構(gòu)件

public class TestService implements ITestService{ private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(BugService.class);

@Inject

private BackDAO dao;

@Override

public String query(String params) {

return dao.query(params);

}

}

(2) 監(jiān)聽器ServerListener

ServerListener在系統(tǒng)啟動時加載, 主要有以下功能.

① 服務(wù)注冊

發(fā)送http請求向服務(wù)注冊中心, 注冊服務(wù)數(shù)據(jù),注冊服務(wù)數(shù)據(jù)為json格式:

{

addr: http//localhost:8080/ms,

Provider:

[com.test.api.service, com.test.api.service2],

Consumer: []

}

微服務(wù)如果是生產(chǎn)者, 則provider值不為空, 是消費(fèi)者, 則Consumer值不為空.

② 服務(wù)刷新和發(fā)現(xiàn)

定時向注冊中心發(fā)送刷新服務(wù)請求, 刷新請求返回的是服務(wù)的狀態(tài)和路由列表, 如果服務(wù)狀態(tài)為死亡則重新注冊服務(wù), 如果服務(wù)正常, 判斷本次路由表校驗碼與本地路由表校驗和是否一致, 不一致更新本地路由表.

2.2.2 去中心化的服務(wù)注冊中心

傳統(tǒng)的企業(yè)應(yīng)用架構(gòu)多采用中心化的分布式服務(wù)架構(gòu), 一旦服務(wù)注冊中心出現(xiàn)問題, 整個系統(tǒng)就會癱瘓; 同時所有應(yīng)用向一個服務(wù)注冊中心進(jìn)行遠(yuǎn)程注冊,會消耗大量的網(wǎng)絡(luò)資源, 造成服務(wù)注冊中心壓力過大.因此, 平臺采用去中心化的服務(wù)注冊中心, 如圖4所示.

圖4 去中心化的服務(wù)注冊中心

服務(wù)注冊中心封裝了開源分布式集群框架Serf,基于Gossip協(xié)議實現(xiàn)集群節(jié)點之間進(jìn)行通信, 同步所有的路由信息; 同時封裝go語言的Web服務(wù)框架Gin,實現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)[5], 注冊, 刷新的http接口服務(wù), 供微服務(wù)和監(jiān)控應(yīng)用調(diào)用. 節(jié)點之間, 以事件的方式提供了信息同步功能, 實現(xiàn)節(jié)點信息、路由信息的同步.

(1) 服務(wù)注冊

采用Gin Web Framework, 對外提供服務(wù)注冊的Restful服務(wù). 接收微服務(wù)傳遞來的注冊信息, 包含:微服務(wù)訪問地址、提供哪些服務(wù)的列表、消費(fèi)哪些服務(wù)的列表, 然后保存到本地的哈稀表中.

接口地址: POST/GET http://注冊中心地址:端口/msd/register

參數(shù):

{

addr:http://192.168.0.245:8082/ms,

providers:[ com.sgcc.uap.hello.api.IHelloService],

consumers:[]

}

返回值: http Code

(2) 服務(wù)刷新

服務(wù)注冊中心接收到服務(wù)發(fā)現(xiàn)的Rest請求后, 從本地的哈希表中獲取所有微服務(wù)的注冊信息, 拼裝成數(shù)組, 然后再對所有注冊信息計算MD5校驗碼, 將數(shù)組和校驗碼一并返回. 服務(wù)發(fā)現(xiàn)器接收返回數(shù)據(jù)后,將注冊信息數(shù)組保存到微服務(wù)容器的哈希表中, 作為服務(wù)提供者的列表.

接口地址: POST/GET http://注冊中心地址:端口/msd/refresh

參數(shù): 微服務(wù)http訪問地址的base64編碼值

返回值:

{

AppStatus:true,

chckNum:h#$!@#@#hweflkj 21dja!$jild;

}

(3) 服務(wù)發(fā)現(xiàn)

服務(wù)注冊中心接收到該Rest請求[6]后, 解碼URL中的地址參數(shù), 去本地的哈希表中查詢該地址是否存在, 如果存在, 服務(wù)注冊中心認(rèn)為該微服務(wù)存活, 否則認(rèn)為微服務(wù)已經(jīng)掉線. 當(dāng)微服務(wù)處于存活狀態(tài)時,還要從本地的哈希表中獲取所有微服務(wù)的注冊信息后計算MD5校驗碼, 最終將存活狀態(tài)信息和校驗碼一并返回. 服務(wù)刷新器接收返回數(shù)據(jù)后, 判斷存活狀態(tài)為掉線時, 去調(diào)用服務(wù)注冊器重新注冊, 然后拿本地保存的校驗碼與返回的校驗碼比對, 不一致時, 表明服務(wù)注冊中心的注冊信息發(fā)生變化, 調(diào)用服務(wù)發(fā)現(xiàn)器去注冊中心重新獲取, 保證微服務(wù)容器的服務(wù)提供者列表是最新的數(shù)據(jù).

接口地址: POST/GET http://注冊中心地址:端口/msd / fetch

參數(shù): 微服務(wù)http訪問地址的base64編碼值

返回值:

{

"service":"com.sgcc.bug.IBugService",

"addrs": [

{"name":"dgo-dev","addr":"http://192.168.20.3:8084/ms" },

{"name":"dgo-dev2","addr":"http://192.168.20.4:8083/m s"}

],

"checksum":"yposdfpapsdfpwerdaf=yxl$3"

}

(4) 節(jié)點同步

服務(wù)注冊中心節(jié)點之間通過Gossip協(xié)議進(jìn)行周期性的消息通信[7], 傳遞節(jié)點信息, 保證最終所有節(jié)點的路由信息一致. 全局節(jié)點狀態(tài)信息同步發(fā)生在新添加節(jié)點、全局同步周期. 報文格式如下:

Version (byte) | Nonce (12 bytes) | CipherText | Tag (16 bytes) | Message Type (4 bytes)

Version: 目前總是設(shè)置為0, 允許未來改變報文使用的算法后改變版本值.

Nonce: 隨機(jī)數(shù), 保證消息的完整性CiperText: 密文, 消息主體

Tag: 標(biāo)記, 校驗消息的完整性

Message Type: 信息類型, 使用大端格式(Big Endian format)編碼.

3 平臺實現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 啟動注冊中心

開發(fā)微服務(wù)之前, 首先要啟動本地注冊中心程序,以支持開發(fā)環(huán)境中不同微服務(wù)之間的通信. 在Windows中執(zhí)行cmd命令進(jìn)入Windows控制臺環(huán)境,找到平臺提供的blued.exe組件所在的目錄, 輸入命令blued agent啟動微服務(wù)環(huán)境, 如圖5所示.

圖5 啟動注冊中心

3.2 微服務(wù)項目創(chuàng)建及運(yùn)行

(1) 創(chuàng)建微服務(wù)示例項目, 在向?qū)е休斎腠椖棵Q, 并配置數(shù)據(jù)庫信息, 如圖6所示.

圖6 創(chuàng)建微服務(wù)示例項目

(2) 完成項目創(chuàng)建后, 在當(dāng)前工作空間中創(chuàng)建三個代碼工程組件: API項目, 定義了微服務(wù)的項目API接口; Client項目, 微服務(wù)客戶端項目; Server項目, 微服務(wù)服務(wù)端項目. 工程結(jié)構(gòu)如圖7所示.

(3) 運(yùn)行微服務(wù)項目. 選中項目, 單擊右鍵, 選擇Gradle build...選項. 此時內(nèi)置的Gradle插件會對項目做解析, 如圖所示, 右下角有解析進(jìn)度. 隨后輸入run即可啟動項目.

(4) 打開瀏覽器, 驗證服務(wù)是否正常運(yùn)行.

圖7 微服務(wù)工程結(jié)構(gòu)

圖8 運(yùn)行微服務(wù)項目

圖9 服務(wù)運(yùn)行效果

4 平臺優(yōu)勢及應(yīng)用情況

平臺提供了具有容錯性和高可用性的去中心化的分布式服務(wù)注冊機(jī)制, 不需維護(hù)一個高可用的服務(wù)注冊中心, 而是將其分散到集群中的每個節(jié)點. 在每個節(jié)點上啟動一個注冊模塊, 不同節(jié)點的多個注冊模塊之間沒有主次之分, 降低了注冊模塊的壓力, 而且其中一個注冊模塊宕機(jī), 不會影響集群中的其它注冊模塊, 有效避免了只有一個注冊模塊的宕機(jī)而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險. 針對注冊模塊節(jié)點的宕機(jī)問題, 提供了自動檢測失敗節(jié)點機(jī)制及周期性地恢復(fù)功能, 為注冊模塊正常運(yùn)行提供雙重保障.

同時平臺微服務(wù)開發(fā)框架提供了本地化的服務(wù)注冊和發(fā)現(xiàn)功能, 服務(wù)只需要向本地的注冊模塊進(jìn)行注冊. 集群中不同注冊模塊之間同步注冊信息, 同步過程無需應(yīng)答, 有效減少了網(wǎng)絡(luò)資源的消耗. 從本地注冊模塊取到的注冊信息即為集群中注冊的所有服務(wù)信息, 供微服務(wù)之間調(diào)用.

本平臺自發(fā)布以來, 已在國家電網(wǎng)公司包含基建管控、協(xié)同研發(fā)工具在內(nèi)的多個重點項目中進(jìn)行了應(yīng)用實踐. 基于微服務(wù)架構(gòu)的統(tǒng)一應(yīng)用開發(fā)平臺具備去中心化的服務(wù)注冊、高性能的遠(yuǎn)程過程調(diào)用框架、穩(wěn)健的負(fù)載均衡策略, 大幅提升了業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)的效率, 有力地提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可靠性.

5 結(jié)語

本文研究并實現(xiàn)了基于微服務(wù)架構(gòu)的統(tǒng)一應(yīng)用開發(fā)平臺. 平臺提供生成微服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)框架, 屏蔽了復(fù)雜的技術(shù)細(xì)節(jié), 研發(fā)人員只需關(guān)注業(yè)務(wù)代碼的編寫和微服務(wù)的配置; 平臺的微服務(wù)框架強(qiáng)化了系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu), 在該架構(gòu)下每一個業(yè)務(wù)模塊都是一個可以獨立部署和運(yùn)行的單元, 模塊間以消息驅(qū)動API的形式定義了清晰的界限; 同時, 平臺為微服務(wù)封裝了服務(wù)注冊器、服務(wù)發(fā)現(xiàn)器、服務(wù)提供者列表和服務(wù)注冊中心. 通過平臺提供的微服務(wù)開發(fā)框架, 可以快速建立起一個高內(nèi)聚、低耦合的微服務(wù)應(yīng)用, 達(dá)到“開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)模塊化、應(yīng)用服務(wù)化”的目標(biāo).

1 王磊.微服務(wù)架構(gòu)與實踐.北京:電子工業(yè)出版社,2015.

2 李林鋒.分布式服務(wù)框架原理與實踐.北京:電子工業(yè)出版社,2016.

3 溫昱.軟件架構(gòu)設(shè)計.北京:電子工業(yè)出版社,2015.

4 紐曼(Sam Newman)微服務(wù)設(shè)計.崔力強(qiáng),張駿,譯.北京:人民郵電出版社,2016.

5 李勇.分布式Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制研究[博士學(xué)位論文].北京:北京郵電大學(xué),2007.

6 顧志峰,李涓子,胡建強(qiáng),許斌,王克宏.Web服務(wù)之間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的建模與應(yīng)用.計算機(jī)學(xué)報,2008,31(8):3–21.

7 Videla A, Williams JJW,汪佳南.高效部署分布式消息隊列.北京:電子工業(yè)出版社,2015.

Unified Application Development Platform Based on Micro-Service Architecture

LI Chun-Yang1, LIU Di2, CUI Wei1, LI Xiao-Zhen1, LI Chun-Qi31(State Grid Information & Telecommunication Industry Co. Ltd., Beijing 100031, China)2(Beijing China Power Information Technology Co. Ltd., Beijing 100192, China)3(Tianjin Puxun Power Information Technology Co. Ltd., Tianjin 300192, China)

Business systems become larger and more complex with the development of information. System development and maintenance are facing enormous challenges. To solve this problem, this paper proposes an application development platform based on micro-services architecture, focusing on the micro-service architecture design and business system practice. This platform implements a standard development framework to generate micro-services engineering, by introducing micro-services building technology and distributed service registry technology. These technologies help to solve problems such as the long development cycle, difficulty to quickly respond to the needs of users and provide a strong support for the system development.

micro-service; development platform; distributed service registry

2016-07-26;收到修改稿時間:2016-10-12

10.15888/j.cnki.csa.005757