基于微服務(wù)的智能檔案服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃嘉誠(chéng)，董晶

（華北計(jì)算技術(shù)研究所公共安全系統(tǒng)部，北京100083）

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，檔案數(shù)據(jù)信息化建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行。其中檔案信息管理系統(tǒng)是檔案信息化建設(shè)的核心，如何增強(qiáng)檔案信息管理系統(tǒng)的智能化和穩(wěn)定性是本文的主要研究方向。

微服務(wù)（micro-service）是近年來軟件開發(fā)領(lǐng)域興起的一種新型軟件架構(gòu)。相對(duì)于過去采用SOA思想開發(fā)的單體式（monolithic）應(yīng)用來說，微服務(wù)化其實(shí)就是進(jìn)一步分布式和去中心化，目的是提高開發(fā)敏捷性，適應(yīng)越來越快速的技術(shù)迭代。微服務(wù)架構(gòu)最重要特點(diǎn)在于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的徹底組件化、服務(wù)化。原有的單體式應(yīng)用被拆分為多個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)、開發(fā)和維護(hù)的微服務(wù)。這些微服務(wù)通過RESTful的API互相調(diào)用。

每個(gè)服務(wù)從UI到控制層、邏輯層再到數(shù)據(jù)庫(kù)訪問都完全獨(dú)立。每個(gè)服務(wù)除了完成自身的任務(wù)之外，還可以調(diào)用其他微服務(wù)提供的功能，同時(shí)將自身的能力向外發(fā)布為服務(wù)。微服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)不再?gòu)?qiáng)調(diào)傳統(tǒng)SOA架構(gòu)應(yīng)用中比較重的ESB企業(yè)級(jí)服務(wù)總線，將SOA的思想應(yīng)用到單個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)真正的組件化。其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）由于微服務(wù)化架構(gòu)的每一個(gè)服務(wù)都由消息驅(qū)動(dòng)的API定義了清楚的邊界，單個(gè)服務(wù)的開發(fā)和維護(hù)可以由單獨(dú)的團(tuán)隊(duì)完成，易于開發(fā)和維護(hù)。2）單個(gè)服務(wù)的開發(fā)可以采用獨(dú)立的技術(shù)來完成，開發(fā)者可以自由選擇合適的技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，只要能夠提供符合要求的API就夠了。由于每個(gè)微服務(wù)都相對(duì)簡(jiǎn)單，采用新技術(shù)重新開發(fā)也不會(huì)像從前那么困難。3）各個(gè)服務(wù)可以獨(dú)立部署，加快部署速度，UI團(tuán)隊(duì)可以采用AB測(cè)試，快速的部署變化，微服務(wù)架構(gòu)模式使得持續(xù)化部署成為可能。4）每個(gè)服務(wù)都可以獨(dú)立地進(jìn)行擴(kuò)展。開發(fā)者可以根據(jù)每個(gè)服務(wù)不同的需求來提供滿足需求的規(guī)模，甚至可以使用針對(duì)某個(gè)服務(wù)專門優(yōu)化的硬件，極大提升軟件速度和服務(wù)的質(zhì)量。

另外，個(gè)性化服務(wù)理念是當(dāng)前檔案館服務(wù)中“以人為本”思想的重要體現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)以人為本的人性化服務(wù)，首先要轉(zhuǎn)變服務(wù)理念，以檔案利用者為服務(wù)對(duì)象，采用信息技術(shù)為其提供更精準(zhǔn)的個(gè)性化服務(wù)。針對(duì)檔案數(shù)據(jù)的個(gè)性推薦功能，該系統(tǒng)采用apriori算法和互信息計(jì)算為底層算法構(gòu)建了檔案數(shù)據(jù)利用的知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)作為數(shù)據(jù)檢索領(lǐng)域常用的數(shù)據(jù)組織形式，受到了國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)的重視，很多組織例如Google、微軟、百度等都建立了龐大的知識(shí)庫(kù)并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了多種應(yīng)用系統(tǒng)。本文通過一個(gè)獨(dú)立的微服務(wù)，基于檔案檢索歷史數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)并總結(jié)出檔案數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)并形成知識(shí)存儲(chǔ)在檔案數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)中。并基于此為用戶提供檔案檢索結(jié)果的智能化推薦，進(jìn)一步提升了檔案信息管理系統(tǒng)的智能化程度。

1 智能化檔案信息服務(wù)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

微服務(wù)化檔案信息管理系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)方面，需要根據(jù)實(shí)際情況，將原有檔案管理系統(tǒng)的功能進(jìn)行充分解耦，形成小服務(wù)群。這些小的服務(wù)彼此獨(dú)立，單獨(dú)部署，并都可以完成自身的任務(wù)。每個(gè)小服務(wù)都是從交互、業(yè)務(wù)邏輯再到底層存儲(chǔ)，獨(dú)立形成一個(gè)應(yīng)用。每個(gè)小應(yīng)用之間通過互相調(diào)用API實(shí)現(xiàn)通信。

本檔案信息管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能檔案信息管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)檔案信息管理系統(tǒng)的功能更偏向于檔案數(shù)據(jù)管理方，考慮的主要方面在于如何管理檔案，而對(duì)于數(shù)據(jù)利用方來說，其提供的服務(wù)相對(duì)較少。本系統(tǒng)通過檔案利用知識(shí)庫(kù)的建立，根據(jù)檔案利用的歷史知識(shí)數(shù)據(jù)和用戶的檢索行為，提供智能化檢索結(jié)果推薦。

2 智能檔案服務(wù)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 當(dāng)前檔案服務(wù)系統(tǒng)的缺陷

當(dāng)前檔案信息服務(wù)系統(tǒng)的缺陷主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)體現(xiàn)在單體式應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)方面，另一個(gè)則體現(xiàn)在智能化個(gè)性化服務(wù)的缺失方面。

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)缺陷

現(xiàn)在正在使用中的檔案管理系統(tǒng)，絕大多數(shù)屬于單體式應(yīng)用系統(tǒng)。從系統(tǒng)架構(gòu)角度來講，從用戶交互，到后臺(tái)服務(wù)再到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通常采用一體化開發(fā)，各個(gè)功能模塊之間耦合度過高。這樣的系統(tǒng)一是難于維護(hù)，各個(gè)功能之間沒能很好的解耦，往往維護(hù)起來牽一發(fā)而動(dòng)全身。二是這樣的系統(tǒng)在添加新的功能時(shí)，需要在原有的代碼中新增模塊，而新增的模塊往往又會(huì)調(diào)用原有的服務(wù)，進(jìn)一步增加的系統(tǒng)的耦合程度和復(fù)雜程度。以筆者曾參與開發(fā)和維護(hù)的一個(gè)檔案館信息管理系統(tǒng)為例。其采用的是傳統(tǒng)的企業(yè)級(jí)應(yīng)用開發(fā)模式，即MVC三層架構(gòu)，基于SSH編程框架開發(fā)。其項(xiàng)目架構(gòu)如圖2所示。

圖2 某檔案信息管理系統(tǒng)架構(gòu)

盡管這也是模塊化開發(fā)邏輯，但最終依然會(huì)打包成單一的war包，部署在統(tǒng)一的Tomcat服務(wù)器上。這種應(yīng)用開發(fā)風(fēng)格非常流行，因?yàn)镮DE和其它工具都擅長(zhǎng)開發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用，這類應(yīng)用也很易于調(diào)試，只需要簡(jiǎn)單運(yùn)行此應(yīng)用，用Selenium鏈接UI就可以完成端到端測(cè)試。單體式應(yīng)用也易于部署，只需要把打包應(yīng)用拷貝到服務(wù)器端，通過在負(fù)載均衡器后端運(yùn)行多個(gè)拷貝就可以輕松實(shí)現(xiàn)應(yīng)用擴(kuò)展。在早期這類應(yīng)用通常運(yùn)行的很好。但到開發(fā)的后期，由于不斷添加新的功能，這類系統(tǒng)會(huì)變成一個(gè)“龐然大物”，不利于軟件的開發(fā)和維護(hù)。由于沒有某單個(gè)開發(fā)者能夠完全理解整個(gè)大的系統(tǒng)的全部代碼，這會(huì)導(dǎo)致開發(fā)維護(hù)團(tuán)隊(duì)工作起來非常地“艱辛”，修正問題和新增功能變的非常困難，同時(shí)又非常耗時(shí)。另外，隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，應(yīng)用啟動(dòng)的時(shí)間也會(huì)越來越長(zhǎng)，有些應(yīng)用的啟動(dòng)時(shí)間會(huì)達(dá)到幾十分鐘，生產(chǎn)效率受到極大的影響。單體式應(yīng)用另外一個(gè)問題是可靠性。由于所有模塊都運(yùn)行在一個(gè)進(jìn)程中，任何一個(gè)模塊中產(chǎn)生內(nèi)存泄露，將會(huì)有可能弄垮整個(gè)進(jìn)程。最后，單體式應(yīng)用使得采用新架構(gòu)和語言非常困難。比如，對(duì)于上面筆者提到的例子，該系統(tǒng)有大約兩百萬行代碼。這時(shí)開發(fā)團(tuán)隊(duì)如果想改用其它更好的框架，無論是時(shí)間還是成本都是非常昂貴，這是一個(gè)無法逾越的鴻溝。開發(fā)者就不得不在最初選擇面前妥協(xié)，繼續(xù)維護(hù)這個(gè)陳舊的龐然大物，或者干脆推倒重來。

綜上所述，筆者認(rèn)為這種開發(fā)架構(gòu)越來越不適應(yīng)現(xiàn)在的應(yīng)用開發(fā)形勢(shì)。隨著新技術(shù)產(chǎn)生的速度越來越快，如何充分解耦整個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)又能兼顧魯棒性，必然成為軟件開發(fā)領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。在后面的章節(jié)，本文會(huì)簡(jiǎn)要的介紹微服務(wù)化系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，以及如何采用微服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)一個(gè)全新的檔案管理系統(tǒng)。

2.1.2 智能化服務(wù)的缺失

正如谷歌公司首席經(jīng)濟(jì)學(xué)家所說，在當(dāng)前的大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們不缺少數(shù)據(jù)，缺少的是在浩如煙海的海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)價(jià)值的能力。同樣筆者認(rèn)為，對(duì)于當(dāng)前的檔案數(shù)據(jù)來說，其中的價(jià)值并沒有的到很好的挖掘和開發(fā)。對(duì)于檔案數(shù)據(jù)，檔案館最重要的任務(wù)就是如何管理好和利用好檔案數(shù)據(jù)。目前檔案館對(duì)于數(shù)據(jù)的管理和利用存在短板，主要體現(xiàn)在檔案數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)程度低。根據(jù)筆者調(diào)研，目前的檔案管理系統(tǒng)多數(shù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為檔案標(biāo)題，類別，時(shí)間等屬性數(shù)據(jù)。提供的功能僅限于根據(jù)這些屬性，配合查閱權(quán)限等業(yè)務(wù)流程進(jìn)行檔案檢索。檢索的結(jié)果包括檔案是否可用，檔案的位置等信息。這種檢索從根本上來說并沒有很好的利用檔案數(shù)據(jù)電子化的優(yōu)勢(shì)，原因在于這些業(yè)務(wù)邏輯其實(shí)和紙質(zhì)檔案系統(tǒng)中是完全一樣的。這種檢索僅僅把原始的服務(wù)轉(zhuǎn)移到了線上，用來提高檢索的速度，卻并沒有利用這些數(shù)據(jù)資源建立檔案之間的關(guān)聯(lián)體系，實(shí)現(xiàn)智能化檢索。

基于此，筆者希望能夠利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一種檔案利用知識(shí)庫(kù)。文中探索了一種基于檢索歷史和檔案類別建立的檔案數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)，提升檔案檢索的的智能化程度。

2.2 智能檔案信息管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于整個(gè)系統(tǒng)被分成多個(gè)相互獨(dú)立的小應(yīng)用，所以在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)分成兩個(gè)層次，即小應(yīng)用層面的架構(gòu)以及整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)。

2.2.1 獨(dú)立微服務(wù)的架構(gòu)

每個(gè)獨(dú)立的服務(wù)都擁有自己的一套業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)外提供符合整個(gè)系統(tǒng)需要的API進(jìn)行交互。我們以目錄著錄功能的微服務(wù)為例，其組織架構(gòu)如圖3所示。此應(yīng)用在交互層面，只針對(duì)檔案目錄的著錄人員。其API設(shè)計(jì)采用REST設(shè)計(jì)，對(duì)著錄人員提供檔案目錄數(shù)據(jù)的增刪改查等操作，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的其它應(yīng)用提供與功能相適應(yīng)的API。其架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 獨(dú)立微服務(wù)的架構(gòu)

2.2.2 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

微服務(wù)化系統(tǒng)的整體架構(gòu)由多個(gè)獨(dú)立的小應(yīng)用組成，應(yīng)用之間可以互相調(diào)用其向外提供的API實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

系統(tǒng)的體系架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 檔案信息管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)

對(duì)于目錄檢索用戶來說，其檢索結(jié)果不僅由某一個(gè)微服務(wù)提供，而是包括了目錄著錄、結(jié)果推薦等多個(gè)微服務(wù)的數(shù)據(jù)。對(duì)于這種情況，我們采用API Gateway服務(wù)器負(fù)責(zé)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)整合以及協(xié)議轉(zhuǎn)換。所有來自于用戶的請(qǐng)求都會(huì)先經(jīng)過API Gateway，然后路由這些請(qǐng)求到對(duì)應(yīng)的各個(gè)微服務(wù)。API Gateway再將這些數(shù)據(jù)整合，提供給客戶端一個(gè)粗粒度的API，實(shí)現(xiàn)分布式微服務(wù)架構(gòu)對(duì)用戶的透明性。

3 檔案檢索結(jié)果個(gè)性化推薦的實(shí)現(xiàn)

檔案數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)是本檔案信息系統(tǒng)提供智能化檢索服務(wù)的基礎(chǔ)。通過對(duì)檢索歷史的記錄與分析，向用戶提供有價(jià)值的檢索建議。檔案數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)檔案數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)體系，它可以存儲(chǔ)關(guān)聯(lián)緊密的檔案類別，或者檔案之間的聯(lián)系，并在用戶檢索其中一項(xiàng)時(shí)向其推薦其他數(shù)據(jù)。建立檔案知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)主要可以采取兩種方式。第一種是人工添加，即根據(jù)檔案工作人員以往的工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出哪些檔案類別或者檔案經(jīng)常會(huì)同時(shí)使用，然后將其存儲(chǔ)為一條知識(shí)到檔案數(shù)據(jù)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。這種方式局限性比較大，較依賴于工作經(jīng)驗(yàn)豐富的檔案工作人員，并且不夠全面。為了解決這個(gè)問題，本檔案信息管理系統(tǒng)使用了Apriori算法和互信息計(jì)算法，通過兩種算法的計(jì)算來發(fā)現(xiàn)檔案之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3.1 檔案數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)的建立

Apriori算法是廣泛應(yīng)用于關(guān)聯(lián)挖掘領(lǐng)域的算法，它通過計(jì)算候選集和情節(jié)的向下封閉檢測(cè)兩個(gè)階段來挖掘頻繁項(xiàng)集。知識(shí)學(xué)習(xí)微服務(wù)通過Apriori算法計(jì)算關(guān)聯(lián)關(guān)系的過程如圖5所示。

圖5 Apriori算法獲取檔案檢索頻繁項(xiàng)集

通過Apriori算法計(jì)算得到的知識(shí)需要通過第二步，即互信息計(jì)算最終確定該條知識(shí)是否具有客觀價(jià)值和合理性。互信息是信息論領(lǐng)域一種重要的信息度量，它用來表示一個(gè)隨機(jī)事件的發(fā)生對(duì)另一個(gè)隨機(jī)事件發(fā)生概率的影響。形式化的解釋為：設(shè)有兩個(gè)事件X、Y，已知事件X的發(fā)生的概率為P（X），當(dāng)事件Y發(fā)生時(shí)，事件X發(fā)生的概率變?yōu)镻（X|Y），即Y發(fā)生是X的條件概率。則X、Y的互信息量S為事件X發(fā)生概率的改變量，即P（X|Y）-P（X）。S的絕對(duì)值越大，說明事件X、Y之間的的關(guān)系越緊密。S的值正向越大，說明事件X、Y同時(shí)發(fā)上的可能性就越大，S的值負(fù)向越大，則說明X、Y的發(fā)生越互相排斥。

我們通過計(jì)算一條知識(shí)中各個(gè)檔案被檢索這個(gè)事件之間的互信息，來檢驗(yàn)其合理性。如果兩個(gè)事件之間的互信息量值達(dá)到一定數(shù)值，我們便可以推測(cè)出這兩類檔案被同時(shí)檢索的可能性較高，進(jìn)而確認(rèn)這條知識(shí)的可信性。

檔案數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)的建立也得益于本系統(tǒng)的微服務(wù)化架構(gòu)模式。由于Apriori算法和互信息計(jì)算需要占用較大的服務(wù)器計(jì)算資源，如果采用單體應(yīng)用架構(gòu)，會(huì)極大的影響系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。通過采用微服務(wù)化架構(gòu)，各個(gè)服務(wù)單獨(dú)部署，彼此的運(yùn)算資源隔離并可以按照需求部署，提高了系統(tǒng)在運(yùn)算方面的能力。

3.2 智能化檢索的服務(wù)流程

智能化檢索的服務(wù)流程如圖6所示。

圖6 檔案利用者檢索流程

用戶通過客戶端，網(wǎng)頁(yè)或智能終端發(fā)送檢索請(qǐng)求，API Gateway獲取請(qǐng)求，分解為細(xì)粒度請(qǐng)求分發(fā)給各個(gè)微服務(wù)。接著各個(gè)微服務(wù)返回?cái)?shù)據(jù)到API Gateway進(jìn)行整合，返回給用戶。

4 結(jié)束語

文中針對(duì)筆者在實(shí)際檔案信息管理系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)工作中遇到的問題，即單體式應(yīng)用開發(fā)維護(hù)難度高、技術(shù)陳舊并難以采用新技術(shù)以及檔案數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)體系的缺失，智能化程度低等問題，提出了包括采用Apriori算法和互信息計(jì)算來建立檔案關(guān)聯(lián)知識(shí)庫(kù)，以及其他獨(dú)立服務(wù)群的微服務(wù)化體系架構(gòu)的檔案信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

其中知識(shí)學(xué)習(xí)微服務(wù)和結(jié)果推薦微服務(wù)在檔案管理系統(tǒng)中已經(jīng)部署并運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，知識(shí)學(xué)習(xí)微服務(wù)確實(shí)能夠發(fā)現(xiàn)一些檔案利用的規(guī)律，并應(yīng)用于檢索結(jié)果的推薦中。例如某檔案館某一段時(shí)間內(nèi)辦理離退休職工勞動(dòng)保障工作的人較多，經(jīng)過計(jì)算得出某幾類檔案是在辦理這類服務(wù)中需要使用的，系統(tǒng)便可以在檢索結(jié)果推薦中將其他幾類案卷推薦給檔案利用人員，提升了檢索的效率和智能化程度，方便了檔案利用者和檔案服務(wù)人員的工作。在接下來的工作中，會(huì)陸續(xù)將其他微服務(wù)開發(fā)和部署完畢，并在實(shí)際的工作環(huán)境中投入使用。

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