信息系統(tǒng)自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周春云 周思遠(yuǎn) 朱洪斌

隨著國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，信息系統(tǒng)建設(shè)力度的逐步加大，現(xiàn)役信息系統(tǒng)急需進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化適配改造，針對(duì)這一建設(shè)，急需結(jié)合自主可控發(fā)展現(xiàn)狀，開(kāi)展自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境研究與設(shè)計(jì)，加快解決制約信息系統(tǒng)自主可控發(fā)展中的瓶頸，推動(dòng)信息系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)程，從根本上擺脫對(duì)國(guó)外基礎(chǔ)軟硬件的依賴。

信息系統(tǒng)主要由終端、服務(wù)器、交換機(jī)以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)等要素組成，其中在基礎(chǔ)軟硬件方面，以美國(guó)為主的發(fā)達(dá)國(guó)家擁有巨大的“技術(shù)閥門(mén)”優(yōu)勢(shì)，在體系標(biāo)準(zhǔn)、重點(diǎn)軟件和關(guān)鍵技術(shù)等方面領(lǐng)先于其他各國(guó)，牢牢占據(jù)信息技術(shù)的“制高點(diǎn)”。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)絕大部分信息系統(tǒng)都是運(yùn)行在國(guó)外設(shè)備上，信息系統(tǒng)的安全性問(wèn)題日漸突出。

隨著我國(guó)信息技術(shù)的發(fā)展，自主可控生態(tài)環(huán)境正逐步完善，但是在推進(jìn)過(guò)程中還存在實(shí)際問(wèn)題，僅從信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐環(huán)境來(lái)看，國(guó)產(chǎn)Linux操作系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)類似Windows SDK或者Android SDK的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行支撐能力，基礎(chǔ)軟硬件多線發(fā)展、兼容性差，難以形成整體合力，不利于信息系統(tǒng)的升級(jí)發(fā)展。

針對(duì)信息系統(tǒng)“強(qiáng)內(nèi)聚、松耦合”的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合自主可控發(fā)展現(xiàn)狀，構(gòu)建公共基礎(chǔ)支撐環(huán)境，制定統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)、運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，整合系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，為各類信息系統(tǒng)提供通用的基礎(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的信息共享和互操作，全面保障信息系統(tǒng)的自主可控建設(shè)和升級(jí)發(fā)展。

自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境總體設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)

自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境在信息系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮著“基礎(chǔ)底座”的作用。該環(huán)境依托自主可控基礎(chǔ)軟硬件發(fā)展成果，結(jié)合分布式、云計(jì)算、人工智能、自動(dòng)化運(yùn)維和高性能計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)“分層解耦、兼容統(tǒng)一、通用共享、安全高效、持續(xù)發(fā)展”為目標(biāo)，開(kāi)展系統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)境、平臺(tái)模塊和服務(wù)插件的設(shè)計(jì)，研制通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、服務(wù)化和模塊化的基礎(chǔ)支撐環(huán)境。

通過(guò)深入分析信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、運(yùn)行使用要求，按照系統(tǒng)體系架構(gòu)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，包括基礎(chǔ)資源層、基礎(chǔ)環(huán)境層、基礎(chǔ)平臺(tái)層及應(yīng)用層，各層之間接口標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，可供上層調(diào)用引接。自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境主要涵蓋基礎(chǔ)環(huán)境層和基礎(chǔ)平臺(tái)層。

1.基礎(chǔ)資源層

資源層提供系統(tǒng)運(yùn)行的硬件、固件、操作系統(tǒng)等各類基礎(chǔ)資源，支持集成公共基礎(chǔ)設(shè)施，兼容終端計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、模塊化組合設(shè)備等各類硬件環(huán)境，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)資源的深度適配優(yōu)化，充分發(fā)揮國(guó)產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)性能。

2.基礎(chǔ)環(huán)境層

根據(jù)信息系統(tǒng)使用要求，自主可控支撐環(huán)境需要實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)快速開(kāi)發(fā)和兼容運(yùn)行。通過(guò)構(gòu)建應(yīng)用基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境和開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)適配和部署運(yùn)行的層次解耦，提升系統(tǒng)研制運(yùn)行效率，保障應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

3.基礎(chǔ)平臺(tái)層

基礎(chǔ)平臺(tái)層提供信息系統(tǒng)運(yùn)行所需的平臺(tái)支撐能力，包括云計(jì)算平臺(tái)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)、并行計(jì)算平臺(tái)和地理信息平臺(tái)等。通過(guò)研制專用平臺(tái)和專用環(huán)境提升信息系統(tǒng)的中間層支撐能力，對(duì)上層應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、通用集成、安全高效的平臺(tái)層支撐。

4.應(yīng)用層

應(yīng)用層主要面向現(xiàn)役、在研的辦公、情報(bào)、決策支持、數(shù)據(jù)處理及綜合保障等各類信息系統(tǒng)的研制和建設(shè)過(guò)程，提供業(yè)務(wù)應(yīng)用所需的基礎(chǔ)支撐環(huán)境，提升自主可控開(kāi)發(fā)適配和兼容運(yùn)行能力。

作用特點(diǎn)

信息系統(tǒng)自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境具備如下特點(diǎn)：

提供統(tǒng)一架構(gòu)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一接口的運(yùn)行環(huán)境和開(kāi)發(fā)環(huán)境，解決國(guó)產(chǎn)平臺(tái)適配周期長(zhǎng)、效率低，中間件不完備和支撐能力弱等問(wèn)題。

對(duì)信息系統(tǒng)急需的基礎(chǔ)庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行補(bǔ)齊、優(yōu)化及版本接口統(tǒng)一，有效提升各類信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率、降低集成聯(lián)調(diào)難度、縮短建設(shè)周期。

研制最小化基礎(chǔ)環(huán)境，針對(duì)信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)軟件中不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在支撐環(huán)境中選擇安裝相應(yīng)的軟件包，這種安裝方式既不額外增加應(yīng)用響應(yīng)延時(shí)，也便于應(yīng)用的快速部署、升級(jí)維護(hù)和跨平臺(tái)遷移。

信息系統(tǒng)自主可控研制過(guò)程中使用大量的無(wú)法預(yù)估風(fēng)險(xiǎn)的第三方插件和開(kāi)源代碼，缺乏絕對(duì)安全、絕對(duì)可靠的運(yùn)行保障，通過(guò)構(gòu)建基礎(chǔ)支撐環(huán)境，檢測(cè)并重構(gòu)不可控插件或源碼，通過(guò)代碼安全性檢測(cè)技術(shù)保障基礎(chǔ)環(huán)境的可靠、穩(wěn)定使用。

自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境技術(shù)實(shí)現(xiàn)

自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境是信息系統(tǒng)的重要支撐底座，采用“集研結(jié)合、繼承拓展”的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)，主要功能模塊包括基礎(chǔ)支撐庫(kù)、運(yùn)行環(huán)境、開(kāi)發(fā)環(huán)境、云計(jì)算平臺(tái)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)、并行計(jì)算平臺(tái)和地理信息平臺(tái)等。

基礎(chǔ)支撐庫(kù)

基礎(chǔ)支撐庫(kù)主要由計(jì)算加速庫(kù)、圖形處理庫(kù)、音網(wǎng)絡(luò)傳輸庫(kù)、消息通信庫(kù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)、分布式處理庫(kù)和智能算法庫(kù)組成。基礎(chǔ)支撐庫(kù)提供信息系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)、適配和集成過(guò)程所需的基礎(chǔ)庫(kù)集合。解決信息系統(tǒng)基礎(chǔ)庫(kù)缺失、版本不統(tǒng)一、應(yīng)用性能薄弱和缺乏統(tǒng)一管理等問(wèn)題。

基礎(chǔ)支撐庫(kù)在構(gòu)建時(shí)，會(huì)根據(jù)國(guó)產(chǎn)平臺(tái)特點(diǎn)進(jìn)行定制優(yōu)化，逐級(jí)進(jìn)行基礎(chǔ)庫(kù)性能提升，通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一、通用且完善的基礎(chǔ)支撐庫(kù)，全面支撐應(yīng)用自主可控的適配需求。

運(yùn)行環(huán)境

運(yùn)行環(huán)境主要面向前端業(yè)務(wù)插件和后端服務(wù)，提供統(tǒng)一的應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境，研制集成C/C++/JDK、Web、分布式集群等基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境，從版本、功能和接口等方面實(shí)現(xiàn)一致性，兼容國(guó)產(chǎn)飛騰、龍芯等基礎(chǔ)平臺(tái)，并通過(guò)逐級(jí)優(yōu)化、內(nèi)核調(diào)優(yōu)以及源碼裁剪等技術(shù)手段提升了運(yùn)行效率，滿足應(yīng)用高效、穩(wěn)定的運(yùn)行要求。

應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境具備強(qiáng)大的應(yīng)用運(yùn)行支撐與集成應(yīng)用能力，支持多平臺(tái)、多應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)化運(yùn)行，采用先進(jìn)、科學(xué)的統(tǒng)一打包技術(shù)設(shè)計(jì)，將運(yùn)行環(huán)境與應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一打包封裝，形成統(tǒng)一格式文件，有效地改變了應(yīng)用部署、運(yùn)行模式，提升應(yīng)用部署效率。

開(kāi)發(fā)環(huán)境

開(kāi)發(fā)環(huán)境是業(yè)務(wù)軟件開(kāi)發(fā)的必備條件，包括集成開(kāi)發(fā)、編譯構(gòu)建、代碼遷移、代碼檢測(cè)等功能模塊。通過(guò)開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件的開(kāi)發(fā)、調(diào)試、集成和測(cè)試，方便用戶的操作使用，提供軟件遷移改造功能，提升軟件從非國(guó)產(chǎn)平臺(tái)向國(guó)產(chǎn)平臺(tái)遷移效率。

開(kāi)發(fā)環(huán)境是以國(guó)產(chǎn)Linux編譯工具或開(kāi)源工具為基礎(chǔ)，提供自主可控平臺(tái)下的完整開(kāi)發(fā)模式和開(kāi)發(fā)工具，針對(duì)不同自主可控平臺(tái)提供同一版本，同一接口規(guī)范的基礎(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)差異下的快速開(kāi)發(fā)適配驗(yàn)證。

云計(jì)算平臺(tái)

云計(jì)算平臺(tái)主要包括虛擬化支撐引擎和云平臺(tái)資源管理調(diào)度軟件。通過(guò)在國(guó)產(chǎn)平臺(tái)上研制并適配虛擬化支撐引擎，將國(guó)產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件資源形成虛擬資源，通過(guò)資源管理調(diào)度軟件實(shí)現(xiàn)虛擬資源的一體化管理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件的集中管控和集群構(gòu)建，完成對(duì)應(yīng)用服務(wù)的封裝，保障應(yīng)用快速部署和高效升級(jí)維護(hù)。云計(jì)算平臺(tái)提供可配置、按需調(diào)度的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源共享池，對(duì)上提供服務(wù)主機(jī)或容器。

大數(shù)據(jù)平臺(tái)

大數(shù)據(jù)平臺(tái)主要用于支撐信息系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)處理需求，完成海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、分析和檢索等功能，核心模塊包括分布式存儲(chǔ)軟件、分布式計(jì)算軟件和數(shù)據(jù)分析挖掘軟件。

大數(shù)據(jù)平臺(tái)以分布式文件存儲(chǔ)和分布式計(jì)算為基礎(chǔ)，將檢索查詢、圖算、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)統(tǒng)一到一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)下，并以一致的接口API公開(kāi)，配套業(yè)務(wù)應(yīng)用存儲(chǔ)、計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)管理以及集群監(jiān)控管理等模塊，支持開(kāi)發(fā)各類大數(shù)據(jù)處理、分析、多源數(shù)據(jù)提取和融合處理的相關(guān)應(yīng)用，為多源數(shù)據(jù)管理、多任務(wù)處理、決策支持等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供有效支撐。

并行計(jì)算平臺(tái)

并行計(jì)算平臺(tái)需要結(jié)合國(guó)產(chǎn)并行計(jì)算技術(shù)和自主可控發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析研究基于OpenMP、MPI等傳統(tǒng)并行計(jì)算和基于異構(gòu)眾核并行計(jì)算的技術(shù)架構(gòu)、工作原理和實(shí)現(xiàn)途徑，結(jié)合信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求進(jìn)行定制化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，形成具有國(guó)產(chǎn)化特色的并行計(jì)算能力，全面提升信息系統(tǒng)典型業(yè)務(wù)計(jì)算效率。

在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)解決分布式資源調(diào)度與并行計(jì)算調(diào)度框架之間的動(dòng)態(tài)協(xié)商和資源分配問(wèn)題，滿足計(jì)算資源動(dòng)態(tài)平衡和計(jì)算任務(wù)的熱備。同時(shí)，在應(yīng)用程序并行遷移改造過(guò)程中，通過(guò)代碼分析掃描，快速分析出應(yīng)用程序性能瓶頸，找出熱點(diǎn)函數(shù)，僅需少量人工查驗(yàn)和修改，即可完成程序并行化改造，極大地降低了用戶并行程序改造難度。

地理信息平臺(tái)

地理信息平臺(tái)通過(guò)集成二維GIS、三維GIS功能，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決空間信息復(fù)雜的規(guī)劃和管理問(wèn)題。

地理信息平臺(tái)研制過(guò)程中，重點(diǎn)突破國(guó)產(chǎn)硬件圖形加速、圖形庫(kù)優(yōu)化、圖像加載效率和二三維聯(lián)動(dòng)顯示等技術(shù)難點(diǎn)，定制化圖形顯示驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用插件和API接口，支持二維、三維、2.5維可視化顯示，實(shí)現(xiàn)基于全球影像開(kāi)發(fā)的空天地一體化信息展示平臺(tái)。

國(guó)產(chǎn)自主可控的基礎(chǔ)產(chǎn)品已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)囊?guī)模，急需在信息系統(tǒng)平臺(tái)推廣，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還存在適配性、兼容性、穩(wěn)定性和易用性等問(wèn)題，急需開(kāi)展自主可控基礎(chǔ)支撐環(huán)境的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，推進(jìn)信息系統(tǒng)在國(guó)產(chǎn)平臺(tái)上高效、穩(wěn)定運(yùn)行。下一步除了需要繼續(xù)完善基礎(chǔ)支撐環(huán)境的功能性能，更需要充分調(diào)研信息系統(tǒng)實(shí)際使用需要，從應(yīng)用需求入手，重視用戶的實(shí)用性和便捷性，打造更高效、更可靠、更全面的基礎(chǔ)支撐環(huán)境。