復(fù)雜信息系統(tǒng)部署回退方法研究

傅 強，雷 蒙

（中國科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038）

0 引 言

隨著IT 技術(shù)和信息化建設(shè)的發(fā)展，應(yīng)用系統(tǒng)功能體系不斷完善，應(yīng)用系統(tǒng)部署規(guī)模日益增長。考慮到互聯(lián)網(wǎng)用戶服務(wù)質(zhì)量要求，應(yīng)用系統(tǒng)通常采用模塊化開發(fā)建設(shè)和分布式部署模式，少數(shù)系統(tǒng)部署規(guī)模甚至突破數(shù)萬臺服務(wù)器。系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)以模塊化方式組織，在長期系統(tǒng)服務(wù)、運行管理過程中積累大量系統(tǒng)模塊版本以及部署記錄等信息。如何有效管理這些模塊，配置、記錄信息，是現(xiàn)階段運維管理的挑戰(zhàn)。在運維管理過程中妥善記錄各類應(yīng)用模塊的部署情況，可以支撐系統(tǒng)回退，從而有利于實現(xiàn)系統(tǒng)故障的快速部署調(diào)整。

1 復(fù)雜信息系統(tǒng)運維管理情況

復(fù)雜信息系統(tǒng)運維部署管理通常使用自動化服務(wù)器配置管理工具，可以對所管理的對象實行自動化配置，如系統(tǒng)管理、安裝軟件等，實現(xiàn)運維信息管理、部署操作管理、機房設(shè)備管理、應(yīng)用系統(tǒng)管理，常用的工具有Chef、Ansible、Fabric等。這些管理工具詳細記錄復(fù)雜信息系統(tǒng)中每個應(yīng)用模塊的信息，包括部署文件、配置文件、部署記錄、版本信息、數(shù)據(jù)庫、文件備份、接口情況、服務(wù)監(jiān)控等，保障了復(fù)雜信息系統(tǒng)的運維管理工作平穩(wěn)有序開展。

在復(fù)雜信息系統(tǒng)的運維過程中，服務(wù)故障、系統(tǒng)漏洞、安全問題等時常發(fā)生，運維人員在故障定位、原因分析、系統(tǒng)升級等過程中通?；ㄙM較長時間，影響系統(tǒng)正常對外服務(wù)。一個應(yīng)用模塊的部署一般存在多個版本，如部署版本1、版本2、版本3.5，應(yīng)用模塊的多個部署版本是由功能完善、性能調(diào)優(yōu)或bug 修復(fù)造成的。當(dāng)一個較高版本的應(yīng)用模塊出現(xiàn)運維問題時，為快速做好故障處置，降低版本、降維運行是一個現(xiàn)實可行且實施高效的技術(shù)選擇。當(dāng)一個版本從較高版本（如版本3.5）回退到較低版本（如版本2）時，需要實施部署回退。

信息系統(tǒng)的建設(shè)過程中，各個應(yīng)用模塊分別部署在不同服務(wù)器上，每個應(yīng)用模塊的部署版本共同組成了信息系統(tǒng)的當(dāng)前部署版本。例如，某個信息系統(tǒng)共計4 個應(yīng)用模塊，該信息系統(tǒng)的部署情況、應(yīng)用模塊關(guān)系與應(yīng)用版本如圖1 所示，表示應(yīng)用模塊的部署版本為3，到的箭頭表示調(diào)用了的服務(wù)。隨著信息系統(tǒng)功能不斷發(fā)展迭代、不斷優(yōu)化和修復(fù)bug 后，組成信息系統(tǒng)的應(yīng)用模塊可能會增加，相關(guān)模塊的部署版本會升級，圖1 中信息系統(tǒng)升級后的部署情況如圖2 所示。從圖2 可見，信息系統(tǒng)升級時，增加了1 個應(yīng)用模塊，同時應(yīng)用模塊的部署版本從1 升級為2。

圖1 4 個應(yīng)用模塊的信息系統(tǒng)

圖2 5 個應(yīng)用模塊的信息系統(tǒng)

當(dāng)某個應(yīng)用模塊因為功能缺陷、安全問題等原因需進行調(diào)整時，可以通過部署回退操作恢復(fù)系統(tǒng)服務(wù)。由于應(yīng)用模塊版本間可能存在依賴關(guān)系，穩(wěn)妥方案是系統(tǒng)回退到出問題模塊部署之前的系統(tǒng)版本。例如，圖2 中的應(yīng)用模塊或發(fā)生故障時，信息系統(tǒng)將從圖2 回退到圖1 的部署狀態(tài)。

在實際信息化工作中，信息系統(tǒng)的集成和部署規(guī)模都是龐大的，以科技部的科技計劃項目申報管理系統(tǒng)——國家科技管理信息系統(tǒng)公共服務(wù)平臺為例，經(jīng)過15 年的發(fā)展，其部署規(guī)模約為300 臺服務(wù)器，存在大量的應(yīng)用模塊和部署版本。以信息系統(tǒng)運維工作為基礎(chǔ)，本文研究復(fù)雜信息系統(tǒng)回退方法，并應(yīng)用在故障處置、系統(tǒng)降維運行過程中。通過這種方法，可以有效降低運維管理強度，提升故障處理效率。

2 運維部署模型與部署關(guān)系表達

2.1 應(yīng)用部署模型

運維工作需要記錄的內(nèi)容一般包括四個方面。

1）基本信息。包含應(yīng)用的名稱、工程名、開發(fā)單位、版本號、上線時間等。

2）配置參數(shù)。服務(wù)器IP、服務(wù)端口號、部署路徑、中間件名稱、中間件版本號等。

3）部署與備份文件。當(dāng)前應(yīng)用部署文件，以及以往的各類應(yīng)用備份、用戶文件備份、數(shù)據(jù)庫備份等。

4）運維記錄。運維人員操作內(nèi)容與操作時間，包括應(yīng)用升級、應(yīng)用重啟、修改配置、更新數(shù)據(jù)、安全補丁等。

為實現(xiàn)應(yīng)用部署回退，本文提出一種應(yīng)用部署模型，包含應(yīng)用基本信息、服務(wù)性能、備份文件、運維記錄等，該模型表達如下：

式中：表示應(yīng)用基本信息，由多個鍵值對組成，包括應(yīng)用名稱、部署名稱、版本號等基本屬性；表示應(yīng)用的配置參數(shù)，是系統(tǒng)部署、正常運行相關(guān)的各種信息；表示部署與備份文件，記錄應(yīng)用不同版本對應(yīng)的部署、備份文件位置；表示運維記錄，主要記錄應(yīng)用不同版本的上線、更新、下線等操作時間等信息。

2.2 應(yīng)用部署關(guān)系

本文采用有向圖{,}，表示某一時刻復(fù)雜信息系統(tǒng)部署關(guān)系，這種方法與鄰接矩陣表示圖的方法類似，將其定義為復(fù)雜信息系統(tǒng)部署關(guān)系的鄰接矩陣表示法。其中為所有應(yīng)用的集合，也就是圖中的頂點，可用一維數(shù)組存儲應(yīng)用部署模型的信息。為應(yīng)用之間的關(guān)系，即圖中的邊，可用二維數(shù)組表示兩個應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

對于任意兩個應(yīng)用a和a，兩者的部署關(guān)系為a調(diào)用a的服務(wù)，則在{,}中存在一條從a到a的邊，記為<a,a>（≠），且r=1。本文定義{,}的鄰接矩陣表示如下，是一個×的矩陣：

以5個應(yīng)用組成的系統(tǒng)為例，系統(tǒng)部署關(guān)系如圖3所示。圖3 中：..version=1，..version=2，..version=3，..version=4，..version=5，則這個包含5 個應(yīng)用系統(tǒng)的部署關(guān)系圖用一個5×5 的矩陣表示為：

圖3 系統(tǒng)部署關(guān)系示例

本文提出的復(fù)雜信息系統(tǒng)部署關(guān)系鄰接矩陣表示法，采用圖的鄰接矩陣表示法記錄復(fù)雜信息系統(tǒng)應(yīng)用模塊部署關(guān)系的同時，還將每一個應(yīng)用模塊的部署版本記錄在鄰接矩陣中，有利于應(yīng)用模塊版本控制與部署關(guān)系的統(tǒng)一運維管理。

2.3 部署關(guān)系模型

復(fù)雜信息系統(tǒng)部署關(guān)系隨著運維部署操作會產(chǎn)生變化，在不同的時間點，復(fù)雜信息系統(tǒng)的部署關(guān)系是不同的，因此可以用與時間點定義復(fù)雜信息系統(tǒng)在某個時刻的部署關(guān)系。結(jié)合復(fù)雜信息系統(tǒng)部署管理的上述特征，本文提出一種復(fù)雜信息系統(tǒng)部署關(guān)系模型，={,,}。實際上，是包含每個時刻復(fù)雜信息系統(tǒng)部署關(guān)系的集合。

式中：G是t時刻復(fù)雜信息系統(tǒng)的部署關(guān)系圖，最早的系統(tǒng)部署關(guān)系圖為，最新的系統(tǒng)部署關(guān)系圖為G。根據(jù)復(fù)雜信息系統(tǒng)運維管理的增量變化特點，可以得出當(dāng)t< t時，A?A且R?R。

3 部署狀態(tài)模型與回退方法

3.1 部署狀態(tài)模型

復(fù)雜信息系統(tǒng)運維管理過程中，每一個應(yīng)用系統(tǒng)、部署關(guān)系會發(fā)生變化，都會導(dǎo)致應(yīng)用、部署關(guān)系發(fā)生變化。例如，一個新的應(yīng)用模塊部署、一個在線應(yīng)用模塊升級、一個應(yīng)用模塊下線等?？梢?，復(fù)雜信息系統(tǒng)的部署關(guān)系{,}隨著特定部署操作，存在以下5 個特點。

1）應(yīng)用模塊會發(fā)生變更，包括基本信息、服務(wù)性能、備份文件、運維記錄等。

2）應(yīng)用部署關(guān)系隨應(yīng)用模塊變更而變更。

3）在沒有應(yīng)用變更時，部署關(guān)系維持不變，發(fā)生新的運維操作時，才可能發(fā)生變化。

4）變更是在一個特定時間點發(fā)生的。

5）部署關(guān)系的變更，通常是由一個或少數(shù)幾個應(yīng)用的變更引起的，且僅與這些應(yīng)用模塊相關(guān)的部署關(guān)系會發(fā)生變更。

基于上述特點，復(fù)雜信息系統(tǒng)的部署管理過程可以采用有限狀態(tài)機（Finite State Machine，F(xiàn)SM）表示運維部署操作引發(fā)的復(fù)雜信息系統(tǒng)整體狀態(tài)的變化。本文提出一個適用于復(fù)雜信息系統(tǒng)部署狀態(tài)模型，由三元組{,,}表示，其中：是部署狀態(tài)模型的狀態(tài)集合；是各類運維部署操作集合，分為常規(guī)操作、變更操作和回退操作；是一個狀態(tài)遷移關(guān)系的矩陣，×?，?×。

在部署狀態(tài)模型中，運維操作觸發(fā)信息系統(tǒng)部署狀態(tài)的改變。是信息系統(tǒng)所有部署狀態(tài)的集合，信息系統(tǒng)在某一個時間點的部署狀態(tài)只對應(yīng)一個特定的S。的任意2 個狀態(tài)S和S都存在時間上的先后關(guān)系，當(dāng)S早于S時，<。信息系統(tǒng)每一次部署狀態(tài)變化都是由某一個運維部署操作引起的，其中常規(guī)操作通常不會改變部署狀態(tài)，變更操作會觸發(fā)部署狀態(tài)變遷為新的狀態(tài)，回退操作會觸發(fā)部署狀態(tài)變遷為舊的狀態(tài)。表示因運維操作觸發(fā)的一次部署狀態(tài)遷移關(guān)系集合，可以看作是一個矩陣，這個矩陣記錄了和的關(guān)系。的階是由的數(shù)量決定的，因此矩陣是一個 ||階矩陣。

圖4 給出了一個信息系統(tǒng)部署狀態(tài)模型的例子，其中={,,}。這個狀態(tài)機模型的狀態(tài)遷移關(guān)系矩陣如表1 所示，={,,,?}，?記為空運維部署操作。

圖4 部署狀態(tài)模型示例

表1 部署狀態(tài)模型狀態(tài)遷移

3.2 部署回退算法

結(jié)合系統(tǒng)部署關(guān)系模型，本文提出一種復(fù)雜信息系統(tǒng)部署回退算法。當(dāng)復(fù)雜信息系統(tǒng)的部分應(yīng)用模塊發(fā)生故障時，通過回退算法將故障應(yīng)用模塊的部署版本回退到可用版本，同時處理好所有與故障應(yīng)用模塊存在依賴關(guān)系應(yīng)用的部署關(guān)系與版本回退情況，快速恢復(fù)系統(tǒng)故障。發(fā)生故障的應(yīng)用模塊?在部署關(guān)系模型G的A中，且??A。在回退算法中，針對故障應(yīng)用模塊?無故障的上一個部署版本，結(jié)合部署關(guān)系、部署關(guān)系模型，通過部署回退算法計算出能穩(wěn)定運行的部署關(guān)系模型對象G，從而實現(xiàn)部署關(guān)系模型G到穩(wěn)定部署關(guān)系模型G的部署調(diào)整與服務(wù)切換，實現(xiàn)復(fù)雜信息系統(tǒng)故障快速恢復(fù)。

按照與故障應(yīng)用模塊?的關(guān)系，部署關(guān)系模型G中應(yīng)用集合A可劃分為?的父節(jié)點集合A、子節(jié)點集合A、無關(guān)聯(lián)節(jié)點集合A，即A=A+A+A+?。根據(jù)部署關(guān)系，從應(yīng)用集合A的整體上分析，A調(diào)用?的服務(wù)，?調(diào)用A的服務(wù)，A與?沒有服務(wù)調(diào)用關(guān)系。因此，?的版本回退只影響A的運行，并不會影響A和A，部署回退算法執(zhí)行過程中重點關(guān)注?和A的部署版本計算，A和A可維持當(dāng)前部署版本不變。

復(fù)雜信息系統(tǒng)部署回退算法如下：

上述復(fù)雜信息系統(tǒng)部署回退算法主要分為4 個步驟，如圖5 所示。

圖5 復(fù)雜信息系統(tǒng)部署回退算法

1）尋找故障應(yīng)用模塊的穩(wěn)定部署版本。在復(fù)雜信息系統(tǒng)部署關(guān)系模型中，遍歷每一個部署關(guān)系模型對象G，尋找故障應(yīng)用模塊?的上一個穩(wěn)定的部署版本?，以及?所在的G和應(yīng)用集合A，這個穩(wěn)定版本記為。

2）尋找故障應(yīng)用模塊父節(jié)點集合。在部署關(guān)系模型G中，遍歷部署關(guān)系鄰接矩陣，尋找對?有依賴關(guān)系的應(yīng)用模塊，即?的父節(jié)點，然后再遞歸尋找?父節(jié)點的父節(jié)點，所有符合條件的父節(jié)點應(yīng)用模塊集合記為A。

3）尋找故障應(yīng)用模塊的無關(guān)聯(lián)節(jié)點集合?？紤]到G演變到G的過程中可能出現(xiàn)新增的應(yīng)用模塊，因此故障應(yīng)用模塊的無關(guān)聯(lián)節(jié)點在G中尋找。在應(yīng)用集合A中，除去故障應(yīng)用模塊?，以及?的父節(jié)點集合A，剩余部分就是故障應(yīng)用模塊的無關(guān)聯(lián)節(jié)點集合A。

4）生成可部署的應(yīng)用組合。合并步驟1）中故障應(yīng)用模塊的穩(wěn)定部署版本、步驟2）中故障應(yīng)用模塊的父節(jié)點集合以及步驟3）中故障應(yīng)用模塊的無關(guān)聯(lián)節(jié)點集合，就形成了回退算法的計算結(jié)果，即可恢復(fù)故障的部署關(guān)系模型G。

3.3 算法應(yīng)用

在實際復(fù)雜信息系統(tǒng)運維管理過程中應(yīng)用本文提出的部署回退算法，從服務(wù)監(jiān)控、故障定位、算法執(zhí)行、部署文件、應(yīng)用更新、系統(tǒng)備份、服務(wù)啟動等運維工作出發(fā)，可以形成一個閉環(huán)的運維操作流程，如圖6 所示。

圖6 回退算法在運維工作中的應(yīng)用

1）服務(wù)監(jiān)控。為實時掌握復(fù)雜信息系統(tǒng)的運行與服務(wù)情況，需要開展自動化服務(wù)監(jiān)控。自動化的服務(wù)監(jiān)控依賴監(jiān)控軟件，開源的監(jiān)控軟件有Zabbix、Nagios 等，收費的監(jiān)控軟件產(chǎn)品有北塔軟件等。服務(wù)監(jiān)控是為了能夠掌握復(fù)雜信息系統(tǒng)中每個應(yīng)用模塊、中間件、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等各個方面的情況，本節(jié)重點是發(fā)現(xiàn)應(yīng)用模塊故障，例如頁面加載失敗、功能異常等問題，以此發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障。

2）故障定位。運維人員收到監(jiān)控系統(tǒng)的故障報警后，立刻啟動故障定位與恢復(fù)處置。首先，運維人員根據(jù)報警信息，定位故障應(yīng)用系統(tǒng)?的名稱、服務(wù)器、版本號等相關(guān)信息。然后，運維人員根據(jù)系統(tǒng)服務(wù)情況和應(yīng)用部署信息，通過運維操作恢復(fù)故障。在故障定位與恢復(fù)過程中，對于無法在當(dāng)前應(yīng)用部署版本上實現(xiàn)故障恢復(fù)，需要啟動整體集成系統(tǒng)做版本回退操作的情況時，執(zhí)行本文提出的部署回退算法。

3）算法執(zhí)行。以故障應(yīng)用模塊?為輸入，執(zhí)行部署回退算法，利用本文提出的應(yīng)用部署模型、部署關(guān)系鄰接矩陣、部署關(guān)系模型，可快速計算故障應(yīng)用模塊?的回退應(yīng)用版本?，以及相關(guān)聯(lián)父節(jié)點應(yīng)用節(jié)點集合A、其他應(yīng)用節(jié)點集合A，最終輸出待部署系統(tǒng)部署關(guān)系模型G。

4）部署文件。根據(jù)部署回退算法產(chǎn)生的部署關(guān)系模型G，遍歷A中的每一個應(yīng)用a以及a的版本號，通過應(yīng)用部署模型a.記錄的備份文件路徑，形成待部署應(yīng)用關(guān)系模型G的應(yīng)用部署文件路徑列表。

5）應(yīng)用更新。依據(jù)應(yīng)用部署文件路徑列表，拷貝A中所有應(yīng)用的部署與配置文件，存放在指定的服務(wù)器路徑下，完成所有應(yīng)用模塊部署配置文件的拷貝與更新。

6）系統(tǒng)備份。任何一個信息系統(tǒng)都需開展系統(tǒng)備份工作，根據(jù)運維管理要求，一般在應(yīng)用模塊版本更新時會創(chuàng)建應(yīng)用程序備份，形成本文提出的應(yīng)用部署模型的備份文件。復(fù)雜信息系統(tǒng)的備份文件統(tǒng)一保存，與應(yīng)用系統(tǒng)存在多對一的對應(yīng)關(guān)系，這些關(guān)系也都記錄在應(yīng)用部署模型中，為回退算法的應(yīng)用提供備份文件支撐。

7）服務(wù)啟動。針對已完成拷貝和更新的應(yīng)用列表，啟動所有服務(wù)，完成復(fù)雜信息系統(tǒng)故障后的版本回退，實現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)的快速恢復(fù)。同時，記錄相關(guān)的應(yīng)用版本號，完成應(yīng)用備份，持續(xù)開展服務(wù)監(jiān)控。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)信息系統(tǒng)運維部署實際情況，提出了一種適用于復(fù)雜信息系統(tǒng)運維管理的部署回退方法，可實現(xiàn)應(yīng)用模塊故障時快速恢復(fù)整體系統(tǒng)服務(wù)。首先定義了復(fù)雜信息系統(tǒng)中應(yīng)用模塊的部署模型，通過有向圖表示應(yīng)用模塊之間的部署關(guān)系；再由部署關(guān)系定義了復(fù)雜信息系統(tǒng)的部署關(guān)系模型；最后利用狀態(tài)機描述了復(fù)雜信息系統(tǒng)部署狀態(tài)隨著運維部署操作的變化關(guān)系，結(jié)合部署狀態(tài)模型，提出了部署回退算法以及算法應(yīng)用方法。

下一步將重點研究多個應(yīng)用模塊故障的部署回退方法，進一步提升復(fù)雜信息系統(tǒng)運維管理過程的故障應(yīng)急響應(yīng)效率。