基于微服務(wù)架構(gòu)的信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)研究

喻 會(huì)

（長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢 430074）

0 引言

在現(xiàn)如今的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景中，國(guó)內(nèi)大部分的行業(yè)領(lǐng)域都已經(jīng)逐漸步入了全面的信息化轉(zhuǎn)換的過(guò)程，然而目前來(lái)說(shuō)部分企業(yè)中的信息系統(tǒng)并不夠智能化，其系統(tǒng)對(duì)于各類數(shù)據(jù)和信息的收集以及處理較為復(fù)雜和緩慢，從而導(dǎo)致企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效益和生產(chǎn)效率并不能獲得有效的提升。同時(shí)各個(gè)企業(yè)對(duì)于自身的信息系統(tǒng)的檢修和更新的時(shí)候所需要耗費(fèi)的精力和資金也較多，讓企業(yè)的發(fā)展進(jìn)步受到了較多的阻礙。因此將微服務(wù)架構(gòu)應(yīng)用到其信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，可以有效地幫助信息系統(tǒng)進(jìn)行更新和監(jiān)測(cè)，讓信息系統(tǒng)能夠更加靈活，更加智能化，運(yùn)行也會(huì)更加快捷，對(duì)于數(shù)據(jù)的收集和處理也更加精準(zhǔn)。

軟件架構(gòu)是有關(guān)軟件整體結(jié)構(gòu)與組件的抽象描述，用于指導(dǎo)大型軟件系統(tǒng)各個(gè)方面的設(shè)計(jì)。軟件架構(gòu)是一個(gè)系統(tǒng)的草圖。目前制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，如工藝模塊化，要求現(xiàn)代裝配系統(tǒng)集成大量的子系統(tǒng)，如裝配站、固定裝置、人機(jī)界面控制（HMI）等，這導(dǎo)致了信息交換的增加，同時(shí)對(duì)靈活性和可重構(gòu)性的要求也越來(lái)越高。本文綜述了DDS標(biāo)準(zhǔn)及其在精密裝配領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢(shì)，描述了基于DDS的應(yīng)用程序的基本概念，并對(duì)建立數(shù)據(jù)傳輸實(shí)體的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概述，隨后討論了3個(gè)可以促進(jìn)開(kāi)發(fā)精密裝配平臺(tái)的功能，最后通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明DDS中間件的一些優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 微服務(wù)架構(gòu)概述

1.1 微服務(wù)架構(gòu)的含義

微服務(wù)架構(gòu)，主要是指性質(zhì)為高內(nèi)聚性的，按照業(yè)務(wù)范圍確定服務(wù)范圍的較小協(xié)同工作單位。而其中的每個(gè)單位所具備的自治度相對(duì)來(lái)說(shuō)都比較高，能夠作為獨(dú)立實(shí)體并在系統(tǒng)里獨(dú)立運(yùn)作，并且還能夠?qū)⑵洚?dāng)作系統(tǒng)進(jìn)程，服務(wù)間采用網(wǎng)絡(luò)調(diào)用方法，這種方法能夠有效提升服務(wù)間的隔離性，從而預(yù)防緊耦合現(xiàn)象的產(chǎn)生。微服務(wù)構(gòu)架模式為適配性結(jié)構(gòu)，按照業(yè)務(wù)的上下文來(lái)選擇其所對(duì)應(yīng)的適配性語(yǔ)言和工具，接著把單獨(dú)的應(yīng)用程序進(jìn)行拆解，把程序里的服務(wù)劃分為組，在和服務(wù)互相協(xié)調(diào)配合的情況下，讓服務(wù)能夠按照其業(yè)務(wù)的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行構(gòu)造，并且讓其能夠在獨(dú)立的進(jìn)程里順利運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 微服務(wù)架構(gòu)的特征

微服務(wù)架構(gòu)所具備的特征大致有3類，而它所具備的這些特征能夠幫助它在和以往的組件比較中彰顯更多的優(yōu)異之處，其3類特征主要內(nèi)容如下。

1.2.1 分解化服務(wù)處理

根據(jù)相關(guān)的技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，把微服務(wù)當(dāng)作組件，這種類型的組件和以往的組件相比，其優(yōu)勢(shì)就在于它的運(yùn)作更加快捷方便，在系統(tǒng)中所占的內(nèi)存更少。以往的組件會(huì)把業(yè)務(wù)獨(dú)立部分隔離或者會(huì)將公用的部分進(jìn)行抽取，從而讓整個(gè)程序模塊化，以此來(lái)達(dá)成復(fù)用和解耦的操作。而如今的微服務(wù)架構(gòu)就會(huì)把系統(tǒng)直接分離成若干服務(wù)，并讓這些服務(wù)間能夠具備些許耦合關(guān)系，從而讓應(yīng)用程序中功能只用把單一系統(tǒng)改變，接著再把相應(yīng)的服務(wù)進(jìn)行重構(gòu)部署就可以了。

1.2.2 復(fù)雜程度減小

微服務(wù)構(gòu)架的原理就是把單體應(yīng)用根據(jù)組別分割成若干單獨(dú)的服務(wù)，從而讓程序里各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題得到有效的解決，并且能夠有效防止一些垃圾信息占據(jù)進(jìn)程空間，導(dǎo)致系統(tǒng)的執(zhí)行速度降低。如若在保持功能不變的環(huán)境中，應(yīng)用分割為若干個(gè)單獨(dú)的服務(wù)過(guò)后，利用微服務(wù)構(gòu)架就能夠?qū)崿F(xiàn)將復(fù)雜功能模塊化的操作。以此來(lái)讓單體應(yīng)用編碼復(fù)雜造成應(yīng)用編碼方式不易完成的問(wèn)題得以解決，讓服務(wù)的檢修和開(kāi)發(fā)工作能夠更加迅速和簡(jiǎn)便。

1.2.3 技術(shù)多樣化

以往的組件研發(fā)方法中對(duì)于應(yīng)用的構(gòu)建方法是采用同類技術(shù)，但是微服務(wù)構(gòu)架的關(guān)鍵技術(shù)是無(wú)中心化的組織架構(gòu)，構(gòu)建方式?jīng)]有側(cè)重點(diǎn)，并且在實(shí)際運(yùn)用里服務(wù)按照其行業(yè)發(fā)展的狀態(tài)和其自己的服務(wù)范圍能夠得到相對(duì)的判定，并將其技術(shù)類型確立之后展開(kāi)對(duì)口服務(wù)，從而讓整體的服務(wù)能夠具備更多的專業(yè)性、系統(tǒng)性和科學(xué)性，并且還能夠讓服務(wù)對(duì)于各種數(shù)據(jù)信息的處理速度更加迅速，對(duì)于信息整理識(shí)別的精準(zhǔn)度更高，讓其服務(wù)的整體運(yùn)行效率能夠更快。

2 XML-使用發(fā)布-訂閱方法的消息

軟件架構(gòu)描述的對(duì)象是直接構(gòu)成系統(tǒng)的抽象組件。各個(gè)組件之間的連接則明確和相對(duì)細(xì)致地描述組件之間的通信。在實(shí)現(xiàn)階段，這些抽象組件被細(xì)化為實(shí)際的組件，比如具體某個(gè)類或者對(duì)象。在面向?qū)ο箢I(lǐng)域中，組件之間的連接通常用接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)面向消息的發(fā)布訂閱中間件是Java消息傳遞服務(wù)（Java MessagingService，JMS）。盡管這些系統(tǒng)被允許在多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行健壯的通信，然而面向消息的通信似乎占用了大量的處理時(shí)間來(lái)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)中的各種消息。尤其是JMS僅限于Java編程語(yǔ)言，因此會(huì)缺乏平臺(tái)無(wú)關(guān)性。除此之外，JMS不支持以即插即用的方式動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)新組件，因?yàn)閼?yīng)用發(fā)現(xiàn)是管理和集中的。數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)（Direct Digital Synthesizer，DDS）同DSP（數(shù)字信號(hào)處理）一樣，是一項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。DS芯片中主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計(jì)算器三個(gè)部分（如Q2220）。DDS是直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文縮寫。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。隨著DDS的廣泛應(yīng)用，對(duì)象管理小組（OMG）最近發(fā)布了一個(gè)獨(dú)立于平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，用于以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱中間件，該標(biāo)準(zhǔn)專門針對(duì)資源有限的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的需求。與以前提到的方法不同，DDS不交換封裝在消息中的數(shù)據(jù)。相反，要交換的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是用形式接口定義語(yǔ)言（IDL）建模的。在此數(shù)據(jù)定義的基礎(chǔ)上，自動(dòng)生成用于準(zhǔn)確發(fā)送和接收信息的所有源代碼，這樣信息交流的速度就可以大大加快[2]。

3 數(shù)據(jù)分發(fā)標(biāo)準(zhǔn)

DDS提供了公共的應(yīng)用層接口，允許進(jìn)程（所謂的參與者）以主題的形式交換信息。后者是具有標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)流，DDS應(yīng)用程序的典型體系結(jié)構(gòu)，希望編寫數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序聲明它們的意圖是成為主題的“發(fā)布者”。同樣，希望從主題中讀取數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序聲明它們的意圖是成為“訂閱者”。在下面，DDS中間件負(fù)責(zé)在不同數(shù)量的發(fā)布者和訂閱者之間分發(fā)信息。它管理這些聲明，自動(dòng)為匹配的主題在發(fā)布者和訂閱者之間建立連接，并動(dòng)態(tài)地檢測(cè)系統(tǒng)中的新參與者。此外，DDS允許使用服務(wù)質(zhì)量（Qos）概念精確地配置信息交換的屬性，這對(duì)于資源有限的實(shí)時(shí)系統(tǒng)尤其重要[3]。

3.1 建筑概述

DDS規(guī)范的核心是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布訂閱模型（DCPS），它組織了通信參與者之間的數(shù)據(jù)交換，完成通信的所有類都是從中心類實(shí)體擴(kuò)展的，該類提供了以下功能：使用服務(wù)質(zhì)量參數(shù)配置、偵聽(tīng)器對(duì)象通知事件和附加應(yīng)用程序可以等待的條件。實(shí)體的所有子類都有一套專門的QoS策略，它提供了微調(diào)數(shù)據(jù)交換的能力。作為應(yīng)用程序發(fā)行者的類型化訪問(wèn)器，并且是特定于要發(fā)送的數(shù)據(jù)類型的訪問(wèn)器，如果應(yīng)用程序希望發(fā)送agiven類型的數(shù)據(jù)，則應(yīng)用程序必須使用此對(duì)象，然后該數(shù)據(jù)將觸發(fā)發(fā)布服務(wù)器根據(jù)服務(wù)質(zhì)量設(shè)置發(fā)出數(shù)據(jù)。通信的訂閱端具有類似的結(jié)構(gòu)，訂戶在內(nèi)部負(fù)責(zé)接收已發(fā)布的數(shù)據(jù)，并根據(jù)qossttings使其可用。應(yīng)用程序可以通過(guò)為每種數(shù)據(jù)類型生成的DataReader對(duì)象訪問(wèn)接收的數(shù)據(jù)[4]。

發(fā)布和訂閱之間的關(guān)聯(lián)是通過(guò)主題對(duì)象來(lái)完成的，主題將與數(shù)據(jù)本身相關(guān)的唯一名稱、數(shù)據(jù)類型和服務(wù)質(zhì)量關(guān)聯(lián)起來(lái)。DDS中間件實(shí)現(xiàn)提供工具，在數(shù)據(jù)類型定義的基礎(chǔ)上自動(dòng)生成這些類的代碼。為了實(shí)現(xiàn)通信，應(yīng)用程序必須使用這些方法并調(diào)用所提供的方法。

通信的發(fā)布端由發(fā)布服務(wù)器和一個(gè)或多個(gè)DataWriter對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)表示。發(fā)布服務(wù)器在內(nèi)部被DDS中間件用來(lái)發(fā)布要發(fā)送的數(shù)據(jù)[5]。

3.2 精密裝配平臺(tái)開(kāi)發(fā)的相關(guān)特征

精確組合平臺(tái)被越來(lái)越多地實(shí)現(xiàn)為動(dòng)態(tài)分布式系統(tǒng)，其中許多組件需要以健壯、平臺(tái)無(wú)關(guān)和確定性的方式交換數(shù)據(jù)。根據(jù)Joshi的說(shuō)法，開(kāi)發(fā)suchsystem的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)是：（1）阻抗失配；（2）動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)適配；（3）增量和獨(dú)立開(kāi)發(fā)。第1個(gè)挑戰(zhàn)涉及應(yīng)用程序的集成問(wèn)題，這些應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)交換提出了不同的要求，例如數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)速率或時(shí)間限制，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)適配解決了隨著組件從平臺(tái)中添加或刪除而發(fā)現(xiàn)拓?fù)涓牡男枰５?個(gè)挑戰(zhàn)是裝配平臺(tái)的各個(gè)子系統(tǒng)，通常是由獨(dú)立方開(kāi)發(fā)的，它們?cè)谥鸩缴?jí)組件的同時(shí)，也會(huì)對(duì)組件進(jìn)行升級(jí)。

現(xiàn)代制造系統(tǒng)的組件通常是由不同的供應(yīng)商開(kāi)發(fā)的。因此，這些子系統(tǒng)可以在不同的硬件架構(gòu)、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，這增加了將它們集成到一個(gè)工作系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)，而且每個(gè)組件都可能受到增量更改或升級(jí)的影響。

DDS由平臺(tái)無(wú)關(guān)模型(PIM)定義，可以實(shí)現(xiàn)處理器體系結(jié)構(gòu)、編程語(yǔ)言和操作系統(tǒng)的任意組合。商用DDS中間件實(shí)現(xiàn)為編程語(yǔ)言C、C++和Java以及各種操作系統(tǒng)（如VxWorks、Windows、Lynx和Unix派生程序）提供了解決方案。由于DDS從應(yīng)用程序代碼中隱藏了通信方面的內(nèi)容，它允許在VxWorks上運(yùn)行的C語(yǔ)言編寫的應(yīng)用程序與在Windows PC上運(yùn)行的Java開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序無(wú)縫集成，因此使用DDS作為組裝系統(tǒng)內(nèi)部通信的骨干可以大大減少系統(tǒng)集成任務(wù)的難度。此外，以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱模式比傳統(tǒng)的面向?qū)ο蠡蚩蛻魴C(jī)-服務(wù)器方法引入了更少的應(yīng)用程序之間的依賴關(guān)系。這是因?yàn)樵谝詳?shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用程序僅由數(shù)據(jù)模型連接，不公開(kāi)行為。由于數(shù)據(jù)模型通常是應(yīng)用程序中最常使用的方面，因此DDS支持子系統(tǒng)的增量和獨(dú)立開(kāi)發(fā)[6]。

4 示例應(yīng)用

本文通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化的示例應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)明上面提到的DDS的一些特性。它是利用實(shí)時(shí)創(chuàng)新公司提供的DDS實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)的，稱為RTI DDS 4.le。該示例使用DDS標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了基于傳感器的主動(dòng)固定系統(tǒng)[7]。

該系統(tǒng)由可變數(shù)量的物理夾具模塊、夾具控制軟件、可變數(shù)量的人機(jī)界面（HMI）組成。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，CACH模塊由1個(gè)線性執(zhí)行器和3個(gè)傳感器組成，前者充當(dāng)工件的定位和夾緊銷，而傳感器則反饋接觸點(diǎn)的反作用力、位置和溫度。夾具模塊被實(shí)現(xiàn)為具有本地控制例程的智能設(shè)備[8]。

它們有嵌入式傳感器/執(zhí)行器設(shè)備。進(jìn)一步假定每個(gè)固定模塊都配置了一個(gè)獨(dú)特的枚舉標(biāo)識(shí)符，并對(duì)其傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行了配置，這樣該模塊能夠?qū)?lái)自傳感器（例如電壓）的信號(hào)轉(zhuǎn)換成有意義的信息（例如牛頓中的反作用力），然后通過(guò)DDS發(fā)布。夾具控制實(shí)現(xiàn)了夾具的全局控制例程。它處理來(lái)自各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，并通過(guò)發(fā)布它們的期望狀態(tài)來(lái)控制執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)。為了演示DDS的一些特性，我們定義了整個(gè)系統(tǒng)的下列要求。

在初始啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)夾具模塊發(fā)布關(guān)于其傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的元信息，以便訂閱應(yīng)用程序來(lái)解釋傳感器數(shù)據(jù)。遲交申請(qǐng)應(yīng)自動(dòng)收到此信息[9]。

HMI應(yīng)用程序應(yīng)每500 ms接收一次力傳感器讀數(shù)，每1 000 ms接收一次溫度讀數(shù)，無(wú)論模塊發(fā)布此信息的速度有多快。

夾具控制及連接的HMI應(yīng)用程序一次只考慮一個(gè)夾具模塊的溫度讀數(shù)。如果在4 000 ms內(nèi)沒(méi)有從這個(gè)最受信任的傳感器源接收數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)將自動(dòng)從另一個(gè)模塊接收，從而允許無(wú)障礙故障轉(zhuǎn)移。本文未詳細(xì)描述此應(yīng)用程序的控制邏輯。相反，描述集中在數(shù)據(jù)建模和QoS-sttings的定義上，以滿足需求[10]。

以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)從定義應(yīng)用程序之間應(yīng)該交換的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開(kāi)始。在我們的簡(jiǎn)單示例中，我們?yōu)槊糠N傳感器類型創(chuàng)建了兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。第一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含要在組裝過(guò)程中傳輸?shù)膶?shí)際傳感器數(shù)據(jù)，包含唯一標(biāo)識(shí)傳感器的字段和當(dāng)前傳感器讀取的字段。為了正確解釋傳感器值，訂戶需要額外的元信息。這些細(xì)節(jié)是在另一個(gè)結(jié)構(gòu)中建模的，只需要在應(yīng)用程序啟動(dòng)或傳感器交換時(shí)發(fā)布。

5 結(jié)語(yǔ)

微服務(wù)可以將傳統(tǒng)應(yīng)用程序里所存在的各種問(wèn)題進(jìn)行妥善的處理，并且能夠讓其信息系統(tǒng)擁有更加多樣化和方便快捷的特性，并且其所囊括的服務(wù)范圍更加廣泛，自治性更高，讓信息系統(tǒng)對(duì)于信息化和智能化的轉(zhuǎn)變更加迅速，讓其能夠滿足社會(huì)發(fā)展的需求。本文提出了一種新的以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱通信標(biāo)準(zhǔn)，并將其應(yīng)用于下一代精密裝配平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。該標(biāo)準(zhǔn)稱為數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，特別是針對(duì)需要管理數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源消耗和及時(shí)性的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。DDS允許平臺(tái)無(wú)關(guān)、多到多的通信，并緩解了一些對(duì)分布式裝配系統(tǒng)的發(fā)展特別有意義的常見(jiàn)問(wèn)題。