云應用管理平臺的設計與實現

【摘 要】為了有效應對企業內部使用獨占式物理服務器部署Web應用而造成硬件資源閑置和浪費的問題，提出了企業私有云的解決方案實現云應用管理平臺。該平臺研究虛擬化技術管理和調度底層虛擬化資源，集成了Web應用部署調度機制實現自動部署，并提出了彈性負載均衡完成多租戶場景下對虛擬資源的動態共享。通過對比試驗，平臺虛擬資源可有效替代物理資源，克服了硬件的消耗浪費并節省了成本支出。

【關鍵詞】云應用管理平臺 虛擬化 彈性負載均衡 PaaS IaaS

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.08.014 中圖分類號：TP302 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）08-0069-05

引用格式：溫云龍. 云應用管理平臺的設計與實現[J]. 移動通信， 2017，41（8）： 69-73.

Design and Implementation of Cloud Application Management Platform

WEN Yunlong

[Abstract] In order to effectively cope with the idle and wasted hardware resource resulting from deploying Web applications due to exclusively occupying physical servers in enterprises， a solution based on enterprise private cloud to realize cloud application management platform was proposed in this paper， on which the Virtualization Technology management and the scheduling of lower-layer virtualized resources were investigated. Deployment scheduling mechanism of web application was integrated， to realize the automatic deployment. The elastic load balance was proposed to achieve the dynamic sharing of virtualized resources in the scenario of multi-tenant. Comparative experiments demonstrate the platform virtualized resource not only effectively replaces the physical resource， but also reduces the hardware consumption with the saved expenditure.

[Key words]cloud application management platform virtualization elastic load balance PaaS IaaS

1 引言

Web應用部署常獨占物理服務器資源，配置硬件資源和應用運行環境耗時費力；對于高并發的應用系統，配置昂貴的負載均衡設備存在一定的資源浪費情況。常見的企業解決方案采用虛擬機和軟件負載均衡來解決物理資源問題，使用SVN和Git代碼倉庫實現代碼管理，集成Jenkins實現代碼自動編譯構建[1]等。在云計算PaaS（Platform as a Service，平臺即服務）層面，也有開源平臺CloudFoundry[2]、OpenShift[3]和Docker[4]容器架構解決資源共享的問題。本文采用J2EE規范開發的云應用管理平臺（簡稱云平臺），借鑒主流開源PaaS平臺的優點，結合代碼倉庫和持續構建等系統，設計并實現一種支持大多數Web框架的開發和部署，以適應高并發條件下的動態負載均衡，便于二次開發的全生命周期管理平臺。

2 云平臺總體架構

云平臺屬于PaaS范疇，總體架構包含IaaS（Infras-tructure as a Service，基礎設施即服務）層、接口驅動層、應用管理和調度系統、服務層以及鏡像層，并結合軟件開發中主流的源代碼管理工具、缺陷管理工具等開源技術，形成比較完整的企業級云平臺解決方案。

云平臺的設計需要考慮如下：

（1）接口層通過開發多個主流虛擬化平臺驅動，提供多種虛擬化平臺的對接，包括基于KVM（Kernel-based Virtual Machine，基于內核的虛擬機）的Openstack、VMware、Microsoft的Hyper-V等。

（2）平臺組件服務化。平臺本身使用到的組件和模塊（如數據庫連接、日志管理、流量統計和計費、消息隊列、服務注冊中心、統一身份認證等）都實現服務化，使得接口規范統一，而且開放對接第三方系統。

（3）兼容企業原有系統。本文的云平臺系統同時實現一種鏡像服務，便于原有系統遷移到云平臺，享用平臺的動態負載均衡等特性。

3 核心組件設計和實現

云平臺的核心功能設計和實現主要包括三部分：云控制器、同步控制器和彈性負載均衡器。系統中多個核心組件之間相互配合，共同完成底層資源調度、集群感知、應用倉庫管理和應用托管的功能。

3.1 云控制器

云控制器的主要功能是充當平臺的大腦，負責維護系統拓撲以完成各個組件部署的控制工作。同時負責云平臺和IaaS層面能力的對接，創建半持久化的虛擬機，形成平臺整個生態的基礎控制系統。

云控制器同時負責創建應用容器的實例，需要準備含有配置信息的系統鏡像。基于Openstack的實現架構中[5]，鏡像啟動后的部署通過使用Puppet自動化部署工具來實現[6]。當云控制器需要在IaaS中生成一個應用服務器實例時，一個基于基礎系統的鏡像實例就會被創建，實例啟動后通過自動運行腳本，運行Puppet實現配置文件的下載完成部署。處理流程具體如下：

（1）云控制器需要創建一個應用服務實例，首先發送一個拓撲文件到ELB（Elastic Load Balance，彈性負載均衡）中。

（2）ELB查詢需要創建的服務，通知云控制器創建相應數量的實例。

（3）云控制器通過需要組件服務所在的集群域，向集群域發起請求。

（4）實例創建后，通過Puppet發送應用或服務程序的安裝文件和配置到實例中。

（5）同步控制器發送Web應用的配置信息到新創建的實例，運行自動配置腳本進行配置和重啟。

（6）應用服務器實例借助Axis2 Clustering集群機制[7]，實例服務器容器完成集群化。

3.2 同步控制器

同步控制中的核心組件是組件分配協調器，實現功能如下：

（1）監聽源碼倉庫變更。開發者基于源代碼倉庫檢出應用程序源代碼，開發完成后推送到代碼中央倉庫，每次的推送動作在代碼倉庫中可以檢測，并通過回調機制[8]觸發鉤子程序（Hook）。

（2）通過持續集成工具提供的接口上傳編譯通過的應用程序包。回調機制的鉤子程序可以觸發持續集成工具對代碼倉庫的代碼進行編譯[1，9]，生成可發布的應用程序包，如Java Web應用程序WAR（Web Archive，Web歸檔文件）包。

（3）分發組件。持續集成工具打包形成程序包后，通過后續腳本（post-receive）觸發應用程序包分發到應用容器實例中。

3.3 基于租戶ID的彈性負載均衡器

彈性負載均衡器[10]主要負責的工作是實現請求轉發和維護實例拓撲結構，具體如下：

（1）服務器集群的初始化指定了不同的租戶應用分布在不同的子集群中，應用在中央代碼倉庫中帶有租戶ID信息，當部署到不同的應用子集群中時，將租戶ID信息傳遞給負載均衡系統。當用戶訪問應用時，負載均衡根據提取到的目標租戶ID，將請求轉發到特定的服務器集群中。

（2）為了實現彈性負載均衡，ELB維護所有應用系統實例的一張拓撲結構圖。云控制器實現了應用服務器系統和IaaS的對接，所使用的應用服務器數量由底層算法自動調節，在請求數達到預警值之后，自動擴展實例并將過高的請求轉發到新創建的應用服務器實例中。當系統的平均請求數達到預警值下限時，ELB能夠通知云控制器在IaaS環境中銷毀部分實例，回收資源。

4 成果展示和數據對比

4.1 成果展示

云平臺系統支持多語言的部署環境系統，借助云平臺的應用生命周期管理的生態和托管能力，構建一個適合于普通用戶和開發者共同使用的PaaS領域的軟件系統。通過簡單的幾次點擊，平臺可以構建豐富的“開箱即用”的Web應用程序，借助云平臺的能力，僅需要在Web應用進行配置，便可以實現彈性負載均衡。

圖6和圖7展示的是基于著名開源博客系統WordPress制作的應用模板部署示例，服務器采用兩路E2650 CPU+64 G內存的戴爾R720服務器，單個應用服務器實例僅需要雙核VCPU+2 G內存+共享1 G帶寬，應用的平均部署時間只需要1分鐘。

在彈性負載均衡的實驗中，設置上限門限值為200、下限門限值為30。

系統啟動后，在連續3個請求周期中請求數保持高位時（請求數直接表現為對CPU的負載），系統自動擴展服務實例數至2，直到請求數連續3個周期保持下限時，實例數自動收縮為1。應用負載均衡設置如圖8所示。

4.2 數據對比

負載均衡采集請求周期設置為1分鐘，3分鐘能檢測出系統負載變化以完成對系統資源的自動創建和回收，而應用的部署到上線平均完成時間在2分鐘左右。在服務器資源方面，使用虛擬機代替物理機，單臺物理機可以支撐4個應用系統（單個應用平均在線用戶150人）的部署，同時性能達到85%以上。考慮1～4個應用部署的服務器成本，在85%性能的前提下可以節省最高75%的成本。

相比人工勞動，響應負載變化只能通過增加和減少服務器數量水平擴展，響應周期往往更長。部門內部應用負載檢測、響應、設備到位、運行時安裝到應用上線平均時間與原來人工相比，效率平均提升15～20倍。

5 結束語

本文通過研究虛擬化技術、開源PaaS平臺設計思想、代碼管理和持續集成的流程管理，為中小企業提供便捷可行的Web應用生命周期管理方案。經過開發和完善，已成功在一家中型金融證券公司試點上線，使用云平臺構建高可用的服務接口API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）對外提供計費服務，對內支撐后臺開發；同時采用云平臺的托管能力，部署代碼管理系統、博客系統、云盤系統等多個系統，自動化程度高，可節省大量運維的勞動力，有效支撐內部研發和辦公。目前平臺正在改良和優化，下一步將持續研究采用更輕量級的Docker容器代替目前IaaS環境、加強平臺服務組件的監控形成企業平臺閉環。

參考文獻：

[1] 周瑩，歐中紅，李俊. 基于Jenkins的持續集成自動部署研究[J]. 計算機與數字工程， 2016，44（2）： 267-270.

[2] CloudFoundry. Cloud Foundry Components[EB/OL]. [2017-03-27]. http：//docs.cloudfoundry.org/concepts/architecture/.

[3] 彭鴻杰，邢延，李杰，等. 基于MVC的Web應用在Openshift上的實現[J]. 電腦編程技巧與維護， 2013（16）： 61-62.

[4] 高禮，高昕. Docker技術在軟件開發過程中的應用研究[J]. 軟件， 2016（3）： 110-113.

[5] Openstack. OpenStack Virtual Machine Image Guide[EB/OL]. [2017-03-27]. https：//docs.openstack.org/image-guide/.

[6] Puppet. Puppet 4.10 reference manual[EB/OL]. [2017-03-27]. https：//docs.puppet.com/puppet/latest/.

[7] The Apache Software Foundation. Axis2 Clustering Support[EB/OL]. （2016-10-21）. http：//axis.apache.org/axis2/java/core/docs/clustering-guide.html.

[8] Jenkins+Git+Maven+Shell+Tomcat持續集成經典教程[EB/OL]. （2015-06-11）. https：//segmentfault.com/a/1190000002895521.

[9] 高珺. 以持續集成方式進行系統自動化部署[J]. 華東師范大學學報： 自然科學版， 2015（S1）： 373-377.

[10] 溫云龍. 基于租戶感知的動態負載均衡方法及系統： 中國， 103957246B[P/OL]. 2017-03-01[2017-03-27]. http：//www.pss-system.gov.cn/sipopublicsearch/patentsearch/showSearchResult-drillSearchByViewSetting.shtml.