面向現(xiàn)代數(shù)字城市的云平臺研究

符興斌，謝勁松，張向周，張 健，趙文輝

(中軟信息系統(tǒng)工程有限公司，北京 102209)

0 引言

當前，城市在信息化建設(shè)過程中主要存在三方面問題：一是普遍未從信息安全角度出發(fā)，系統(tǒng)脆弱、安全性低；二是技術(shù)驅(qū)動導(dǎo)致政府本質(zhì)性、全局性需求未得到有效滿足；三是政府主建模式流程漫長，迭代升級滯后。為有效解決這些痛點問題，中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司(簡稱“中國電子”)提出了“現(xiàn)代數(shù)字城市”的理念和建設(shè)思路，以“安全為先，需求牽引，迭代發(fā)展”為導(dǎo)向，能夠為城市信息化轉(zhuǎn)型升級、提高城市治理和電子政務(wù)建設(shè)的水平提供有效支撐。

現(xiàn)代信息系統(tǒng)通常采用“支撐平臺+應(yīng)用/服務(wù)”的體系結(jié)構(gòu)，隨著技術(shù)的發(fā)展，平臺、應(yīng)用(服務(wù))的形態(tài)在不斷演化，平臺形式從操作系統(tǒng)、應(yīng)用服務(wù)器發(fā)展到現(xiàn)在的云平臺，應(yīng)用(服務(wù))從C/S應(yīng)用、B/S應(yīng)用發(fā)展到目前主流的App等。當前，支撐平臺朝著軟硬一體化快速交付、持續(xù)升級集成、眾創(chuàng)眾籌開發(fā)、智能運維保障、數(shù)據(jù)支持等方向演化，其中，私有云的“云+端”架構(gòu)以其“交付即使用”的突出優(yōu)勢逐漸成為信息系統(tǒng)的主流架構(gòu)。“云+端”解決方案能夠大大簡化系統(tǒng)配置部署的復(fù)雜性和成本，顯著提高部署應(yīng)用的時效，成為現(xiàn)代數(shù)字城市建設(shè)中的重要抓手。

為支撐“現(xiàn)代數(shù)字城市”的實施和部署，本文提出了一個基于“PK體系”的云平臺模型——PK云平臺，或稱PK云[1]。“PK”體系是以飛騰處理器和銀河麒麟操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)形成的軟硬件生態(tài)體系的簡稱，P代表“Phytium處理器”，K代表“Kylin操作系統(tǒng)”。PK云平臺綜合運用容器、微服務(wù)等最新云技術(shù)，面向管理者、開發(fā)者、使用者包括政產(chǎn)學研用等各類城市信息化建設(shè)主體，提供安全可信、體驗友好、兼容適配、靈活部署的數(shù)字城市業(yè)務(wù)應(yīng)用支撐，是一個支持信息系統(tǒng)持續(xù)眾創(chuàng)發(fā)展的應(yīng)用生態(tài)服務(wù)的安全環(huán)境；該平臺提供云端融合的新一代私有云解決方案，能夠軟硬一體直接交付使用，是一套易使用、易管理、高可靠、可快速復(fù)制的虛擬計算和服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，是高質(zhì)量推動現(xiàn)代數(shù)字城市建設(shè)的利器。

1 平臺的總體架構(gòu)

1.1 現(xiàn)代數(shù)字城市建設(shè)理念

現(xiàn)代數(shù)字城市需要兼顧安全、需求和迭代發(fā)展，PK云平臺必須支持這三方面的需求。因此，現(xiàn)代數(shù)字城市的設(shè)計思路為：基于國產(chǎn)化的基礎(chǔ)設(shè)施，配備安全保密體系、標準規(guī)范體系和運維管理體系，在深化需求分析的基礎(chǔ)上，通過敏捷開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)迭代發(fā)展，向參與城市信息化建設(shè)的各類客戶提供所需的敏捷服務(wù)。現(xiàn)代數(shù)字城市建設(shè)理念如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代數(shù)字城市建設(shè)理念圖

1.2 平臺的分層設(shè)計

面向現(xiàn)代數(shù)字城市建設(shè)要求，PK云平臺設(shè)計堅持安全性、易用性和靈活性原則。一是設(shè)計安全體系，從底層基礎(chǔ)到云端應(yīng)用，各個層次、各個環(huán)節(jié)均有安全設(shè)計。二是屏蔽軟硬件復(fù)雜度，為用戶提供清晰、簡單的配置和監(jiān)控服務(wù)；構(gòu)建應(yīng)用基座，為用戶提供完備的應(yīng)用即插即用服務(wù)。三是構(gòu)建開放式眾創(chuàng)眾籌的應(yīng)用商店，平臺提供應(yīng)用規(guī)范及接口標準，應(yīng)用開發(fā)商只需關(guān)注業(yè)務(wù)應(yīng)用，演進升級，適應(yīng)用戶不斷變化的需求。基于以上原則，平臺采用典型的網(wǎng)-云-端設(shè)計[2]，構(gòu)建數(shù)字城市業(yè)務(wù)應(yīng)用的通用模型，總體架構(gòu)如圖2所示。各層功能分別如下：

(1)網(wǎng)(資源層)：主要包括用戶網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心中的國產(chǎn)化計算設(shè)備、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，以及安裝在計算機中的基礎(chǔ)軟件。這些基礎(chǔ)的軟硬件均為國產(chǎn)化，構(gòu)建了云平臺基本的安全保障。

(2)云(服務(wù)層)：主要提供各種云服務(wù)，包括云服務(wù)三種典型方式，即設(shè)施服務(wù)IaaS、平臺服務(wù)PaaS[3]和軟件服務(wù)SaaS，同時也提供眾創(chuàng)眾籌應(yīng)用商店功能。

①基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)：通過虛擬化技術(shù)，形成計算資源池、存儲資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池；利用云管理平臺實現(xiàn)計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源的運行管理與服務(wù)調(diào)度，實現(xiàn)了管理的易用性和便利性。

②數(shù)字城市業(yè)務(wù)平臺服務(wù)：提供數(shù)字城市基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)字城市生態(tài)服務(wù)等。數(shù)字城市基礎(chǔ)服務(wù)由服務(wù)框架、服務(wù)接口和應(yīng)用容器組成，為數(shù)字城市應(yīng)用的統(tǒng)一訪問、權(quán)限控制、應(yīng)用集成接入提供支撐；數(shù)字城市生態(tài)服務(wù)(應(yīng)用商店)為應(yīng)用的入庫、分發(fā)、部署、卸載、調(diào)度提供全面支撐。

③軟件服務(wù)：提供城市政務(wù)、城市交通、城市旅游等數(shù)字城市應(yīng)用服務(wù)等。

(3)端(應(yīng)用層)：為用戶提供個性化的應(yīng)用，一般是為用戶量身定做的各種數(shù)字城市應(yīng)用，包括典型的辦公應(yīng)用系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)等，并配置權(quán)限應(yīng)用功能。

圖2 PK云平臺總體架構(gòu)圖

2 平臺的軟件架構(gòu)

PK云平臺軟件主要分為兩部分，一部分是部署在客戶側(cè)的私有云平臺；一部分是支撐平臺的迭代發(fā)展應(yīng)用生態(tài)。私有云平臺主要提供基礎(chǔ)的云服務(wù)，而迭代發(fā)展應(yīng)用生態(tài)主要解決迭代發(fā)展的問題，其實質(zhì)上是一個眾創(chuàng)眾籌的應(yīng)用生態(tài)。而安全保密體系部署在各個層次和環(huán)節(jié)，軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 PK云平臺軟件架構(gòu)圖

私有云平臺采用輕量級的應(yīng)用支撐服務(wù)框架，具備基于容器云的虛擬化運行環(huán)境、基于微服務(wù)的服務(wù)治理架構(gòu)、基于服務(wù)中心的平臺基礎(chǔ)服務(wù)、基于應(yīng)用商店的應(yīng)用管理服務(wù)以及基于DevOps理念的持續(xù)集成服務(wù)[4]等。

2.1 容器云虛擬化運行環(huán)境

在硬件及操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，平臺采用Docker技術(shù)構(gòu)建了資源虛擬化容器云[5-6]。容器云主要負責各應(yīng)用的底層運行環(huán)境，可以對硬件資源實行動態(tài)彈性精確管理(如可以根據(jù)應(yīng)用的運行負載情況實施自動擴容或自動縮容等)。容器云主要包括DOCKER容器和容器云管理平臺兩部分。

DOCKER容器：應(yīng)用的底層運行環(huán)境，可以運行某個應(yīng)用的鏡像，可以精確控制應(yīng)用運行時使用的系統(tǒng)資源(如CPU、內(nèi)存等)。

容器云管理平臺：為用戶提供管理功能，可以管理應(yīng)用、配置應(yīng)用服務(wù)運行環(huán)境、監(jiān)控服務(wù)健康狀態(tài)、自動擴容、自動縮容等。用戶已有系統(tǒng)或設(shè)備，也可以通過非托管方式繼續(xù)在原來的環(huán)境中運行。

2.2 服務(wù)治理框架

服務(wù)治理主要解決系統(tǒng)的高可用、易管理、易維護問題。平臺采用以云化為核心的云微服務(wù)治理框架，核心理念是服務(wù)微自治，利用云調(diào)度的彈性和敏捷，逐漸消除人工治理。平臺的微服務(wù)框架主要負責服務(wù)的注冊、發(fā)現(xiàn)、配置、負載均衡、單點故障遷移、服務(wù)監(jiān)控管理等。

2.3 基礎(chǔ)服務(wù)

平臺基礎(chǔ)服務(wù)為應(yīng)用提供統(tǒng)一的公共服務(wù)以及為客戶端應(yīng)用桌面提供支撐服務(wù)。主要包括以下三部分：

應(yīng)用公共服務(wù)：為應(yīng)用提供統(tǒng)一的公共基礎(chǔ)服務(wù)，如組織機構(gòu)服務(wù)、消息服務(wù)、單點登錄服務(wù)、SSL服務(wù)、文件服務(wù)等。隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展公共服務(wù)可以繼續(xù)豐富擴展，比如大數(shù)據(jù)處理服務(wù)、人工智能服務(wù)等。

桌面基礎(chǔ)服務(wù)：為客戶端應(yīng)用桌面及桌面服務(wù)管理系統(tǒng)提供服務(wù)，功能主要包括用戶管理、認證管理、桌面用戶相關(guān)數(shù)據(jù)管理、在線升級等。

應(yīng)用商店分中心：集成在客戶側(cè)，提供應(yīng)用商店的管理服務(wù)、接口服務(wù)及應(yīng)用倉庫等。

2.4 應(yīng)用管理服務(wù)

應(yīng)用管理服務(wù)提供針對應(yīng)用的一站式服務(wù)，包括應(yīng)用導(dǎo)入、上架、部署、開啟、暫停、下架、刪除等操作，還可以根據(jù)不同權(quán)限對應(yīng)用進行管理分發(fā)。

2.5 持續(xù)集成服務(wù)

持續(xù)集成服務(wù)是基于DevOps理念的持續(xù)集成框架，幫助開發(fā)者自動完成從代碼提交到應(yīng)用部署的完整流程。

3 平臺的創(chuàng)新及應(yīng)用價值

本平臺在系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮到安全性、可用性、先進性和易維護性要求，采用先進的組織開發(fā)模式和系統(tǒng)架構(gòu)，創(chuàng)新特征鮮明，應(yīng)用支撐作用突出。

3.1 平臺的主要創(chuàng)新點

平臺的創(chuàng)新價值主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是植根于國產(chǎn)軟硬件基礎(chǔ)，生長于PK體系生態(tài)環(huán)境，同時反哺了PK生態(tài)；二是探索了眾創(chuàng)眾籌的組織開發(fā)模式；三是實現(xiàn)了應(yīng)用商店的軟件產(chǎn)品形態(tài)。這些創(chuàng)新對現(xiàn)代數(shù)字城市建設(shè)都有支撐作用。

3.2 平臺對現(xiàn)代數(shù)字城市的支撐

目前，PK云平臺已在相關(guān)機關(guān)、銀行、研究所等用戶單位成功實現(xiàn)了部署和交付應(yīng)用。運行結(jié)果證明，該平臺加速了工程建設(shè)實施的進度，降低了現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)的集成難度，弱化了系統(tǒng)運維與保障強度，提升了用戶的使用體驗，解決了用戶關(guān)切問題。平臺對現(xiàn)代數(shù)字城市建設(shè)的支撐作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是在安全方面，以國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件和算法為核心，搭建成體系的安全防護系統(tǒng)，對信息系統(tǒng)按不同等級進行防護；二是眾籌眾創(chuàng)的開發(fā)模式，能夠匯聚眾創(chuàng)成果，實現(xiàn)系統(tǒng)的持續(xù)演進和迭代升級；三是基于應(yīng)用商店的軟件服務(wù)，能夠支持用戶進行個性化定制和自由裝配，滿足不斷變化的需求，真正實現(xiàn)需求牽引。

4 結(jié)論

隨著中國城市信息化建設(shè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向不斷推進，需求牽引、迭代發(fā)展、安全可信等核心內(nèi)容的重要性日益凸顯。面對復(fù)雜的現(xiàn)代數(shù)字城市建設(shè)任務(wù)，PK云平臺下一步的發(fā)展思路為：一是在服務(wù)化方面，增強對數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用中間件等服務(wù)的云化支持，構(gòu)建應(yīng)用API Store能力，集成移動地理信息等應(yīng)用服務(wù)；二是在新技術(shù)和業(yè)務(wù)方面，支持人工智能、移動邊緣計算等新應(yīng)用，不斷夯實現(xiàn)代數(shù)字城市的基礎(chǔ)；三是在行業(yè)應(yīng)用方面，擴展對電子政務(wù)、智能制造、城市數(shù)據(jù)服務(wù)等領(lǐng)域的支持，不斷擴大現(xiàn)代數(shù)字城市建設(shè)的廣度。