基于服務網格的三級協同電力交易系統設計與實現

李曉剛 馮樹海 吳敏 洪元瑞 承林

摘? 要： 隨著國家深化電力體制改革工作的不斷推進，中長期電力交易品種和交易頻次近年來也呈現快速增多的態勢，新一代電力交易系統已引入云計算、微服務、大數據等最新IT技術，為了更好地提高多級電力交易系統之間的快速協同，本文提出了一個基于服務網格技術框架的三級協同電力交易系統應用設計方案，該方案優化了電力交易系統從單體架構演進到分布式架構后的復雜服務調用時的執行效率。通過多個場景的測試，驗證了該方案可以降低三級電力交易系統結構復雜度、優化服務器使用開銷、提升三級系統應用的性能和執行響應速度，是分布式電力交易系統優化提升的一種不錯選擇。

關鍵詞： 電力市場;服務網格;微服務;電力交易系統;電力信息化

中圖分類號： TP311.11 ???文獻標識碼： A??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.007

本文著錄格式：李曉剛，馮樹海，吳敏，等. 基于服務網格的三級協同電力交易系統設計與實現[J]. 軟件，2020，41（07）：37-41

Design and Implementation of Three-level Collaboration Power MarketTrading System Based on Service Mesh

LI Xiao-gang¹， FENG Shu-hai²， WU Min¹， HONG Yuan-rui¹， CHENG Lin³

（1. East China Branch Of State Grid Corporation of China， Shanghai 200120， China;2. China Electric Power Research Institute， Nanjing 210003， China;3. Shanghai Keyu Information Technology Co.， Ltd， Shanghai 201721， China）

【Abstract】： AbstractWith the continuous advancement of the countrys deepening of the power system reform， the medium and long-term power trading varieties and trading frequency have also shown a rapid increase in recent years. The new generation of power trading systems has introduced the latest IT technologies such as cloud computing， microservices and big data. In order to better improve the rapid coordination between multi-level power trading systems， this article proposes an application design scheme of three-level collaborative power trading system based on service mesh technology framework. This scheme optimizes the execution efficiency of the complex service invocation after the power trading system evolves from a single architecture to a distributed architecture. Tested in multiple scenarios， it is verified that the scheme can reduce the structural complexity of the three-level power trading system， optimize server usage overhead and improve performance and execution response speed of three-level system applications. It is a good choice for optimization and improvement of distributed power trading system.

【Key words】： Power market; Service mesh; Micro service; Power market trading system; Electric power informatization

0? 引言

當前，按地域劃分，國家電網管理區域的電力交易可分為跨區、區域內省間和省內電力交易。隨著《中共中央、國務院關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（中發[2015]9號）及其配套文件發布^[1]，電力市場化交易的規模每年都在快速增長，同時，為了滿足各地經濟發展的需要和新能源消納的需要，中長期電力交易品種和交易頻次近年來也呈現快速增多的態勢，這就對當前三級電力交易組織提出了新的挑戰。之前一些文章主要是對某一層級的電力交易進行研究^[2-6]，很少有將三級電力交易放在一起進行考慮的，這是因為之前對三級電力交易之間的銜接效率要求并不高，所以沒有得到更多的重視。

另外，除了業務需求不迫切外，技術實現也并非易事。十一五和十二五的電力交易平臺都是以單體系統架構實現的，龐大并遠距離部署的單體系統之間的數據交換是通過指定的數據交換通道，而非服務調用方式實現，因此數據交換的及時性不是很高，無法實現多級交易的分鐘級甚至秒級銜接。

隨著信息技術不斷發展，國家電網公司的新? 一代電力交易平臺已采用基于微服務架構開發建 設^[7-11]，這為多級電力交易快速協同在技術層面創造了一定的有利條件，本文將在微服務架構的基礎上，引入服務網格（Service Mesh）技術框架，設計一種有利于提高多級電力交易系統快速協同的架構技術解決方案。

1 ?微服務架構

微服務是由Martin Fowler與James Lewis于2014年共同提出^[12]。微服務框架是由很多小服務組成，每個服務運行在單獨進程中，并通過輕量級通信機制（如RPC），完成整個應用通信，然后是針對業務的垂直劃分，進行自動化獨立部署，來保證最低限度的集中式管理的一種服務^[13]。

1.1 ?微服務架構組成

微服務架構一般由負載均衡、服務網關、本地緩存、服務管理層、微服務層、遠端緩存、數據訪問層、消息隊列層等。（1）負載均衡負責擴展網絡設備和服務器的帶寬、增加吞吐量、加強網絡數據處理能力提高網絡的靈活性和可用性。（2）服務網關負責對接入客戶端的身份認證、防報文重放與防數據篡改、功能調用的業務鑒權、響應數據的脫敏、流量與并發控制等。（3）本地緩存負責降低了服務調用的頻次，同時也提示了訪問速度。本地緩存一般使用自動過期方式，業務場景中允許有一定的數據延時。（4）服務管理層負責微服務的注冊、發現與治理等內容。（5）微服務層包括各業務的原子服務，實現各類業務的增刪改查和計算處理等。（6）遠端緩存是訪問DB前置一層分布式緩存，減少DB交互次數，提升系統的TPS（吞吐量）。（7）數據訪問層負責對數據庫表的增刪改查操作，單表數據量過大則可以做數據的分庫分表處理。（8）消息隊列層負責解耦服務之間的依賴，異步調用可以通過MQ的方式來執行。

1.2 ?微服務架構特點

微服務架構本質上依然繼承了SOA設計理念，淡化了ESB的概念，使用去中心化的設計思想，使服務之間切分和組合更為靈活，更容易應對業務的變化和發展。

微服務的優點主要有：（1）邏輯清晰，服務簡單，以組件化的方式分解為多個服務;（2）開發迭代速度高;（3）微服務是松散耦合的;（4）可以有不同團隊開發;（5）方便運維，一個服務進行變更并不需要其他服務同步更新;（6）伸縮性好，微服務可以單獨擴展，利用服務注冊和發現技術可以將實現平滑的水平擴展，無需重啟服;（7）容錯性好，微服務可以實現故障隔離、分流轉發以及熔斷機制。

2 ?傳統的服務發現模式

2.1 ?傳統的服務發現模式

傳統的服務發現模式主要包括服務提供方、服務消費方、服務注冊中心和服務監控中心^[14-15]，如圖1所示。

服務之間的調用主要包括：（1）服務容器負責啟動，加載，運行服務提供者。（2）服務提供者在啟動時，向注冊中心注冊自己提供的服務。（3）服務消費者在啟動時，向注冊中心訂閱自己所需的服務。（4）注冊中心返回服務提供者地址列表給消費者。（5）服務消費者，從提供者地址列表中，基于軟負載均衡算法，選一臺提供者進行調用，如果調用失敗，再選另一臺調用。（6）服務消費者和提供者，在內存中累計調用次數和調用時間，定時每分鐘發送一次統計數據到監控中心。

2.2 ?傳統的服務發現模式

在傳統微服務架構中，隨著業務越來越大，拆分的服務實例也越來越多，那么各個服務之間的依賴就變成了非常復雜的網絡拓撲結構，可能就類似于如圖2所示的樣子了。

在如此復雜的分布式部署結構下，微服務中服務依賴調用和數據傳輸所面臨的問題也成倍增加，極大的提高了服務治理的難度。

因此需要引入新的信息技術來解決這個問題，而服務網格（Service Mesh）技術正是當前最為合適的一種選擇。

3 ?服務網格技術

服務網格（Service Mesh）技術最早使用由開發Linkerd的Buoyant公司提出^[16]，并在內部使用。2016年9月29日第一次公開使用這個術語。服務網格（Service Mesh）的定義是由Linkerd的CEO William給出來的，即服務網格是一個基礎設施層，功能在于處理服務間通信，職責是負責實現請求的可靠傳遞。在實踐中，服務網格通常實現為輕量級網絡代理，通常與應用程序部署在一起，但是對應用程序透明。當前，服務網格作為服務間通信的基礎設施層，正逐漸走向成熟^[17]。

通俗理解，可以將服務網格（Service Mesh）比作是應用程序或者說微服務間的TCP/IP，負責服務之間的網絡調用、限流、熔斷和監控^[18-19]。對于編寫應用程序來說一般無須關心TCP/IP這一層，同樣使用Service Mesh也無須關心服務之間是通過應用程序或其他框架的實現機制^[20-21]，比如Spring Cloud、OSS，只要交給Service Mesh就可以了。

服務網格的主要特點：（1）應用程序間通訊的中間層;（2）輕量級網絡代理;（3）應用程序無感知;（4）解耦應用程序的重試/超時、監控、追蹤和服務發現。

服務網格（Service Mesh）模式也被形象稱為邊車（Sidecar）模式，服務的消費方和提供方主機（或者容器）兩邊都會部署代理SideCar，代理除了負責服務發現和負載均衡，還負責動態路由、容錯限流、監控度量和安全日志等功能，這些功能與具體業務無關，邊車（Sidecar）模式如圖3所示。

4 ?解決方案

4.1 ?系統設計思路

設計Sidecar為獨立進程，可以每臺宿主機共用同一個Sidecar進程，也可以每個應用獨占一個Sidecar進程。Sidecar的目的將每個微服務節點中相關服務框架功能剝離出來，使服務節點只聚焦于自身業務邏輯處理，服務之間的調用則交給SideCar。為了降低Sidecar的使用復雜度，本方案使用每臺宿主機共用同一個Sidecar進程的方式，即部署在一個服務器上的電力交易微服務程序共同使用同一個Sidecar進程。該Sidecar進程負責協調服務網格中所有服務的出入站流量，以及注冊服務、服務發現、請求路由、熔斷限流、日志統計等。

4.2 ?系統服務網格總體設計

電力市場交易邏輯復雜，業務功能模塊多，三級系統的信息交換任務重，特別是新一代電力市場交易引入微服務架構后，三級信息交換以及微服務調用的復雜度快速提升。

本文依據電力交易系統的應用場景、業務特點以及微服務架構特點，參考互聯網行業比較成熟的技術解決方案，提出一個基于服務網格的三級聯動電力交易系統解決方案。

該方案設計主要針對三級交易系統功能進行優化設計，根據邊車模式思路，剝離原微服務的非業務功能，為每臺交易系統服務器設計一個統一的管理與服務中心，如圖4所示，負責該服務器節點下的所有微服務的出入站流量、服務注冊、服務發現、請求路由、熔斷限流、日志統計等。

根據電力交易三級系統的部署和功能內容，可以抽象成上圖所示的服務網格架構圖。若按照原每個微服務獨自承擔服務框架功能的方式，則微服務之間總的拓撲連接數為I，如公式（1）所示。

I=k1×…×kn×s1×…×sm×p1×…×pt（1）

現在按照上圖方式，每個服務器節點對內外服務由這個服務器上的管理與服務中心統一處理，服務連接數可以降為J，如公式（2）所示。

J=n×m×t（2）

拓撲連接數從I減少到J，可以大大減少系統的IO開銷，降低系統復雜度，從而增加了對各微服務處理的管理能力，提升了系統的響應速度和使用? 效率。

4.3 ?管理與服務中心設計

管理與服務中心設計遵循服務網格的邊車設計模式，負責所在服務器上的所有微服務注冊、服務發現、負載均衡、熔斷限流、日志統計等非業務處理功能，如圖5所示。

（1）服務注冊

管理與服務中心接受服務提供者的注冊、存儲服務提供者的服務信息，比如微服務名、微服務路徑、微服務調用參數等信息。并與每個業務微服務保持心跳，如果心跳不能保持則注銷該實例。

（2）服務發現

接收本服務器上的各業務微服務的請求、以及其他服務器上的微服務的請求，并調用本服務器上對應微服務程序進行業務處理。

（3）負載均衡

管理與服務中心根據對本服務器微服務調用請求情況以及當前服務器各微服務的調用執行情況，從中選取請求需要的并且空閑的微服務，按照輪詢法或者隨機法進行選擇，并提供給請求方進行響應執行。

（4）熔斷限流

本方案的熔斷處理主要是指當某個微服務不屬于核心流程的業務處理，且對該微服務的請求經常超時，為了避免影響當前服務器的負載，這時管理與服務中心會把請求方的請求直接短路掉，返回請求方一個可以識別的空值，并且會把該微服務從管理與服務中心的服務列表中摘除，避免整個系統受到影響。

本方案的限流處理主要是指在管理與服務中心會注冊每個微服務的流量閾值，當對某微服務的請求數超過該閾值時，該管理與服務中心會拒絕對該微服務新的請求，并自動讓請求方去其他服務器尋找可用的微服務進行調用。

（5）日志統計

管理與服務中心會實時監控該服務器的CPU使用率、內存使用率、IO連接數、每個微服務被調用的時間、請求方信息、執行時間信息等，這些信息有助于系統管理者更好地維護電力交易系統的軟硬件資源，從而進一步保障系統的平穩運行。

5 ?方案驗證

基于本文提出的方案構建的三級模擬驗證系統，按照兩種服務器配置構建。第一種服務器配置是三級系統各兩臺虛擬機，共六臺虛擬機;第二種服務器是三級系統各三臺虛擬機，共九臺虛擬機。

對于電力交易系統而言，請求并發數不高，負載性能不是業務痛點，因此本方案主要是為了降低結構系統復雜度，并優化服務器使用開銷，具體測試結果如下。

由測試結果看，本系統采用的基于服務網格的三級聯動電力交易系統設計，可以通過對微服務的有效管理，降低系統運維難度，減少服務器的IO開銷，減少請求響應平均執行時間，降低CPU的使用峰值，從而提高了服務器的可用性和可靠性，保障系統的穩定性，提升應用的性能和執行響應速度，為三級遠程系統應用進行數據交換和服務調用的響應及時性打下了很好的基礎。

6 ?結論

根據電力交易系統從單體模式向微服務架構的演進路線，以及三級系統之間服務調用與數據交換的及時性要求，本文提出了一種基于服務網格的三級聯動電力交易的系統設計與實現，優化了電力交易系統從單體架構演進到分布式架構后的復雜服務調用時的執行效率。該方案通過多個場景的測試，驗證了可以降低三級電力交易系統結構復雜度，優化了服務器使用開銷，提升了三級系統應用的性能和執行響應速度，是分布式電力交易系統進一步提升的一種不錯選擇。

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