高速公路ETC車道軟件可持續部署技術研究與實踐

李從凡 梁燕飛 廣東利通科技投資有限公司智能交通研究院

ETC車道系統是高速公路深化收費公路制度改革、取消省界站后車輛通行高速公路費用收取的主要手段，而整個收費過程，是由ETC車道軟件自動完成。由于高速公路收費站在地理位置上分布較為分散，且ETC車道數量龐大，傳統的ETC車道軟件為單體程序，每當版本升級時，往往需要運維人員到達現場關閉車道后進行部署，費時費力；而且為了減少對車輛通行的干擾，只能選擇車流量小時逐條更新，效率較低；遇到版本升級頻繁時，給運維工作造成巨大的壓力。ETC車道軟件版本升級工作成本高且周期長，是日常運維的一大痛點。

在理想的情況下，用戶希望ETC車道軟件時時刻刻都是可用的，為了滿足不斷變化的新業務，需要不斷升級更新應用程序，有時可能需要頻繁的發布版本。為達到此目的，本文通過使用微服務技術對ETC車道軟件進行重構，并采用K8S特有的滾動更新技術，實現“零停機”、用戶“零感知”的可持續部署ETC車道軟件。

一、可持續部署技術概述

（一）K8S介紹

K8S是Kubernetes 的簡稱，它是用來管理容器集群的平臺。既然是管理集群，那么就存在被管理節點，針對每個 K8S集群都由一個 Master負責管理和控制集群節點。

我們通過 Master 對每個節點 Node 發送命令。簡單來說，Master 就是管理者，Node就是被管理者。Node 可以是一臺機器或者一臺虛擬機。在 Node 上面可以運行多個Pod，Pod 是 K8S管理的最小單位，同時每個 Pod 可以包含多個容器（Docker）。

通過下面的 K8S架構簡圖可以看到Master 和 Node 之間的關系：（見圖1）

圖1 K8S架構簡圖

（二）滾動更新技術介紹

k8s通過部署（Deployment）來創建副本應用程序，部署自動創建副本集（ReplicaSet），副本集可以精確地控制每次替換的Pod數量。具體來說，k8s每次使用一個新的副本控制器（replication controller）來替換已存在的副本控制器，從而始終使用一個新的Pod模板來替換舊的pod模板。在整個滾動過程期間，保證始終有可用的副本在運行，從而平滑的發布新版本。

二、ETC車道軟件架構設計

為了配合k8s實現滾動更新，ETC車道軟件采用微服務技術進行設計，使其適應具備容器化部署的能力，具體的架構圖如圖2所示。

由圖2可以看出，ETC車道系統可分為4個部分，其中ETC業務模塊實現了收費業務，是整個系統里面的變化部分，也是每次版本升級的關鍵，它以Pod的形式存在于車道節點中，采用k8s的滾動更新機制進行升級，其他模塊為輔助作用，設計理念如下：

圖2 ETC車道軟件架構圖

（一）硬件隔離

由于ETC車道系統外設眾多，使用串口通信協議或者PCI卡進行通信，而容器環境作為一臺虛擬主機，難以訪問宿主機的硬件資源，一般通過網絡協議與外部進行通信，因此需要構建一個“硬件控制模塊”的單體程序完成串口協議等到網絡協議的轉換，起到外設與ETC業務模塊的橋梁作用。

（二）狀態管理

要實現滾動更新機制，實現無縫升級，微服務必須是無狀態的。

ETC業務模塊負責ETC車輛的整個交易流程，在某通行車輛的交易過程中，必須臨時保存交易信息，這和微服務的無狀態要求是相矛盾的。

我們引入Redis內存數據庫作為交易狀態的臨時存儲手段，因而ETC業務模塊可以滿足無狀態的要求，在新舊Pod的切換過程中，交易仍能持續進行，而且Redis提供持久化機制，就算重啟計算機也不會丟失狀態，交易仍能繼續進行。

三、集群設計

如圖3所示，高速公路的收費站為局域網，可以訪問部中心和省中心服務器，為了保證集群的可靠性，K8S集群應以收費站為單位建立，而在省中心用Harbor搭建鏡像倉庫，供全省所有收費站拉取鏡像使用。

圖3 集群設計圖

具體的升級過程為：

1）先將“ETC業務模塊”鏡像上傳到鏡像倉庫

2）然后在K8S Master節點執行升級命令

3）最后K8S集群自動完成各個ETC Node節點的自動升級。

四、實現持續部署

K8s的目標是在滾動更新的過程中最大程度地減少服務的中斷，其工作過程如下：

1）k8s創建新的Pod，讓其處于活動狀態并準備就緒

2）k8s將會停止舊的 Pod，從而將 Pod的狀態更新為“Terminating”

3）k8s將舊的Pod從 Endpoints 對象中移除

4）k8s發送一個 SIGTERM 信號給舊Pod 的主進程。

5）SIGTERM 信號就會讓舊Pod容器以正常的方式關閉，并且不接受任何新的連接。

6）舊Pod 從 Endpoints 對象中被移除后，負載均衡器就會將流量路由到其他（新的）Pod 中去。

但由于負載均衡器檢測Endpoints對象的變化，并更新其配置是個異步的過程，可能在這個間隔里舊的Pod已經被關閉了，所以就可能導致很少的請求會被路由到終止的Pod 上去。

為了解決這個問題，實現“零停機”，我們在編寫Deployment腳本時可以加入：

preStop：

exec：

command：["/bin/bash"，"-c"，"sleep 20"]

這樣，舊的Pod從Endpoints 對象中被移除后，還能繼續提供20秒的服務，保證了無縫切換。

五、實施過程與效果

從2020年3月開始，我們先后在廣東省多個路段進行現場試運行和優化，經省中心校驗，系統流水正確，流水上傳和參數下發正常穩定，路段后臺管理系統流水和圖片查詢統計正常，交易時間<300ms，已具備ETC標準車道（出入口）連續24小時不間斷過車交易能力。經過總結，我們認為具備以下實施效果：

（1）應用部署效率提高

利用K8S集群的滾動更新技術，每當ETC車道軟件進行版本升級時，只需遠程操作站級Master節點，即可完成更新，更新過程不影響ETC車道正常過車，在實際使用過程中，更新一個站的30條ETC車道，耗時不到1分鐘。

（2）車道故障率下降

當K8S集群內的Pod出現故障時，集群會將Pod自動重啟，而redis中仍保存著交易狀態，車道系統從故障中自動恢復，整體穩定性得到顯著提升。

（3）系統監控能力提升

得益于K8S集群的多級監控機制，運維人員可以實現對系統、平臺、應用的全方位監控，監控可以細化至每一個節點和應用實例。監控指標更加豐富，同時借助消息推送渠道，使軟硬件故障通知更為及時，響應更加迅速。

（4）人員成本下降

運維人員直接在K8S的Master節點發出更新指令，K8S自動完成整個更新過程，運維人員在非硬件故障情況下無須到達現場，有效減少了運維人員的工作量。

六、結語

基于Kubernetes 的可持續部署技術將研發與運維人員從煩瑣的手工操作中解放出來，同時，系統后臺具備了高可靠性、失敗冗余和容災恢復等特點，在高速公路ETC車道的改造實踐中具有較大的發展空間。由于當前系統每個ETC Node部署在車道工控機內，當車道工控機出現硬件故障時，ETC車道交易也將中斷，如何能利用K8S集群的高可用技術，達到車道工控機出現硬件故障時，ETC車道系統仍能正常交易，是我們下一步的研究方向。