云應(yīng)用引擎技術(shù)的研究與策略

范平平

【摘 要】隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用引擎技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，它是一種新的應(yīng)用開發(fā)模式。這種開發(fā)模式避免了傳統(tǒng)開發(fā)模式技術(shù)門檻高、開發(fā)效率低、開發(fā)維護(hù)成本高等缺陷，可以大大提高開發(fā)者的工作效率和節(jié)省成本。本文詳細(xì)闡述了應(yīng)用引擎技術(shù)的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：應(yīng)用托管運(yùn)行技術(shù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)技術(shù)、開發(fā)測(cè)試服務(wù)技術(shù)。針對(duì)應(yīng)用引擎的技術(shù)發(fā)展和成熟度進(jìn)行了深入研究，提出了應(yīng)用引擎的發(fā)展策略，具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)用引擎；云計(jì)算；關(guān)鍵技術(shù)

1 技術(shù)概述

應(yīng)用引擎是指基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的軟件資源構(gòu)建的應(yīng)用部署運(yùn)行平臺(tái)，它整合了應(yīng)用容器、中間件和數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用基礎(chǔ)軟件，向開發(fā)者提供應(yīng)用開發(fā)、部署、運(yùn)行和運(yùn)維服務(wù)，與IaaS 托管技術(shù)相比，應(yīng)用引擎從軟件底層架構(gòu)層面解決了可擴(kuò)展性、可靠性等問題，簡(jiǎn)化了應(yīng)用的部署和運(yùn)維模型，讓開發(fā)者更專注于業(yè)務(wù)本身的實(shí)現(xiàn)。

2 云應(yīng)用引擎涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)

2.1 應(yīng)用托管運(yùn)行技術(shù)

應(yīng)用托管運(yùn)行技術(shù)基于IaaS 基礎(chǔ)資源構(gòu)建云應(yīng)用的托管運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)云應(yīng)用快速部署、可靠運(yùn)行、彈性擴(kuò)展和安全隔離。從資源共享和隔離的角度看，應(yīng)用托管運(yùn)行環(huán)境可分為虛擬機(jī)容器、操作系統(tǒng)容器和中間件容器三種類型：虛擬機(jī)容器采用“虛擬機(jī)+OS+中間件容器+應(yīng)用實(shí)例”的托管堆棧，每個(gè)虛擬機(jī)部署一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，多個(gè)應(yīng)用實(shí)例共享同一個(gè)物理主機(jī)，以虛擬機(jī)為粒度進(jìn)行資源隔離和資源調(diào)度，可嚴(yán)格控制每個(gè)應(yīng)用實(shí)例的CPU、內(nèi)存和磁盤配額，開發(fā)者可自主選擇和控制虛機(jī)容器中的操作系統(tǒng)和中間件，應(yīng)用托管的靈活性和應(yīng)用安全隔離度最高，而資源利用率和部署的效率最低。

操作系統(tǒng)容器采用“虛擬機(jī)+OS+系統(tǒng)容器+中間件容器+應(yīng)用實(shí)例”的托管堆棧，基于Linux Container 等輕量級(jí)的系統(tǒng)容器，每個(gè)系統(tǒng)容器部署一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，多個(gè)應(yīng)用實(shí)例共享同一個(gè)操作系統(tǒng)；通過kernel namespace 實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶容器的進(jìn)程、網(wǎng)絡(luò)、消息、文件系統(tǒng)、主機(jī)名等的隔離，使容器對(duì)外展現(xiàn)出獨(dú)立計(jì)算機(jī)的能力，從而實(shí)現(xiàn)容器在OS 層面的隔離；通過cgroups 實(shí)現(xiàn)以系統(tǒng)容器為粒度的資源調(diào)度和度量，可控制每個(gè)應(yīng)用實(shí)例的CPU、內(nèi)存、磁盤配額；基于AUFS等文件系統(tǒng)的分權(quán)、分層特性構(gòu)建容器鏡像，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用實(shí)例的復(fù)制、移動(dòng)和重建；開發(fā)者可自主選擇和控制系統(tǒng)容器中的中間件，既兼顧了部署的靈活性，又提升了資源利用率。

中間件容器采用“虛機(jī)+OS+中間件容器+應(yīng)用沙箱+應(yīng)用實(shí)例”的托管堆棧，多個(gè)應(yīng)用實(shí)例共享同一個(gè)中間件容器，通過應(yīng)用沙箱實(shí)現(xiàn)應(yīng)用內(nèi)存隔離和API控制，嚴(yán)格限制應(yīng)用對(duì)本地I/O、線程等資源的調(diào)用，開發(fā)者不僅無法自主選擇中間件版本，還必須按照中間件容器的API 限制對(duì)應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，這種類型的容器其資源利用率和部署速度最高，而部署靈活性最差。

2.2 數(shù)據(jù)庫服務(wù)技術(shù)

數(shù)據(jù)庫服務(wù)為托管應(yīng)用提供多租戶的關(guān)系或非關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)，開發(fā)者以租賃的方式使用數(shù)據(jù)庫服務(wù)，無需關(guān)心數(shù)據(jù)庫的部署和維護(hù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)主要分為SQL 數(shù)據(jù)庫服務(wù)、NoSQL 數(shù)據(jù)庫服務(wù)兩種類型：

SQL 數(shù)據(jù)服務(wù)以傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，為應(yīng)用提供兼容傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)模型、支持ACID強(qiáng)一致性事務(wù)數(shù)據(jù)庫服務(wù)，如MysqlCat、PostGres+、Windows SQLAzure、Oracle Apex、Database.com等。

NoSQL數(shù)據(jù)服務(wù)基于分布式非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫提供多租戶非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢和備份服務(wù)，具有良好的水平擴(kuò)展能力，不支持ACID強(qiáng)事務(wù)一致性，只支持最終事務(wù)一致性，如Garantia Data、MongoDB。

2.3 開發(fā)測(cè)試服務(wù)技術(shù)

應(yīng)用開發(fā)環(huán)境用于開發(fā)可部署在應(yīng)用引擎上的云計(jì)算應(yīng)用，它支持應(yīng)用引擎特有的開發(fā)語言，提供開發(fā)云應(yīng)用所需的類庫、組件、程序框架和調(diào)試工具，降低云應(yīng)用的開發(fā)門檻。應(yīng)用開發(fā)環(huán)境可分為本地集成開發(fā)環(huán)境和在線Web 開發(fā)環(huán)境兩類：本地開發(fā)環(huán)境通常是在傳統(tǒng)的IDE（如Eclipse、VisualStudio）上集成了開發(fā)云應(yīng)用的專用插件，云應(yīng)用在本地完成開發(fā)調(diào)試之后再打包部署到應(yīng)用引擎上；在線Web 開發(fā)環(huán)境是基于瀏覽器的一種在線開發(fā)工具（如CloudIDE、Force.com），它集成了構(gòu)建Web 應(yīng)用所需的模板和控件，開發(fā)的應(yīng)用可以直接加載到應(yīng)用引擎上運(yùn)行。

應(yīng)用測(cè)試環(huán)境提供了用于測(cè)試和驗(yàn)證云應(yīng)用的工具和服務(wù)，包括仿真測(cè)試環(huán)境和真實(shí)測(cè)試環(huán)境：仿真測(cè)試環(huán)境是應(yīng)用引擎的模擬器，可模擬應(yīng)用引擎的接口、行為和功能，供開發(fā)者在本地對(duì)云應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試；真實(shí)測(cè)試環(huán)境是可進(jìn)行端到端真實(shí)測(cè)試的多租戶測(cè)試平臺(tái)，通常是全功能的應(yīng)用引擎副本或生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用引擎測(cè)試去，真實(shí)測(cè)試環(huán)境擁有與應(yīng)用引擎相同的功能，僅僅在平臺(tái)資源和訪問對(duì)象上受到一定限制。

3 云應(yīng)用引擎技術(shù)的主要技術(shù)發(fā)展

（1）開源技術(shù)逐漸成為主流應(yīng)用引擎的普遍選擇，最大的互聯(lián)網(wǎng)公有PaaS平臺(tái)Heroku 和最大的私有PaaS 平臺(tái)CloudFoundry 均完全采用開源的容器和數(shù)據(jù)庫，最大的企業(yè)PaaS 平臺(tái)Microsoft Azure 也開始引入開源的Hadoop、ode.JS。

（2）硬件資源池逐步向軟件資源池遷移，在IaaS 硬件資源的基礎(chǔ)上疊加中間件軟件資源池，提供IaaS+中間件服務(wù)已成為Amazon、Microsoft、阿里等諸多國(guó)內(nèi)外云運(yùn)營(yíng)商的選擇。

（3）強(qiáng)化了移動(dòng)應(yīng)用的服務(wù)端支持，Azure、Heroku、AppFog、DotCloud、CloudFoundry、Parse 等主流應(yīng)用引擎均提供了RESTFul 服務(wù)生成、JSON 消息處理和WebSocket 服務(wù)端框架以簡(jiǎn)化移動(dòng)應(yīng)用服務(wù)端的開發(fā)。

（4）操作系統(tǒng)容器技術(shù)的發(fā)展， Docker的分層鏡像技術(shù)提供了輕量級(jí)、可移植、增量式的應(yīng)用部署方案，有助于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的自動(dòng)化部署、增量升級(jí)和統(tǒng)一監(jiān)控管理。

（5）應(yīng)用集群部署技術(shù)的發(fā)展，Cloudify 提供了基于腳本編排的應(yīng)用集群部署技術(shù)，通過應(yīng)用集群部署腳本快速完成大型應(yīng)用集群的部署，包括應(yīng)用容

器、數(shù)據(jù)庫、負(fù)載均衡的安裝、配置和激活。

（6）NewSql 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的興起，NewSQL 數(shù)據(jù)庫在SQL 數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上引入了內(nèi)存計(jì)算、透明分片和分布式事務(wù)機(jī)制，大大增強(qiáng)了SQL 數(shù)據(jù)庫的性能和容量擴(kuò)展能力。

4 云應(yīng)用引擎技術(shù)應(yīng)用成熟度

（1）應(yīng)用托管運(yùn)行技術(shù)方面

基于虛擬機(jī)容器的應(yīng)用托管技術(shù)已發(fā)展成熟，亞馬遜、Microsoft、IBM 等傳統(tǒng)IaaS 廠家都已在其公有或私有IaaS 平臺(tái)上推出IaaS+中間件形式的應(yīng)用托管服務(wù)，開源的Cloudify 實(shí)現(xiàn)了基于虛機(jī)容器的應(yīng)用集群自動(dòng)化部署、調(diào)度和監(jiān)控，逐步在國(guó)內(nèi)外的多個(gè)私有PaaS 項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

基于中間件容器的應(yīng)用引擎如GAE164、HeroKu，雖然目前占據(jù)了最大的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用引擎市場(chǎng)份額，然而由于多應(yīng)用共享中間件帶來的安全隔離度低、系統(tǒng)資源爭(zhēng)用沖突、應(yīng)用遷移困難等問題仍然存在，導(dǎo)致這類應(yīng)用引擎主要還是用于小微型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用托管。

（2）數(shù)據(jù)庫服務(wù)技術(shù)方面

SQL 關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)技術(shù)已基本成熟，業(yè)界已出現(xiàn)多種商用級(jí)SQL 數(shù)據(jù)庫服務(wù)產(chǎn)品，主流的互聯(lián)網(wǎng)公有云服務(wù)提供商大多提供基于Mysql 或PostgreSQL的開源SQL 數(shù)據(jù)庫服務(wù)。高性能的NewSql 數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品也開始出現(xiàn)，號(hào)稱全球最快的SQL 數(shù)據(jù)庫MemSQL 能達(dá)到150 萬TPS，Google 也逐步將廣告等核心業(yè)務(wù)從Mysql 分片集群中遷移到支持PB 級(jí)數(shù)據(jù)量、提供全局事務(wù)一致性和跨數(shù)據(jù)中心可靠性的Spanner/F1 數(shù)據(jù)庫上。

分布式數(shù)據(jù)庫服務(wù)仍在不斷發(fā)展之中，目前最成熟的NoSQL數(shù)據(jù)庫是MongoDB，已經(jīng)在GAE、Azure 等應(yīng)用引擎中商用。

（3）開發(fā)測(cè)試服務(wù)技術(shù)方面

主流的云應(yīng)用開發(fā)環(huán)境仍以基于離線IDE 提供云能力組件和插件的形式為主，在線開發(fā)環(huán)境仍然不夠成熟，多用于腳本式、配置式的后臺(tái)應(yīng)用開發(fā)或者終端應(yīng)用開發(fā)。

（4）運(yùn)營(yíng)商應(yīng)用進(jìn)展

國(guó)外運(yùn)營(yíng)商方面，AT&T 推出了IaaS+中間件的通用應(yīng)用托管環(huán)境和基于LongJump的SaaS應(yīng)用托管環(huán)境。

國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商主要將應(yīng)用引擎用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用托管和企業(yè)IT 系統(tǒng)架構(gòu)轉(zhuǎn)型，中國(guó)移動(dòng)南方基地推出了MM 應(yīng)用引擎，面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供Java 和PHP 應(yīng)用托管運(yùn)行環(huán)境以及Mysql 和Memcache 數(shù)據(jù)服務(wù)，中國(guó)聯(lián)通通過ITPaaS 平臺(tái)整合了IaaS 云資源、中間件/數(shù)據(jù)庫資源池、技術(shù)組件庫和業(yè)務(wù)組件庫，初步實(shí)現(xiàn)集團(tuán)IT 系統(tǒng)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，采用標(biāo)準(zhǔn)化開源技術(shù)重構(gòu)了MSS 等集團(tuán)級(jí)IT 系統(tǒng)，取得了IT 系統(tǒng)架構(gòu)轉(zhuǎn)型的階段性進(jìn)展。

（5）云應(yīng)用引擎標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

云應(yīng)用引擎標(biāo)準(zhǔn)化方面，目前得到業(yè)界較為認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)是OASIS 的CAMP和TOSCA兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。TOSCA定義了一種標(biāo)準(zhǔn)化語言用來描述基于云計(jì)算的web 服務(wù)拓?fù)?、包含的組件、組件之間的關(guān)系以及管理這些web 服務(wù)的創(chuàng)建和修改流程；CAMP 定義了一套云應(yīng)用引擎組件和API 從而能夠?qū)崿F(xiàn)云計(jì)算環(huán)境中管理應(yīng)用的構(gòu)建、運(yùn)行、監(jiān)控、運(yùn)維、補(bǔ)丁等操作。

中國(guó)電信在從2010年開始PaaS試點(diǎn)和大型平臺(tái)云化工作，在虛機(jī)單平臺(tái)應(yīng)用引擎、大型平臺(tái)云化遷移、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫云化遷移等方面有較多的積累，而在多平臺(tái)應(yīng)用引擎、分布式數(shù)據(jù)庫服務(wù)、私有PaaS 平臺(tái)、開源基礎(chǔ)軟件池化、業(yè)務(wù)平臺(tái)架構(gòu)轉(zhuǎn)型等方面與業(yè)界的差距較大。

5 云應(yīng)用引擎技術(shù)發(fā)展策略

（1）以合作伙伴需求為導(dǎo)向， 依托企業(yè)優(yōu)勢(shì)能力資源，借鑒互聯(lián)網(wǎng)業(yè)界最佳實(shí)踐，基于成熟的開源應(yīng)用引擎、云數(shù)據(jù)庫和云應(yīng)用開發(fā)框架，打造業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)和IT 系統(tǒng)的軟件定義平臺(tái)（Software Defined Platform），推進(jìn)中國(guó)業(yè)務(wù)平臺(tái)架構(gòu)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)平臺(tái)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、部署自動(dòng)化、運(yùn)維智能化。

（2）積極推進(jìn)IaaS+中間件模式，重點(diǎn)研究中間件/數(shù)據(jù)庫池化、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，適時(shí)在IaaS 資源池的基礎(chǔ)上引入成熟的商用或開源的中間件、數(shù)據(jù)庫，提供優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)軟件租賃服務(wù)。

（3）基于PaaS 應(yīng)用引擎推進(jìn)業(yè)務(wù)平臺(tái)軟件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化體系，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)平臺(tái)的架構(gòu)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范新興業(yè)務(wù)平臺(tái)的開發(fā)、部署和運(yùn)維流程。

（4）以重點(diǎn)行業(yè)為切入點(diǎn)，提供行業(yè)共性應(yīng)用框架和應(yīng)用模版，實(shí)現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用快速定制，推進(jìn)行業(yè)應(yīng)用孵化創(chuàng)新。

6 結(jié)束語

論文對(duì)應(yīng)用引擎技術(shù)三種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析，可以看出應(yīng)用引擎技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善。通過其技術(shù)發(fā)展和技術(shù)成熟度的分析可以看出應(yīng)用引擎是公司云戰(zhàn)略的重要組成部分。因此應(yīng)用引擎技術(shù)具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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