Openstack云主機(jī)管理的敏捷開發(fā)技術(shù)*

程文迪,劉德民

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210007；2.信息系統(tǒng)工程重點實驗室,江蘇 南京 210007)

0 引言

現(xiàn)階段，指揮信息系統(tǒng)的論證、設(shè)計、實現(xiàn)、集成等階段工作采用分階段完成，用戶在整個研制過程中參與和體驗程度低，指揮信息系統(tǒng)各階段工作成果的正確性驗證仍以分階段的專家評審和系統(tǒng)集成后的測試驗證為主，導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)階段成果未能充分驗證，增加了系統(tǒng)研制風(fēng)險。未來跨軍兵種的聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)和其他新型指揮系統(tǒng)開發(fā)難度大、需求確定難、設(shè)計驗證難的問題突出。因此，在新一代指揮信息系統(tǒng)建設(shè)和發(fā)展的道路上，亟需開展敏捷開發(fā)研究[1]，通過綜合應(yīng)用云計算、虛擬化、服務(wù)化等技術(shù)，構(gòu)建一體化、敏捷的指揮信息系統(tǒng)開發(fā)平臺，提升系統(tǒng)研制的正確性、快速性和有效性。

1 云計算與Openstack簡介

在信息技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)下，云計算[2-3]是目前研究的重要熱點技術(shù)，也是敏捷開發(fā)技術(shù)研究的關(guān)鍵問題之一。維基百科對云計算作了如下的描述：云計算是一種通過因特網(wǎng)以服務(wù)的方式提供動態(tài)可伸縮的虛擬化的資源的計算模式。虛擬化技術(shù)是指一種對計算元件在虛擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化管理、優(yōu)化資源的解決方案。虛擬化技術(shù)通過類似服務(wù)器集群的方式擴(kuò)大硬件的容量，簡化軟件部署的配置過程，實現(xiàn)單個CPU模擬多個CPU并行，允許多個操作系統(tǒng)在同一平臺同時獨立運行，從而顯著提高計算機(jī)的工作效率。虛擬化技術(shù)通過把多臺服務(wù)器實體構(gòu)成一個資源池，以共同計算、共享資源的方式為云計算平臺的資源管理和整合能力提供重要的支撐[4]。云計算基于虛擬化技術(shù)，物理計算機(jī)以及其他硬件組成共享計算資源池，按照用戶需求提供計算能力、存儲能力、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力等[5]。Openstack作為目前最熱門的一種開源IaaS (infrastructure as a service)云計算平臺[6]，將實際的服務(wù)器資源虛擬化，對用戶按需提供計算能力、存儲能力、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，以虛擬機(jī)的形式向用戶交付服務(wù)。

Openstack包含5個最主要的構(gòu)成部分[7]：計算服務(wù)(Nova),對象存儲服務(wù)(Swift),鏡像管理服務(wù)(Glance),認(rèn)證服務(wù)(Keystone)以及UI服務(wù)(Horizon)。如圖1所示。

Nova是Openstack中用于管理虛擬機(jī)實例的整個生命周期計算的控制器，負(fù)責(zé)虛擬機(jī)創(chuàng)建、銷毀、開機(jī)、關(guān)機(jī)、掛起、重啟等操作，同時配置CPU、內(nèi)存等信息。

Swift是一種非結(jié)構(gòu)化的對象存儲系統(tǒng)，它通過內(nèi)置冗余及高容錯機(jī)制實現(xiàn)對象的存儲，允許進(jìn)行存儲或者檢索文件。

Glance是一套虛擬機(jī)鏡像查找及檢索系統(tǒng)，支持多種虛擬機(jī)鏡像格式，有新建上傳鏡像、刪除鏡像、編輯鏡像等基本操作功能。

Keystone是Openstack為其他服務(wù)提供身份驗證、服務(wù)規(guī)則和服務(wù)令牌等功能的子項目。通過Keystone注冊到服務(wù)器中的服務(wù)，需要通過身份驗證來實現(xiàn)互相通信和調(diào)用。

Horizon是基于Web的管理門戶，用于簡化用戶對服務(wù)的操作，例如：啟動和銷毀實例、自動分配IP地址、配置訪問控制等。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

隨著軟件產(chǎn)品復(fù)雜度的提升以及客戶需求和期望的提高，軟件功能與需求往往會頻繁變動[8]。因此軟件循序漸進(jìn)式的迭代過程迫切地需要一整套與軟件開發(fā)過程實際結(jié)合緊密、操作性強(qiáng)、管理高效的軟件工程方法[9]。敏捷開發(fā)[10-11]作為一種輕量快捷式的開發(fā)方法也應(yīng)運而生。它的主要特點是[12]:①重視迭代。②重視與客戶的交流。③重視測試驅(qū)動開發(fā)和軟件持續(xù)集成。

圖1 Openstack組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Composition structure of Openstack

當(dāng)前，指揮信息系統(tǒng)朝著功能多樣化、規(guī)模龐大化、交互關(guān)系復(fù)雜化的趨勢發(fā)展。指揮信息系統(tǒng)與SOA(service-oriented architecture,面向服務(wù)的架構(gòu))及云計算技術(shù)的深入結(jié)合促進(jìn)了系統(tǒng)技術(shù)體制的轉(zhuǎn)變，對指揮信息系統(tǒng)的開發(fā)提出了更高的要求。不同的指揮信息系統(tǒng)需求確定難、設(shè)計驗證難的問題仍然突出，造成開發(fā)反復(fù)和效率低下，主要有以下幾點原因：

(1) 用戶本身對軍事需求把握不準(zhǔn)

在新的作戰(zhàn)模式下的很多軍事需求本身很難獲取。軍事作戰(zhàn)人員與系統(tǒng)開發(fā)人員專業(yè)領(lǐng)域的差別，也使得軍事需求在系統(tǒng)研制過程中失真很大。

(2) 需求分析與設(shè)計過程中用戶體驗程度低

指揮信息系統(tǒng)研制過程中用戶參與度低，基于文檔方案的討論過于抽象，原型系統(tǒng)又偏向于功能性需求的獲取，很多系統(tǒng)設(shè)計無法盡早獲得用戶確認(rèn)。

(3) 模型驅(qū)動的系統(tǒng)開發(fā)過程缺乏有效測試方法和工具支撐

基于SOA架構(gòu)的指揮新信息系統(tǒng)的構(gòu)建是圍繞業(yè)務(wù)流程模型開展的，系統(tǒng)具有的分布程度高、并發(fā)性強(qiáng)、服務(wù)之間的交互關(guān)系復(fù)雜等特征，使得傳統(tǒng)的手工測試方法難以開展。

(4) 新的建設(shè)模式下的大量資源和成果不能很好地重用

目前開發(fā)過程中有大量資源和成果不能很好地重用，從代碼模塊重用、系統(tǒng)設(shè)計重用，甚至需求分析模型都存在重用。

綜上所述，指揮信息系統(tǒng)需要一種敏捷、高效、一體化的開發(fā)方法，能夠針對系統(tǒng)論證、分析、設(shè)計、集成、驗證的全生命周期進(jìn)行協(xié)同開發(fā)和同步驗證。構(gòu)建基于云的統(tǒng)一開發(fā)平臺將指揮信息系統(tǒng)開發(fā)過程中的可重用資源有效整合、按需使用，靈活適應(yīng)不同的開發(fā)需求和開發(fā)過程，快速構(gòu)建開發(fā)環(huán)境、驗證環(huán)境和測試環(huán)境，通過增強(qiáng)用戶體驗加速需求、設(shè)計和開發(fā)迭代過程。

總體研究思路如圖2體系結(jié)構(gòu)圖所示。

(1) 在指揮信息系統(tǒng)敏捷開發(fā)過程模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于云的基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境，包括存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫，支撐指揮信息系統(tǒng)開發(fā)過程中資源存儲、服務(wù)部署和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

(2) 構(gòu)建指揮信息系統(tǒng)開發(fā)資源庫，包括工具模型、通用服務(wù)、數(shù)據(jù)資源和仿真支撐平臺。為了實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)資源統(tǒng)一、集中、高效的管理和使用，根據(jù)開發(fā)資源類型，建立各類資源的分類體系和描述模型，研究資源虛擬化和服務(wù)化方法，實現(xiàn)開發(fā)資源的統(tǒng)一建模、注冊和管理，形成面向系統(tǒng)開發(fā)的資源云；最終建立系統(tǒng)開發(fā)資源云池，為系統(tǒng)敏捷開發(fā)提供各類服務(wù)。

圖2 體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram

(3) 設(shè)計開發(fā)各類資源在開發(fā)過程中按需使用服務(wù)，包含搜索、推薦、下載、部署和集成。

(4) 開發(fā)統(tǒng)一開發(fā)門戶[13]網(wǎng)站，實現(xiàn)各類資源的統(tǒng)一管理訪問和開發(fā)過程的管理。

(5) 選取典型指揮信息系統(tǒng)進(jìn)行模擬開發(fā)，充實資源庫和平臺服務(wù)，對敏捷開發(fā)過程模型進(jìn)行驗證。

通過對指揮信息系統(tǒng)需求、設(shè)計、開發(fā)和集成各階段引入用戶體驗和測試驗證，促進(jìn)階段內(nèi)的迭代反饋，使得設(shè)計開發(fā)中的問題盡早發(fā)現(xiàn)解決，實現(xiàn)指揮信息系統(tǒng)開發(fā)過程敏捷開發(fā)化。

3 敏捷開發(fā)

3.1 仿真驗證環(huán)境搭建

仿真驗證環(huán)境是指基于實驗任務(wù)的內(nèi)容和實驗?zāi)康?，搭建一組包含實驗控制導(dǎo)調(diào)、仿真模擬軟件、實驗數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)、數(shù)據(jù)采集、仿真引擎驅(qū)動等各功能組件的實驗系統(tǒng)環(huán)境。

敏捷開發(fā)平臺采用虛擬化和服務(wù)化技術(shù)，依托軟件配套工具，利用試驗資源的共享與協(xié)同機(jī)制，提供分布式協(xié)同開發(fā)和驗證應(yīng)用模式，支持一體化的系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)、驗證和測試過程[14]。

利用開發(fā)試驗平臺進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的基本流程如圖3所示。各類系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)用戶在設(shè)計開發(fā)門戶的支持下，利用開發(fā)試驗平臺提供的各類工具，依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范要求完成相應(yīng)的設(shè)計開發(fā)任務(wù)[15]。

(1) 首先進(jìn)行試驗任務(wù)需求分析，對系統(tǒng)功能、用途、適用范圍初步形成需求文檔，進(jìn)一步形成系統(tǒng)概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計，初步制定實驗配置文件，涉及系統(tǒng)規(guī)模、基本功能、席位、網(wǎng)絡(luò)配置等信息，并將配置文件入庫。

(2) 與此同時，通過用戶名和密碼登錄門戶網(wǎng)站，查詢設(shè)計開發(fā)環(huán)境中提供的設(shè)計開發(fā)支撐工具以及設(shè)計開發(fā)資源。

(3) 初步確定試驗需求之后，創(chuàng)建試驗代號，開始進(jìn)行試驗。

(4) 將當(dāng)前試驗代號與配置文件庫中的試驗配置文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

(5) 根據(jù)試驗配置文件中的系統(tǒng)總設(shè)計規(guī)劃，按照圖4創(chuàng)建虛擬機(jī)時序圖所示的步驟創(chuàng)建并啟動相應(yīng)數(shù)量的云主機(jī)，并分配好IP。

(6) 根據(jù)試驗配置文件中的席位設(shè)計，從數(shù)據(jù)庫下載各類資源并進(jìn)行軟件部署安裝。

(7) 啟動仿真流程，通過仿真初始化、仿真開始、暫停、仿真結(jié)束等命令控制仿真進(jìn)程。

(8) 通過仿真試驗形成仿真結(jié)果。

(9) 根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行需求驗證，是否滿足用戶要求，或者評估結(jié)果是否滿足預(yù)期。如果不完善或者不符合預(yù)期，重新反饋到需求分析階段，更新系統(tǒng)需求設(shè)計。

圖3 典型試驗流程Fig.3 Typical test flow

根據(jù)試驗任務(wù)環(huán)境配置信息，系統(tǒng)需要將模型庫中參試的各類模型、軟件、仿真構(gòu)件等功能模塊，按需動態(tài)生成仿真試驗驗證環(huán)境，實現(xiàn)對集成后的新一代系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗、測試和評估。

本文依托敏捷開發(fā)技術(shù)中云計算和虛擬化的概念，借助Openstack操作管理虛擬機(jī)的全生命周期，可以實現(xiàn)仿真實驗云環(huán)境的快速生成。圖4創(chuàng)建虛擬機(jī)時序圖所示是Openstack創(chuàng)建虛擬機(jī)的流程。

(1) Openstack調(diào)度控制器從任務(wù)列表中讀取創(chuàng)建虛擬機(jī)的任務(wù)，發(fā)送創(chuàng)建命令給Nova計算服務(wù)控制器。

(2) Nova計算服務(wù)控制器通過用戶名與密碼進(jìn)行身份驗證，然后驗證鏡像ID是否正確合法，并通過API(application programming interface,應(yīng)用程序編程接口)獲取模板使用的flavor(即虛擬機(jī)的的硬件資源配置，如CPU個數(shù)、內(nèi)存大小、硬盤大小等)。

(3) Nova計算服務(wù)控制器再向網(wǎng)絡(luò)管理模塊Neutron獲取指定可用的網(wǎng)絡(luò)，為虛擬機(jī)綁定網(wǎng)卡(如果指定多個網(wǎng)段，就綁定多網(wǎng)卡)；同時綁定一個可用的IP。

(4) Nova計算服務(wù)控制器通過Openstack API創(chuàng)建虛擬機(jī)，獲得虛擬機(jī)的ID。

(5) 將新建的虛擬機(jī)信息存入數(shù)據(jù)庫。

創(chuàng)建好仿真試驗驗證環(huán)境以后，根據(jù)試驗任務(wù)關(guān)聯(lián)的配置文件中的各類模型從數(shù)據(jù)庫下載各類資源，將試驗任務(wù)的總體規(guī)劃包括試驗任務(wù)中涉及的軟件模型類型、模型的屬性參數(shù)、平臺配置參數(shù)、主機(jī)名信息、IP信息寫入軟件配置信息腳本，進(jìn)行軟件部署安裝。

3.2 仿真驗證系統(tǒng)迭代

系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的迭代流程如圖5所示。首先系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)人員接收系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)需求建立測試目標(biāo)，以及描述測試需求的任務(wù)場景和部署模型，形成相關(guān)的設(shè)計文檔。其次，登錄系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的門戶界面，查詢發(fā)現(xiàn)所需的設(shè)計開發(fā)工具、搜索可用的系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)資源，也可以通過門戶來構(gòu)建相應(yīng)的仿真試驗系統(tǒng)對自己開發(fā)的系統(tǒng)資源。依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范要求完成相應(yīng)的設(shè)計開發(fā)任務(wù),經(jīng)過模型轉(zhuǎn)換,將上述模型轉(zhuǎn)化為執(zhí)行引擎可識別的仿真腳本。由于仿真執(zhí)行引擎還要依賴由模擬程序庫所提供的服務(wù)模擬器和環(huán)境模擬器支持，因此需要進(jìn)行模擬程序的半自動/自動輔助構(gòu)建。然后，再將仿真腳本置于仿真引擎中進(jìn)行測試執(zhí)行。最后，進(jìn)行測試結(jié)果的整理和分析。

利用開發(fā)試驗平臺進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的基本流程如圖5所示。各類系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)用戶在設(shè)計開發(fā)門戶的支持下，利用開發(fā)試驗平臺提供的各類工具，依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范要求完成相應(yīng)的設(shè)計開發(fā)任務(wù)。通過開發(fā)門戶對需求論證階段得到的需求模型進(jìn)行檢驗，敏捷開發(fā)平臺通過對開發(fā)資源云池的資源查找，向開發(fā)門戶推薦相應(yīng)需求驗證工具和資源，構(gòu)建需求驗證原型及需求測試用例。對需求模型進(jìn)行檢驗，當(dāng)用戶對檢驗結(jié)果確認(rèn)無誤后，輸出需求模型。

圖4 創(chuàng)建虛擬機(jī)時序圖Fig.4 Sequence diagram of creating a virtual host

圖5 系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)迭代流程Fig.5 Iterative process of system design and development

4 門戶應(yīng)用

在系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中，各類角色的工作都是通過系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)門戶進(jìn)行的，系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)門戶提供了發(fā)現(xiàn)和使用開發(fā)試驗平臺中各種設(shè)計開發(fā)服務(wù)的能力。各類設(shè)計開發(fā)角色通過門戶登錄平臺，查詢和發(fā)現(xiàn)所需的設(shè)計開發(fā)工具，搜索可用的系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)資源。也可以通過門戶來構(gòu)建相應(yīng)的仿真試驗系統(tǒng)，對自己開發(fā)的系統(tǒng)資源、系統(tǒng)單元和集成后的新一代系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗、測試和評估，并給出反饋建議。

門戶網(wǎng)站是各類服務(wù)和資源的用戶訪問接口，根據(jù)開發(fā)任務(wù)的不同，可以分為幾大服務(wù)：基礎(chǔ)設(shè)施管理、資源庫管理、服務(wù)管理、項目管理和人員管理。

基礎(chǔ)設(shè)施管理：負(fù)責(zé)對云資源的訪問和管理。

資源庫管理：負(fù)責(zé)對資源庫的訪問和管理。

服務(wù)管理：負(fù)責(zé)通過將資源庫的用于開發(fā)或驗證環(huán)境的資源部署在云資源環(huán)境上供開發(fā)人員使用。

項目管理：負(fù)責(zé)按項目管理開發(fā)任務(wù)。

人員管理：負(fù)責(zé)人員的注冊和權(quán)限管理。

根據(jù)開發(fā)角色的不同，可以分為系統(tǒng)管理員、項目管理員、開發(fā)人員和試驗人員。

系統(tǒng)管理員：可以對所有資源進(jìn)行配置，可以對項目管理員權(quán)限授權(quán)。

項目管理員：可以對項目內(nèi)所有資源進(jìn)行配置，可以對開發(fā)人員和試驗人員進(jìn)行權(quán)限授權(quán)。

開發(fā)人員：可以對開發(fā)資源進(jìn)行配置。

試驗人員：可以對試驗資源進(jìn)行配置。

圖6門戶網(wǎng)站所示為基于敏捷開發(fā)框架的基礎(chǔ)上開發(fā)的門戶網(wǎng)站，包含系統(tǒng)研制的需求階段、設(shè)計階段、開發(fā)階段、集成階段、驗證與測試等部分。敏捷開發(fā)平臺通過對資源云池的資源查找，向開發(fā)門戶推薦相應(yīng)驗證工具和資源，構(gòu)建驗證原型及測試用例。構(gòu)建原型系統(tǒng)后對系統(tǒng)模型、功能進(jìn)行集成驗證或測試評估，同時將結(jié)果驗證分析的結(jié)果反饋給用戶，用戶根據(jù)反饋結(jié)果提出修改意見，再次進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)，直到用戶確認(rèn)結(jié)果后，進(jìn)行系統(tǒng)交付。

采用這種可重用的資源有效整合、按需使用，靈活適應(yīng)不同的開發(fā)需求和開發(fā)過程，快速構(gòu)建開發(fā)環(huán)境、驗證環(huán)境和測試環(huán)境，通過用戶體驗加速需求、設(shè)計和開發(fā)迭代過程。

5 結(jié)束語

本文針對任務(wù)驅(qū)動的仿真能力生成問題，實現(xiàn)基于云架構(gòu)的仿真試驗系統(tǒng)動態(tài)構(gòu)建技術(shù)，提出了基于Openstack云主機(jī)的敏捷開發(fā)平臺，通過云計算、服務(wù)化技術(shù)，任意定制系統(tǒng)開發(fā)或測試環(huán)境，將可重用的資源快速按需重構(gòu)，用戶參與設(shè)計驗證，基于持續(xù)集成，快速響應(yīng)系統(tǒng)修改變化進(jìn)行迭代。