基于微服務(wù)的多租戶城鎮(zhèn)人口住宅管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳榆中 馬鎮(zhèn) 宋暉

摘? 要： 隨著應(yīng)用復(fù)雜度和租戶數(shù)量的不斷增加，對(duì)應(yīng)用功能的橫向擴(kuò)展及解耦合等需求提出了更高的挑戰(zhàn)。本文基于領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原則構(gòu)建了服務(wù)分割模型以輔助分布式應(yīng)用的設(shè)計(jì)，結(jié)合微服務(wù)架構(gòu)利用Spring Cloud實(shí)現(xiàn)了城鎮(zhèn)人口住宅管理的SaaS系統(tǒng)。本文還采用容器編排技術(shù)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)的多實(shí)例化和動(dòng)態(tài)擴(kuò)縮容，為系統(tǒng)提供了服務(wù)實(shí)例的智能維護(hù)功能。

關(guān)鍵詞： 微服務(wù);SaaS;服務(wù)分割模型;多租戶;城鎮(zhèn)人口住宅

【Abstract】： As the complexity of applications and the number of tenants increase， the requirements for horizontal expansion and decoupling of application functions pose higher challenges. Based on the domain-driven design principle， this paper constructs a service segmentation model to assist the design of distributed applications. Combined with the micro-service architecture， Spring Cloud is used to implement the SaaS system for urban population housing management. This paper adopts container orchestration technology to realize multi-instantiation and dynamic expansion and contraction of services， and provides intelligent maintenance functions for service instances.

【Key words】： Micro-service; SaaS; Service segmentation model; Multi-tenant; Urban population housing

0? 引言

隨著云計(jì)算平臺(tái)的日益普及，從政府到私人企業(yè)都感受到了它所帶來的便利和實(shí)惠。云計(jì)算平臺(tái)支持高性能、高可靠、高可用和可伸縮的SaaS（軟件即服務(wù)）應(yīng)用，而微服務(wù)架構(gòu)作為軟件開發(fā)架構(gòu)的演進(jìn)方向之一，已成為一種SaaS應(yīng)用在云平臺(tái)的可行落地方案。

傳統(tǒng)的MVC架構(gòu)在后續(xù)的功能更改、系統(tǒng)發(fā)布和版本維護(hù)上成本昂貴，微服務(wù)架構(gòu)與其它軟件架構(gòu)相比，擁有更好的功能擴(kuò)展能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。SOA架構(gòu)關(guān)注的是業(yè)務(wù)流程與企業(yè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而微服務(wù)架構(gòu)關(guān)注的是企業(yè)級(jí)應(yīng)用如何在云平臺(tái)上持續(xù)集成與部署。

從前的城鎮(zhèn)人口住宅管理系統(tǒng)是面向單獨(dú)城鎮(zhèn)開發(fā)的MVC系統(tǒng)，現(xiàn)在需要為多個(gè)城鎮(zhèn)提供獨(dú)立的服務(wù)，因此需要將為單一用戶設(shè)計(jì)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)SaaS（軟件即服務(wù)）應(yīng)用，以便充分利用云平臺(tái)的資源來進(jìn)行租戶和功能擴(kuò)展。為了解耦合應(yīng)用功能，本文提出了服務(wù)分割模型來輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用，結(jié)合微服務(wù)架構(gòu)和容器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)和發(fā)布。

本文后續(xù)章節(jié)組織如下，第2章節(jié)詳細(xì)介紹了本文所提出的服務(wù)分割模型;第3章節(jié)描述了該模型在城鎮(zhèn)人口住宅管理系統(tǒng)的應(yīng)用;第4章節(jié)給出了微服務(wù)架構(gòu)下的服務(wù)實(shí)例的智能維護(hù)在系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方式;第5章節(jié)展示了微服務(wù)實(shí)現(xiàn)結(jié)果;第6章節(jié)對(duì)工作進(jìn)行了總結(jié)。

1? 相關(guān)工作

文獻(xiàn)[1]中表示將傳統(tǒng)架構(gòu)的應(yīng)用程序部署到云中時(shí)，隨著時(shí)間的推移通常很難保持良好的模塊化結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)致了微服務(wù)架構(gòu)風(fēng)格在云平臺(tái)的應(yīng)用。微服務(wù)架構(gòu)允許以不同的語言編寫不同的服務(wù)，在相應(yīng)的云平臺(tái)環(huán)境中發(fā)布部署。

微服務(wù)架構(gòu)是由Martin Fowler在前幾年給出的定義[1]，它的主要特征是服務(wù)組件化、通信輕量級(jí)、功能解耦合和去中心化等。微服務(wù)架構(gòu)的核心思想是單個(gè)應(yīng)用作為一組小的服務(wù)，它的接口是一組服務(wù)，服務(wù)之間以輕量級(jí)的協(xié)議進(jìn)行通信;拆分出來的部件或者服務(wù)可以采用不同的技術(shù)棧，使用不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù);最后這些服務(wù)不能直接通信（即不存在依賴），需要通過一個(gè)服務(wù)注冊(cè)中心通訊，應(yīng)用與服務(wù)注冊(cè)中心是解耦合的。

文獻(xiàn)[2]分析和對(duì)比了微服務(wù)架構(gòu)與其他軟件架構(gòu)之間的異同。微服務(wù)架構(gòu)因其高可用性、高擴(kuò)展性和易于維護(hù)的特點(diǎn)，在保持了SaaS（軟件即服務(wù)）應(yīng)用功能完整性的同時(shí)，又解決了傳統(tǒng)軟件架構(gòu)的復(fù)雜性，因此逐漸成為熱門的軟件架構(gòu)風(fēng)格之一。

微服務(wù)架構(gòu)的特點(diǎn)滿足了開發(fā)分布式、易維護(hù)、易擴(kuò)展的SaaS（軟件即服務(wù)）應(yīng)用的條件。文獻(xiàn)[3]將微服務(wù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)服務(wù)框架中;文獻(xiàn)[4]重點(diǎn)討論了在校車安全管理中微服務(wù)的應(yīng)用;文獻(xiàn)[5]將分布式測(cè)距系統(tǒng)以微服務(wù)的形式展現(xiàn);文獻(xiàn)[6]將安全服務(wù)也以微服務(wù)的形式提供;文獻(xiàn)[7]介紹了農(nóng)業(yè)信息化管理平臺(tái)的SaaS方案設(shè)計(jì)。

2? 服務(wù)分割模型

為了將傳統(tǒng)軟件應(yīng)用轉(zhuǎn)變成分布式應(yīng)用或者直接設(shè)計(jì)一個(gè)具有較高擴(kuò)展性的系統(tǒng)，其思路不是設(shè)計(jì)一個(gè)巨大的單體式應(yīng)用，而是將應(yīng)用分割為小的、互相調(diào)用的組件，然后單個(gè)組件完成某個(gè)特定的功能需求，最后由服務(wù)管理與注冊(cè)中心來發(fā)現(xiàn)和調(diào)度它們。本文根據(jù)微服務(wù)在系統(tǒng)中所擔(dān)當(dāng)?shù)墓δ芙巧M(jìn)行了四類分類：

（1）復(fù)用性微服務(wù)指可以被多個(gè)不相關(guān)應(yīng)用所調(diào)用的微服務(wù)，其提供了API接口供其他微服務(wù)使用。例：大數(shù)據(jù)計(jì)算微服務(wù)。

（2）輔助性微服務(wù)指提供了非業(yè)務(wù)邏輯功能的微服務(wù)。例：網(wǎng)關(guān)微服務(wù)、前端顯示微服務(wù)等。

（3）業(yè)務(wù)邏輯微服務(wù)指提供了業(yè)務(wù)邏輯的微服務(wù)，面向業(yè)務(wù)進(jìn)行編碼。

（4）管理監(jiān)控微服務(wù)指對(duì)整個(gè)SaaS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)租戶管理、權(quán)限分配、應(yīng)用分配和監(jiān)控等功能的微服務(wù)。

基于領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原則[8]分析傳統(tǒng)應(yīng)用軟件的各項(xiàng)功能，把應(yīng)用分割為復(fù)用性微服務(wù)、輔助性微服務(wù)和業(yè)務(wù)邏輯微服務(wù)（如圖1所示），然后將其構(gòu)建為分布式應(yīng)用。

從上圖1中看出，復(fù)用性微服務(wù)可以被多個(gè)不相關(guān)應(yīng)用所使用，如圖1中的傳統(tǒng)軟件應(yīng)用B、C，從而提高了代碼維護(hù)性和復(fù)用性;輔助性微服務(wù)可以是前端展示微服務(wù)，從而解耦合了前后端;業(yè)務(wù)邏輯微服務(wù)根據(jù)業(yè)務(wù)的使用頻率、業(yè)務(wù)的相關(guān)性和業(yè)務(wù)的性質(zhì)進(jìn)行劃分，從而易于系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù);管理監(jiān)控微服務(wù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行租戶管理、應(yīng)用分配等操作。通過服務(wù)分割模型可以設(shè)計(jì)出一個(gè)具有較高擴(kuò)展性的分布式應(yīng)用。

3? 城鎮(zhèn)人口住宅管理服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于微服務(wù)架構(gòu)和服務(wù)分割模型，對(duì)城鎮(zhèn)人口住宅管理系統(tǒng)的功能進(jìn)行服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，四類微服務(wù)分別包括以下模塊。

復(fù)用性微服務(wù)包含了Spark服務(wù)和GIS服務(wù)。它們分別提供了大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、百度地圖繪制等功能，這些功能均提供了Restful API接口，在未來新增的功能模塊需要這些底層支持時(shí)，可以復(fù)用這些服務(wù)，從而提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。

輔助性微服務(wù)包含了城鎮(zhèn)人口住宅信息Edge Service和網(wǎng)關(guān)服務(wù)，它們分別提供了城鎮(zhèn)人口住宅應(yīng)用的前端展示和域名解析等功能。

業(yè)務(wù)邏輯微服務(wù)包含了民宅管理服務(wù)、小區(qū)管理服務(wù)、民宅信息查詢服務(wù)等。這些服務(wù)都是面向業(yè)務(wù)進(jìn)行編碼的，首先對(duì)使用頻率較高的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分割;其次對(duì)不同性質(zhì)的業(yè)務(wù)進(jìn)行拆分，例：小區(qū)和民宅;最后對(duì)具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的業(yè)務(wù)進(jìn)行合并分割，例：房屋信息和戶主信息查詢。

管理監(jiān)控微服務(wù)包含了多租戶信息管理服務(wù)。它提供了租戶管理、權(quán)限分配和應(yīng)用管理等功能;它通過Redis緩存實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用之間的單點(diǎn)登錄。

從上圖2中看出，當(dāng)進(jìn)行功能橫向擴(kuò)展時(shí)，只需要編寫新的服務(wù)實(shí)例而無需修改不相關(guān)服務(wù)，然后相關(guān)服務(wù)通過服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)中心調(diào)度新增服務(wù)，較好的解耦合了功能之間的依賴關(guān)系。比如新增一個(gè)其它應(yīng)用的服務(wù)，只要讓多租戶信息管理服務(wù)調(diào)度它的接口即可。由于每個(gè)服務(wù)只完成特定的功能需求，可以輕易定位功能的實(shí)現(xiàn)位置，從而提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。比如當(dāng)民宅租賃合同無法下載或者上傳時(shí)，可以去民宅租賃合同管理服務(wù)中定位錯(cuò)誤位置，從而修復(fù)系統(tǒng)錯(cuò)誤。

4? 系統(tǒng)智能維護(hù)

SaaS（軟件即服務(wù)）應(yīng)用相較于傳統(tǒng)應(yīng)用的一大優(yōu)勢(shì)是服務(wù)或組件的獨(dú)立部署能力。系統(tǒng)智能維護(hù)是指在某些服務(wù)崩潰時(shí)，系統(tǒng)自我恢復(fù)相應(yīng)服務(wù)實(shí)例;當(dāng)服務(wù)的流量增加或減少時(shí)，系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)服務(wù)實(shí)例進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)縮容來提高系統(tǒng)的負(fù)載能力?；诜?wù)分割模型切分多租戶城鎮(zhèn)人口住宅管理系統(tǒng)，對(duì)這些服務(wù)進(jìn)行多實(shí)例化部署和動(dòng)態(tài)擴(kuò)縮容部署，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能維護(hù)。系統(tǒng)部署如下圖3所示。

由于服務(wù)之間不能直接通訊，因此需要一個(gè)服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)中心作為中間件，該中心被部署到Kubernetes[9]集群中，利用Kubernetes集群的自我修復(fù)功能，實(shí)現(xiàn)在容器死亡時(shí)重新啟動(dòng)失敗的容器或者替換新的容器，確保了服務(wù)注冊(cè)中心的穩(wěn)定性。

復(fù)用性微服務(wù)、輔助性微服務(wù)、業(yè)務(wù)邏輯微服務(wù)和管理監(jiān)控微服務(wù)，都被打包成Docker[10]鏡像，利用Kubernetes集群的多實(shí)例化部署和動(dòng)態(tài)擴(kuò)縮容部署，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在高低流量下的服務(wù)實(shí)例的智能維護(hù)功能，從而提高了系統(tǒng)的健壯性和穩(wěn)定性。

5? 應(yīng)用的微服務(wù)實(shí)現(xiàn)

5.1? 服務(wù)分割結(jié)果

通過服務(wù)分割模型把多租戶城鎮(zhèn)人口住宅管理系統(tǒng)拆分成多個(gè)原子服務(wù)，這些服務(wù)會(huì)被注冊(cè)到服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)中心Eureka中。當(dāng)服務(wù)實(shí)例運(yùn)行之后，服務(wù)注冊(cè)中心將顯示服務(wù)的名稱、狀態(tài)、實(shí)例個(gè)數(shù)、可用個(gè)數(shù)、IP地址和端口等服務(wù)信息。

在完成服務(wù)的分割與開發(fā)之后，將各個(gè)服務(wù)打包成Docker鏡像，發(fā)布到私人的鏡像倉(cāng)庫(kù)中，如圖5所示。通過鏡像倉(cāng)庫(kù)中的鏡像文件，Kubernetes集群會(huì)拉取其中的文件，生成pod組件，然后通過Service的虛擬IP實(shí)現(xiàn)服務(wù)實(shí)例的動(dòng)態(tài)擴(kuò)縮容和自我恢復(fù)。

5.2? 智能維護(hù)結(jié)果

在Kubernetes集群中設(shè)置Service的資源（例：內(nèi)存、CPU使用率等）使用率闕值為50%，通過Shell腳本來增加訪問流量之后，資源使用率增加，從而讓實(shí)例的個(gè)數(shù)由1增加到4，分擔(dān)了服務(wù)實(shí)例的負(fù)載壓力，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能維護(hù)，從而提高了系統(tǒng)的健壯性和穩(wěn)定性。

6? 總結(jié)

本文構(gòu)建了用來輔助設(shè)計(jì)分布式應(yīng)用的服務(wù)分割模型，利用該模型可以設(shè)計(jì)出具有較高擴(kuò)展性的應(yīng)用系統(tǒng)。其次本文基于該模型和微服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多租戶城鎮(zhèn)人口住宅管理系統(tǒng)，解耦合了功能應(yīng)用，提高了該系統(tǒng)的可維護(hù)性和擴(kuò)展性。最后采用容器技術(shù)和容器編排框架完成了系統(tǒng)服務(wù)實(shí)例的智能維護(hù)功能，讓系統(tǒng)在高低流量下具有較好的穩(wěn)定性。

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