ATS軟件持續(xù)交付系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

夏蕓

（卡斯柯信號有限公司上海測試部 上海市 200070）

持續(xù)交付（Continuous delivery，縮寫為 CD），是一種軟件工程手法，讓軟件產(chǎn)品的產(chǎn)出過程在一個短周期內(nèi)完成，以保證軟件可以穩(wěn)定、持續(xù)的保持在隨時可以發(fā)布的狀況。它的目標在于讓軟件的構(gòu)建、測試與發(fā)布變得更快以及更頻繁。這種方式可以減少軟件開發(fā)的成本與時間，減少風險。[1]

城市軌道交通的列車自動監(jiān)控(ATS, Automatic Train Supervision)子系統(tǒng),是城市軌道交通信號系統(tǒng)的重要組成，ATS 通過對列車運行監(jiān)視、自動排列進路、自動列車調(diào)整、自動生成時刻表、自動記錄和統(tǒng)計運行數(shù)據(jù)并生產(chǎn)報表、自動檢測設備運行狀態(tài)等實現(xiàn)對列車運行的監(jiān)視和控制，輔助調(diào)度員對全線列車進行管理。[2]隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，ATS 軟件的功能越來越多，越來越復雜，同時為了更快的響應用戶需求，ATS 軟件快速迭代更新的難度也越來越大，因此，為了更好的應對市場和用戶需求，迫切的需求構(gòu)建快速、持續(xù)、高效的ATS 軟件持續(xù)交付系統(tǒng)。

本文介紹了ATS 軟件持續(xù)交付系統(tǒng)的設計，以及系統(tǒng)的實現(xiàn)，最后介紹了持續(xù)交付系統(tǒng)的應用情況。

1 系統(tǒng)設計

軟件從開發(fā)到交付用戶，要進過一系列的流程，包括代碼提交到配置庫，代碼編譯、測試（單元測試、集成測試、功能測試），當室內(nèi)測試通過后，將軟件部署到現(xiàn)場。在當前階段，ATS 持續(xù)交付系統(tǒng)的目標是實現(xiàn)“準交付版本”交付流程的高效和自動化?！皽式桓栋姹尽奔词强山桓队脩羰褂玫陌姹?。

1.1 設計原則

持續(xù)交付指軟件從版本控制庫到用戶手中這一過程的自動化表現(xiàn)形式。[3]為了實現(xiàn)上述流程的自動化和高效，持續(xù)交付系統(tǒng)的設計原則包括如下幾點：

（1）實現(xiàn)軟件交付流程的自動化，尤其是構(gòu)建、部署、測試流程的自動化；

（2）將交付流程腳本化，并由配置庫進行版本管理，包括構(gòu)建、部署、測試；

（3）交付流程的可視化，同時某個步驟的失敗能及時的反饋。

1.2 功能設計

持續(xù)交付系統(tǒng)的核心流水線如圖1 所示，流水線的這幾個核心階段即為持續(xù)交付系統(tǒng)的主要功能，另外持續(xù)交付系統(tǒng)還需實現(xiàn)流水線管理功能，完整的系統(tǒng)功能如下：

（1）流水線管理，實現(xiàn)流水線的創(chuàng)建、配置、可視化、度量反饋，以及將其它系統(tǒng)統(tǒng)計集成到流水線；

（2）版本控制，實現(xiàn)ATS 源代碼、測試平臺代碼、流水線腳本、文檔等的版本管理；

（3）自動部署，實現(xiàn)ATS 軟件和測試平臺的自動部署，以及測試環(huán)境所需虛擬機的創(chuàng)建，網(wǎng)絡配置等；

（4）自動化測試，實現(xiàn)ATS 軟件的自動化測試，包括接口測試、功能測試和性能測試；

（5）版本發(fā)布，實現(xiàn)“準發(fā)布版本”的打包，包括軟件和配置、以及生成發(fā)布單。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

DevOps 通常是指軟件行業(yè)新興的專業(yè)化運動,是一組文化、流程與工具整合后的統(tǒng)。DevOps 通過自動化流程來使得軟件構(gòu)建、測試、發(fā)布更加快捷、頻繁和可靠。[4]持續(xù)交付是 DevOps 的核心工程實踐，貫穿軟件開發(fā)全生命周期。實現(xiàn)了健全的版本控制系統(tǒng)、基于主干開發(fā)、自動化構(gòu)建、自動化測試、自動化部署、每天多次集成和組織級度量等能力，都對軟件開發(fā)產(chǎn)生正面的影響。[5]

因此，在ATS 持續(xù)交付系統(tǒng)的實現(xiàn)策略上，采取了DevOps 生態(tài)工具、商用工具、以及自研工具相結(jié)合的方式。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在本文的持續(xù)交付系統(tǒng)的實現(xiàn)中，采用Jenkins 作為持續(xù)集成服務器，采取Gitlab 作為版本控制系統(tǒng)，采用Coverity 進行代碼度量和檢查，基于Ansible 實現(xiàn)自動部署，采用自研的測試平臺實現(xiàn)自動化測試和手工測試，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖1：持續(xù)交付系統(tǒng)核心流水線

表1

圖2：系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3：持續(xù)交付工作流

2.2 關鍵技術

Docker 是一個開源的應用容器引擎，讓開發(fā)者可以打包他們的應用以及依賴包到一個可移植的容器中,然后發(fā)布到任何流行的Linux 機器或Windows 機器上,也可以實現(xiàn)虛擬化,容器是完全使用沙箱機制,相互之間不會有任何接口。[6]基于Docker 容器技術，實現(xiàn)本持續(xù)交付系統(tǒng)的優(yōu)勢在于以下幾點：

（2）易于快速的自動部署，持續(xù)交付工具鏈中的一系列工具如Jenkins、Gitlab、g++/gcc 等，均可已標準鏡像的方式直接存儲在容器倉庫中。

（3）快速且節(jié)省硬件資源，與傳統(tǒng)的虛擬機相比，輕量容器技術Docke 是系統(tǒng)級的虛擬化而不是傳統(tǒng)的硬件虛擬化，因此具有更快的運行速度，啟動速度達到了秒級，另外也能極大的節(jié)省服務器的硬件資源，在一臺普通的服務器上同時運行成百上千個Docker容器。

Jenkins 是一個開源的持續(xù)集成工具，并支持分布式的部署，Jenkins 在整個持續(xù)交付系統(tǒng)的實現(xiàn)中，起到了至關重要的作用。當源代碼發(fā)生變更，并提交到Gitlab 版本庫，Jenkins 將自動觸發(fā)核心流水線（圖1 所示），并在此過程中Jenkins 通過插件集成編譯工具鏈、靜態(tài)代碼掃描工具完成準發(fā)布版本的構(gòu)建。若準發(fā)布版本構(gòu)建成功，Jenkins 會自動觸發(fā)自動部署流水線，進行ATS 軟件，測試環(huán)境的部署，此時會根據(jù)測試需求，同時部署多套測試環(huán)境，同步進行自動化的接口測試、功能測試、性能測試，若上述測試通過，則進入手工測試階段，若手工測試也通過，則自動生成發(fā)布單，以及將“準發(fā)布版本”打版本標簽。

2.3 實現(xiàn)難點

對于本文的ATS 持續(xù)系統(tǒng)而言，測試環(huán)節(jié)是實現(xiàn)快速、高效交付的主要障礙，其原因在于：

（1）測試環(huán)境部署，基于現(xiàn)場實際設備和運營數(shù)據(jù)，自動部署整個仿真測試環(huán)境，包括：ATS 被測系統(tǒng)和軟件，聯(lián)鎖CI 仿真，線路控制器LC 仿真、區(qū)域控制器ZC 仿真、車載控制器CC 仿真、軌道線路和信號設備仿真、測試平臺和測試數(shù)據(jù)，以及整個網(wǎng)絡環(huán)境的配置。

（2）自動化測試，自動化測試的一般思路為，在測試用例中描述測試數(shù)據(jù)和輸入條件，各種仿真設備的操作，獲取被測對象的輸出后與預期結(jié)果進行對比，獲得測試結(jié)果。由于ATS 測試中涉及到眾多的仿真設備和復雜的操作序列，大量需分析的ATS 輸出日志，故其自動化測試存在一定的難度。

本文持續(xù)交付系統(tǒng)針對上述難點，采取自研的方式，開發(fā)了ATS 自動化測試平臺，基于Jenkins 的插件來實現(xiàn)與持續(xù)交付系統(tǒng)集成，其主要功能如下：

（1）模擬ATS 運行所需的各個外部模擬器（如ZC，CI 等模擬設備），并根據(jù)測試人員設計的測試腳本模擬出相應的場景運行，模擬圖形工作站（GPC）實現(xiàn)ATS 的界面操作的腳本化。

（2）全程記錄ATS 界面上的所有控件的狀態(tài)以及ATS 與外部設備的所有接口消息內(nèi)容。

其時的士人對山水的迷戀可以說到了癡迷的地步，竹林七賢“登山臨水，竟日忘歸”，宗炳“每游山水，往輒忘歸”，袁崧欣賞“山水之美也……流連往宿，不覺忘返”。類似于這樣的記錄還有很多。在這種社會思潮背景下，只有山水和游山水的人使人感興趣，其他諸如節(jié)操倫常、忠臣義士等不為人所重。宗炳“眷戀廬衡，契闊荊巫”，當“老疾俱至”時，唯恐“名山恐難遍游”，于是“凡所游歷，皆圖之于壁，坐臥向之”。這反映出人們不僅喜愛山水，更欲將山水畫于紙上，以便能時時賞之。至此，繪畫的主題也隨之從先前的人物向山水轉(zhuǎn)移。

（3）根據(jù)測試人員編寫出分析腳本，分析記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)結(jié)果的自動判定，并生成響應的測試報告。

2.4 持續(xù)交付工作流

本文的持續(xù)交付系統(tǒng)基于Jenkins 為核心，實現(xiàn)的持續(xù)交付工作流如圖3 所示。開發(fā)人員提交代碼后，Jenkins 自動觸發(fā)后續(xù)的流程，并將每一步驟執(zhí)行的狀態(tài)反饋給開發(fā)和測試人員。另外，測試平臺的代碼也維護在Gitlab 代碼庫中，同樣也配置了持續(xù)集成流水線，完成測試平臺的構(gòu)建和測試平臺自身的測試工作。

3 應用情況

本文的持續(xù)交付系統(tǒng)經(jīng)過了3 個多月的試用，從實踐的效果看，在以下幾方面有所提升。

3.1 發(fā)布成本降低、周期縮短

表1 是近期平均一次完整的“準發(fā)布版本”交付流程的周期和成本的對比情況。交付周期縮短了27%，人力成本減少了29%。開發(fā)效率的提升主要在于，當前具有一致的開發(fā)和測試環(huán)境，且開發(fā)和測試環(huán)境可以快速的多套部署，大大減少了環(huán)境不一致和環(huán)境緊張而產(chǎn)生的時間成本。測試效率的提升主要在于，自動化測試的投入，縮短了周期且降低了人工成本。

3.2 質(zhì)量提升

持續(xù)交付的理念是內(nèi)建質(zhì)量，軟件質(zhì)量由整個團隊負責，盡早的發(fā)現(xiàn)缺陷并盡早修復。本文的持續(xù)交付系統(tǒng)，通過標準化和自動化的手段，針對每一次代碼的變更，進行驗證和缺陷的快速反饋。從近期的使用效果看，代碼質(zhì)量有了一定程度的提升。

4 結(jié)束語

本文將DevOps 生態(tài)工具鏈和自研自動化測試平臺相結(jié)合，實現(xiàn)了適用于ATS 軟件的持續(xù)交付系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效的提升開發(fā)、測試團隊之間的協(xié)作效率，提升代碼質(zhì)量，降低開發(fā)成本。在下一步的研究中，計劃將本持續(xù)交付系統(tǒng)與公司私有云結(jié)合，構(gòu)建“端到端” 交付流水線，貫穿從用戶需求到最終的版本發(fā)布，實現(xiàn)持續(xù)交付全流程的可視化管理，持續(xù)度量改進交付流程。