基于微服務(wù)架構(gòu)的智慧校園系統(tǒng)平臺建設(shè)研究

張廣鑫

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116035）

隨著信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展和變革，校園信息化建設(shè)經(jīng)歷了從網(wǎng)絡(luò)化校園到數(shù)字化校園再到智慧校園的演進(jìn),教育信息化正逐漸呈現(xiàn)出智能化、開放化、個性化和社交化等特征[1]。通過網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化校園建設(shè)，大部分學(xué)校已完成了學(xué)?；A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境鋪設(shè)和信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化制定，以及以管理和服務(wù)為驅(qū)動的業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建工作，消除了各信息系統(tǒng)之間無法關(guān)聯(lián)、相對孤立的“信息孤島”，打通了各業(yè)務(wù)部門之間數(shù)據(jù)的流通和共享，提升了學(xué)校信息化水平，為師生的辦公、教學(xué)和生活帶來了極大便利。

近幾年，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等信息技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，為國家教育事業(yè)現(xiàn)代化的建設(shè)提供了新動力，注入了新血液，“智慧校園”的概念由此應(yīng)運(yùn)而生。以智慧校園為載體的智慧課堂、智慧辦公、智能校園管理和大數(shù)據(jù)分析等智慧應(yīng)用，也如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。然而面對新環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用場景，在數(shù)字校園建設(shè)階段信息系統(tǒng)平臺所廣泛采用的單體架構(gòu)和SOA（面向服務(wù)）架構(gòu)已無法滿足系統(tǒng)快速更新迭代、海量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸存儲、人與物或物與物的互聯(lián)互通等復(fù)雜環(huán)境。微服務(wù)架構(gòu)具有擴(kuò)展性強(qiáng)、配置靈活、協(xié)議簡單、服務(wù)組件化和高內(nèi)聚低耦合等特點，應(yīng)用系統(tǒng)采用微服務(wù)設(shè)計，能夠更好地支持智慧校園系統(tǒng)平臺建設(shè)。

一、智慧校園

（一）智慧校園概述

智慧校園是指以校園信息化建設(shè)為契機(jī)，以校園基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)（包括有線網(wǎng)、無線網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)）為載體，利用云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)從教學(xué)場景、教學(xué)資源到應(yīng)用服務(wù)等校園信息和服務(wù)全部智能化、智慧化。它能夠促進(jìn)空間和時間的有機(jī)結(jié)合，使任何人、任何時間、任何地點都能方便快捷地獲取到有價值的資源和服務(wù)。智慧校園是數(shù)字校園的進(jìn)一步的發(fā)展和提升，是教育信息化的更高級形態(tài)[2]。

（二）智慧校園整體架構(gòu)

2018年6月，國家市場監(jiān)督管理總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合公布了《智慧校園總體框架》國家標(biāo)準(zhǔn)文件，文件中對什么是“智慧校園”進(jìn)行了定義和說明，對相關(guān)的術(shù)語約定、技術(shù)要求、總體架構(gòu)等進(jìn)行了解釋。它將智慧校園整體劃分為四層，分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、支撐平臺層、應(yīng)用平臺層和應(yīng)用終端。通過建立標(biāo)準(zhǔn)清晰的數(shù)據(jù)規(guī)范、技術(shù)規(guī)范，使各個層之間具有良好的數(shù)據(jù)通信、相互協(xié)作和互聯(lián)感知的能力。信息安全策略貫穿智慧校園建設(shè)體系的各個環(huán)節(jié)，在整個生命周期內(nèi)，保障通信安全、數(shù)據(jù)安全和身份安全等。智慧校園整體架構(gòu)圖如圖1所示。

基礎(chǔ)設(shè)施層是構(gòu)建智慧校園整體架構(gòu)的重要組成部分和業(yè)務(wù)基礎(chǔ)保障，能提供多種網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)架構(gòu)（如有線網(wǎng)、無線網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等）、大范圍布局的物與物感知和人與物感知設(shè)備、安全可靠的海量數(shù)據(jù)存儲、靈活分配的高性能計算資源等，為智慧校園的各類應(yīng)用服務(wù)提供基礎(chǔ)支持和業(yè)務(wù)支撐。它包括網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、物聯(lián)感知設(shè)備、存儲設(shè)備與服務(wù)器等。

圖1 智慧校園整體架構(gòu)圖

支撐平臺層與應(yīng)用平臺層兩者一同組成了智慧校園建設(shè)體系的核心層，是連接控制應(yīng)用終端與基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行溝通協(xié)作的“大腦”和“橋梁”，是校園信息化建設(shè)能夠體現(xiàn)“智慧”的靈魂的所在。支撐平臺層為智慧校園的各類應(yīng)用和程序提供服務(wù)和支撐，它包括統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能性的工具單元。應(yīng)用平臺層是智慧校園各類應(yīng)用程序的集合體，是智慧服務(wù)的具體展現(xiàn)。在支撐平臺層的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了智慧校園的管理、教學(xué)、生活和服務(wù)等應(yīng)用，為學(xué)校的管理者和師生提供全方位的智能服務(wù)。它包括智慧校園、智慧教室、智慧教學(xué)、智慧辦公、智慧生活等各類管理服務(wù)。

應(yīng)用終端層是智慧校園各類信息和應(yīng)用的訪問者與使用者，通過各種終端設(shè)備（如PC端、手機(jī)端等各類移動終端設(shè)備）和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)設(shè)備，不受時間和空間所限制，能夠隨時隨地訪問各類平臺資源和服務(wù)，它主要包括不同角色的用戶和接入訪問的設(shè)備等。

二、微服務(wù)

（一）微服務(wù)概述

微服務(wù)架構(gòu)最早是由國際著名面向?qū)ο箝_發(fā)專家、“敏捷開發(fā)”創(chuàng)始人之一的馬丁·福勒于2014年提出的一種全新軟件開發(fā)設(shè)計模式。微服務(wù)架構(gòu)本質(zhì)上是由一組可獨(dú)立交付業(yè)務(wù)單元構(gòu)成的分布式系統(tǒng)[3]，通過對業(yè)務(wù)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型系統(tǒng)進(jìn)行合理劃分，分解成一系列微小的獨(dú)立應(yīng)用服務(wù)。每一個微服務(wù)都是只與其具體負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)緊密聯(lián)系的單一功能體。在系統(tǒng)層面，每一個微服務(wù)都可以認(rèn)為是一個獨(dú)立的進(jìn)程，每個微服務(wù)僅關(guān)注于完成一件小任務(wù)[4]。它可以運(yùn)用不同類型的開發(fā)語言和工具來實現(xiàn)。每個微服務(wù)都可以通過輕量級的通信協(xié)議進(jìn)行相互溝通協(xié)作，具有容易擴(kuò)展變更、快速開發(fā)部署和結(jié)構(gòu)相對簡單等特點。

（二）微服務(wù)架構(gòu)

1．微服務(wù)架構(gòu)的演進(jìn)過程

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展浪潮，信息技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)經(jīng)歷了從單體架構(gòu)到面向服務(wù)架構(gòu)SOA（Service-Oriented Architecture），再到微服務(wù)架構(gòu)的演進(jìn)和迭代過程（如圖2所示）。

單體架構(gòu)是指把所有的功能模塊都放在一個獨(dú)立運(yùn)行的程序中，圖2中程序1和程序2都是單獨(dú)的個體，所有業(yè)務(wù)功能組件都耦合在自己的開發(fā)框架內(nèi)，沒有任何的交集。當(dāng)程序各自完成系統(tǒng)開發(fā)和發(fā)布后，只能配置和運(yùn)行在一個進(jìn)程中，程序1和程序2的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都是相對獨(dú)立，無法關(guān)聯(lián)，造成數(shù)據(jù)“孤島”的現(xiàn)象。

面向服務(wù)架構(gòu)SOA（Service-Oriented Architecture）[5]是一種粗粒度、松耦合的服務(wù)架構(gòu)，它將程序1和程序2的不同業(yè)務(wù)功能組件（在SOA架構(gòu)中通常稱其為服務(wù)）通過定義標(biāo)準(zhǔn)化的接口和良好的契約關(guān)聯(lián)起來。接口的定義是不站在任何一方的立場下完成，與其所依托的硬件環(huán)境、操作系統(tǒng)和開發(fā)語言等無關(guān)。SOA架構(gòu)比較主流的實現(xiàn)方式是ESB服務(wù)總線。在程序1和程序2的內(nèi)部或兩者之間的服務(wù)可以通過統(tǒng)一的規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和業(yè)務(wù)訪問，具有服務(wù)簡單、耦合度低、易于擴(kuò)展等優(yōu)點。但隨著程序數(shù)量的增多和訪問業(yè)務(wù)量的增大，SOA架構(gòu)存在的問題也突顯出來。各個服務(wù)都是依賴中心化的管理模式，中心端本身就是一個過重的服務(wù)，服務(wù)中心內(nèi)部的復(fù)雜性問題依然存在，當(dāng)服務(wù)中心產(chǎn)生變更時，會影響其管理的程序。

2．微服務(wù)架構(gòu)的核心組件及實現(xiàn)原理

微服務(wù)架構(gòu)也稱微服務(wù)[6]是將應(yīng)用程序設(shè)計成多個可以獨(dú)立開發(fā)、維護(hù)、配置和運(yùn)行的微小服務(wù)，各類微服務(wù)通過輕量級的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和協(xié)調(diào)調(diào)度，每個服務(wù)都比較簡單[7]，都能夠獨(dú)立完成某一項特定任務(wù)和功能。通過提供微服務(wù)框架，解決微服務(wù)的各類注冊、發(fā)現(xiàn)、服務(wù)、調(diào)度、容錯等各類通用性服務(wù)功能[8]。微服務(wù)架構(gòu)的核心組件及實現(xiàn)原理如圖3所示。

圖2 應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)演進(jìn)圖

圖3 微服務(wù)架構(gòu)的核心組件及實現(xiàn)原理圖

API網(wǎng)關(guān)是微服務(wù)架構(gòu)中用戶調(diào)用服務(wù)的統(tǒng)一入口，可以根據(jù)用戶終端類型的不同設(shè)置不同的訪問網(wǎng)關(guān)。當(dāng)用戶需要訪問服務(wù)時，API網(wǎng)關(guān)首先識別用戶的身份信息，根據(jù)角色訪問權(quán)限進(jìn)行調(diào)用控制和路由轉(zhuǎn)發(fā)，將用戶請求數(shù)據(jù)定向發(fā)送給服務(wù)端。當(dāng)服務(wù)端完成業(yè)務(wù)處理后，不僅可以將獨(dú)立的計算結(jié)果進(jìn)行輸出，還可以將不同服務(wù)產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行合并后再統(tǒng)一輸出。API網(wǎng)關(guān)還可以實現(xiàn)跨語言、跨平臺的元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)防篡改、協(xié)議轉(zhuǎn)換和流量計量計費(fèi)等功能。

注冊中心是微服務(wù)架構(gòu)的重要基礎(chǔ)組件之一。當(dāng)服務(wù)之間需要進(jìn)行協(xié)同合作完成用戶的請求時，需要通過注冊中心組件找到服務(wù)和服務(wù)地址之間的對應(yīng)映射關(guān)系目錄，然后調(diào)用相應(yīng)服務(wù)的實現(xiàn)類完成所需要操作。它主要包括“服務(wù)注冊”和“服務(wù)發(fā)現(xiàn)”兩個方面，負(fù)責(zé)服務(wù)的注冊和管理工作。服務(wù)在保持正常運(yùn)行時，需要進(jìn)行服務(wù)注冊。注冊中心會對所有注冊通過后的服務(wù)進(jìn)行管理，獲取服務(wù)的相關(guān)信息。服務(wù)發(fā)現(xiàn)是指當(dāng)用戶需要訪問某一服務(wù)時，通過識別服務(wù)名稱從注冊中心內(nèi)發(fā)現(xiàn)與服務(wù)實例相匹配的服務(wù)通信地址，從而保證服務(wù)對用戶請求的正常響應(yīng)。

負(fù)載均衡是微服務(wù)架構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，它可以對從用戶發(fā)起的訪問流量進(jìn)行管控，按照不同的均衡策略把流量合理地分配到具有相同服務(wù)內(nèi)容的不同系統(tǒng)上，使服務(wù)能夠分擔(dān)負(fù)載和保證業(yè)務(wù)訪問的穩(wěn)定性和高可用。負(fù)載均衡是處理高并發(fā)、緩解網(wǎng)絡(luò)壓力和進(jìn)行服務(wù)端擴(kuò)容的重要手段之一[9]。按照實現(xiàn)方式可以分為服務(wù)端負(fù)載均衡和客戶端負(fù)載均衡；按照均衡策略可以分為隨機(jī)分配、遍歷輪詢、地址哈希和權(quán)重響應(yīng)等。在實際生產(chǎn)環(huán)境中，可以根據(jù)實際的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、服務(wù)器性能、用戶數(shù)量和優(yōu)先級等綜合因素考慮，選擇合適的負(fù)載均衡部署方法和技術(shù)架構(gòu)。

服務(wù)容錯是微服務(wù)架構(gòu)的故障隔離和容錯處理機(jī)制。我們將龐大的業(yè)務(wù)系統(tǒng)拆分成若干個獨(dú)立運(yùn)行的微服務(wù)單元后，各個服務(wù)之間相互依賴，通過API網(wǎng)關(guān)調(diào)用執(zhí)行。當(dāng)用戶的并發(fā)訪問量過大時，會導(dǎo)致服務(wù)崩潰，與服務(wù)相互依賴的其他服務(wù)也會無法正常訪問，導(dǎo)致整個業(yè)務(wù)層面的癱瘓，出現(xiàn)雪崩效應(yīng)。為了防止業(yè)務(wù)系統(tǒng)出現(xiàn)雪崩效應(yīng)的情況，微服務(wù)架構(gòu)引入了服務(wù)容錯機(jī)制，它包括流量限制、線程隔離和熔斷降級等容錯手段。

配置中心是微服務(wù)架構(gòu)用于所有關(guān)聯(lián)服務(wù)配置的集中管理。在實際生產(chǎn)場景中，每個微服務(wù)都可能包含多個不同類型的配置項，如屬性配置、驅(qū)動配置、環(huán)境變量配置、業(yè)務(wù)依賴配置、系統(tǒng)參數(shù)配置等。配置項中的參數(shù)紛繁復(fù)雜，當(dāng)某一參數(shù)需要修改時，往往需要停止服務(wù)，對配置修改完成后要對程序重新打包發(fā)布，增加運(yùn)維人員工作量，造成管理混亂，容易出錯等。通過配置中心組件，可以把各個服務(wù)中的各種配置，各類參數(shù)等全部統(tǒng)一集中到一個地方進(jìn)行管理，建立完善標(biāo)準(zhǔn)的接口對外提供支持。當(dāng)某一服務(wù)需要修改配置時，首先來配置中心獲取服務(wù)本身的配置信息，修改完成后將更新后的配置推送到配置中心，與配置中心關(guān)聯(lián)的其他服務(wù)可以動態(tài)獲取最新的配置信息，確保數(shù)據(jù)的一致性。

消息總線是在微服務(wù)架構(gòu)中各個服務(wù)實例之間進(jìn)行消息推送和接收的管控中心。服務(wù)之間要想實現(xiàn)消息通信，首先服務(wù)要在消息總線上建立獨(dú)立的通信隧道，服務(wù)生產(chǎn)者推送一條消息到消息總線上，服務(wù)消費(fèi)者在訂閱服務(wù)生產(chǎn)者的情況下，可以通過消息總線接收到信息。消息總線在兩者之間充當(dāng)一個“中間人”的角色，實現(xiàn)了服務(wù)之間的解耦和服務(wù)性能的提升等。

三、基于微服務(wù)架構(gòu)的智慧校園系統(tǒng)平臺構(gòu)建

目前，高校信息化建設(shè)正處于從“數(shù)字校園”向“智慧校園”發(fā)展的轉(zhuǎn)型期。對于信息化建設(shè)來說，基礎(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)和業(yè)務(wù)支撐平臺的建設(shè)可以統(tǒng)稱為系統(tǒng)平臺建設(shè)。系統(tǒng)平臺建設(shè)是智慧校園建設(shè)的重要組成部分?；谖⒎?wù)架構(gòu)構(gòu)建布局合理、設(shè)計靈活和易于擴(kuò)展的系統(tǒng)平臺，能夠為智慧校園整體穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。微服務(wù)架構(gòu)下的系統(tǒng)平臺建設(shè)主要包含兩個方面：一是以微服務(wù)架構(gòu)的體系標(biāo)準(zhǔn)為依托，對學(xué)?，F(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行升級改造；二是對于未來要建立的系統(tǒng)，嚴(yán)格按照面向微服務(wù)的設(shè)計模式進(jìn)行頂層設(shè)計，統(tǒng)籌安排，合理規(guī)劃。

以大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息化建設(shè)為例，學(xué)校在數(shù)字校園建設(shè)階段，現(xiàn)已完成了人事系統(tǒng)、OA辦公系統(tǒng)、學(xué)生系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺等系統(tǒng)平臺的建設(shè)。業(yè)務(wù)系統(tǒng)相對獨(dú)立，系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)交換平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享流通，但業(yè)務(wù)功能模塊無法相互調(diào)用。通過對各系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析得出，系統(tǒng)除了有跟自身業(yè)務(wù)相關(guān)性比較高的功能模塊外，還有如身份認(rèn)證、權(quán)限分配、安全監(jiān)控和報表統(tǒng)計等具備相同業(yè)務(wù)邏輯需求處理的組件。充分分析原系統(tǒng)建設(shè)背景后，為了降低系統(tǒng)拆分重構(gòu)的復(fù)雜度，做到風(fēng)險可控。對原系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能模塊的整體作為一個微服務(wù)進(jìn)行管理，將具有相同業(yè)務(wù)邏輯的功能模塊進(jìn)行獨(dú)立拆分提供服務(wù)（如圖4所示）。

對于人事系統(tǒng)、OA系統(tǒng)、學(xué)生系統(tǒng)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺等主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)，面向業(yè)務(wù)層面，按照功能特點進(jìn)行服務(wù)拆分，各服務(wù)之間要實現(xiàn)解耦，保障服務(wù)的健壯性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)拆分后可劃分為身份認(rèn)證服務(wù)、權(quán)限分配服務(wù)、報表統(tǒng)計服務(wù)、安全監(jiān)控服務(wù)和與原系統(tǒng)業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)程度高的人事服務(wù)、OA服務(wù)等。教職員工和學(xué)生可以通過服務(wù)平臺對需要的服務(wù)進(jìn)行訪問，各服務(wù)之間通過微服務(wù)架構(gòu)的相關(guān)組件進(jìn)行溝通協(xié)作。對于新建或擬建系統(tǒng)，在業(yè)務(wù)需求分析階段，不再以構(gòu)建大而全的業(yè)務(wù)系統(tǒng)為目的，而是采用遵循微服務(wù)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，明確服務(wù)的邊界和范圍，以服務(wù)為驅(qū)動來進(jìn)行業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，與其他身份認(rèn)證服務(wù)、權(quán)限分配服務(wù)等微服務(wù)相互調(diào)用協(xié)作，為智慧校園的學(xué)校、老師和學(xué)生等最終用戶提供業(yè)務(wù)支持。

圖4 智慧校園系統(tǒng)平臺

四、結(jié)論

基于微服務(wù)架構(gòu)構(gòu)建的智慧校園應(yīng)用服務(wù)，具有完善的信息交互接口、靈活的策略配置和容錯的運(yùn)行機(jī)制，與業(yè)務(wù)開發(fā)所使用的開發(fā)語言、運(yùn)行環(huán)境和中間件等條件無關(guān)。微服務(wù)架構(gòu)是技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，它能夠解決傳統(tǒng)的單體式架構(gòu)軟件系統(tǒng)面臨的更新迭代慢、影響程度深等復(fù)雜問題[10]。每個服務(wù)都有明確的功能目標(biāo)，業(yè)務(wù)邊界明確清晰，采用輕量級通信協(xié)議實現(xiàn)服務(wù)的請求響應(yīng)交互，服務(wù)內(nèi)部邏輯聯(lián)系緊密，外部耦合度低。微服務(wù)架構(gòu)作為系統(tǒng)設(shè)計方法的出現(xiàn)，為智慧校園系統(tǒng)平臺的設(shè)計建設(shè)提供了優(yōu)秀的解決方案，提升了系統(tǒng)構(gòu)建的靈活性和開發(fā)效率，降低了系統(tǒng)軟件的開發(fā)成本。