IT 系統(tǒng)全棧式自主可控發(fā)展研究

［孫淳曄 龐亞南 李紅雙］

1 前言

近年來棱鏡門、貿(mào)易戰(zhàn)、芯片斷供等一樁樁“卡脖子”事件，無一不對我國的經(jīng)濟與技術(shù)發(fā)展提出嚴(yán)峻考驗，科技競爭不進則退，實現(xiàn)“國產(chǎn)化替代”及“核心技術(shù)自主可控”已上升為一項迫在眉睫的任務(wù)。

實現(xiàn)自主可控是科技發(fā)展到一定程度的必然階段，是保障國家信息安全的基礎(chǔ)，更是科技自立自強的核心基座。實現(xiàn)自主可控需要實現(xiàn)自己的技術(shù)體系、標(biāo)準(zhǔn)及生態(tài)。技術(shù)軌道的分叉會對我國的信息產(chǎn)業(yè)帶來巨大的挑戰(zhàn)，但同時也給我國的科技發(fā)展帶來了彎道超車的機會[1]，因此新形勢下有必要進行信息產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新，搶占技術(shù)優(yōu)先權(quán)。

2 自主可控體系研究

自主可控體系是端到端的系統(tǒng)工程，自主可控一定是實現(xiàn)國產(chǎn)化替代的,但國產(chǎn)替代并不一定上升到自主可控的級別。從產(chǎn)品鏈架構(gòu)分層看主要由基礎(chǔ)硬件、基礎(chǔ)軟件、平臺服務(wù)、應(yīng)用軟件、信息安全幾部分組成，覆蓋上、中、下游全部環(huán)節(jié)，其中芯片、操作系統(tǒng)、中間件、數(shù)據(jù)庫在整個自主可控體系中起著至關(guān)重要的作用。

（1）芯片

我國CPU 芯片市場規(guī)模及潛力巨大，巨大的需求催生了國內(nèi)IT 廠商堅持不懈的自主創(chuàng)新，涌現(xiàn)出一批領(lǐng)軍企業(yè)。國產(chǎn)CPU 產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，國內(nèi)CPU 芯片分類詳見表1 所示。

表1 CPU 架構(gòu)分類

復(fù)雜指令集（CISC）：以X86 架構(gòu)為主，代表廠商包括海光、兆芯；

精簡指令集（RISC）：涉及ARM 架構(gòu)、Alpha 架構(gòu)、LoongArch 架構(gòu)等，代表廠商包括鯤鵬、飛騰、申威、龍芯等。

CPU 自主可控的核心是CPU 廠家是否可以完全掌握整個芯片設(shè)計的所有環(huán)節(jié)，包括架構(gòu)設(shè)計、模塊設(shè)計、編碼、測試、仿真、布局布線、時鐘和電源的優(yōu)化、封裝測試設(shè)計等等前后端環(huán)節(jié)。目前各CPU 廠家在芯片自主可控深入程度上存在差距。

在GPU 領(lǐng)域，國產(chǎn)GPU 發(fā)展較國際CPU 落后較大，究其原因是因為GPU 自身依賴于CPU 的屬性，因為GPU結(jié)構(gòu)沒有控制器，必須由CPU 進行控制調(diào)用才能工作，此外GPU 開發(fā)難度很大。

（2）操作系統(tǒng)

缺芯少魂”一直是中國信息科技產(chǎn)業(yè)的傷痛，其中“魂”指的就是操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)作為連接硬件與數(shù)據(jù)庫、中間件的紐帶，是重要的基礎(chǔ)平臺軟件。運營商的操作系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)主要基于服務(wù)器側(cè)，隨著大量業(yè)務(wù)上云，現(xiàn)階段Linux 是主要方向。關(guān)于Linux 其發(fā)行版本大體分兩類：一類是商業(yè)公司維護的發(fā)行版本，以著名的Redhat、Suse為代表；另一類是社區(qū)組織維護的發(fā)行版本，以centOS為代表?；诓煌姹?，國產(chǎn)操作系統(tǒng)又分成不同的技術(shù)流派。操作系統(tǒng)整體分類如圖1 所示。

圖1 操作系統(tǒng)分類

圖2 全棧式自主可控架構(gòu)替換目標(biāo)

目前國內(nèi)自研的操作系統(tǒng)主要是基于Linux 二次開發(fā)的操作系統(tǒng)，擁有獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)?，F(xiàn)階段業(yè)界主要有中國移動BC-Linux、阿里云-龍蜥、華為云服務(wù)器側(cè)歐拉、華為終端側(cè)鴻蒙、中興通訊新支點、騰訊公司遨馳云原生操作系統(tǒng)等代表產(chǎn)品。

國產(chǎn)化操作系統(tǒng)能夠解決非國產(chǎn)操作系統(tǒng)帶來的一系列安全性問題，如過度依賴原廠家升級維護漏洞、代碼升級不可控、存在后門泄露可能性等問題，但不可避免會導(dǎo)致需要較高的研發(fā)費用及維護成本。

（3）數(shù)據(jù)庫

現(xiàn)階段海外巨頭仍然占據(jù)國內(nèi)市場最大市場份額，但隨著云趨勢和國產(chǎn)化進程推進，國內(nèi)廠商的生存成長空間逐步擴大。國內(nèi)市場的主要參與者為 Oracle、Microsoft、AWS 等海外巨頭，阿里云、騰訊云等國內(nèi)公有云廠商，華為、中興通訊等設(shè)備商，武漢達夢、人大金倉、南大通用、神州信息傳統(tǒng)四大數(shù)據(jù)庫廠商以及巨杉大數(shù)據(jù)、易鯨捷等新興數(shù)據(jù)庫廠商。其中云廠商和設(shè)備商產(chǎn)品線完整，工具生態(tài)較為豐富，新興數(shù)據(jù)庫公司則聚焦于細分領(lǐng)域產(chǎn)品。

國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品主要是以世界主流的開源數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，進行進一步研發(fā)包裝，也有少部分產(chǎn)品擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。

（4）中間件

中間件、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)并列為基礎(chǔ)三軟件，主要用于解決分布式環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸與訪問、應(yīng)用調(diào)度、系統(tǒng)構(gòu)建和系統(tǒng)集成、流程管理等問題，是分布式環(huán)境下支撐應(yīng)用開發(fā)、運行和集成的平臺。

中間件的行業(yè)應(yīng)用主體主要為電信、金融及政府行業(yè)，中小企業(yè)有待開拓。近年來隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的發(fā)展，傳統(tǒng)中間件已不能滿足“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代需求，為自主可控中間件廠商推進產(chǎn)品研發(fā)和開拓產(chǎn)品市場帶來了新的機遇[3]。

運營商作為信息通信建設(shè)領(lǐng)域國之重器，具備海量的IT 系統(tǒng)資源，應(yīng)充分履行國企擔(dān)當(dāng)，積極進行IT 系統(tǒng)的國產(chǎn)化替換部署研究，推動自主可控落地。

3 運營商自主可控方案

運營商IT 系統(tǒng)存量資源以非國產(chǎn)為主，現(xiàn)階段已經(jīng)進行了大量的自主可控替換的研究并付諸實踐，當(dāng)前首要打造經(jīng)驗案例，通過技術(shù)發(fā)展驅(qū)動IT 支撐系統(tǒng)為業(yè)務(wù)提供創(chuàng)新價值，向“數(shù)智化”支撐的方向演進，達到一點復(fù)制、全網(wǎng)推廣目的。

3.1 總體方案

要實現(xiàn)全棧式自主可控，需要從應(yīng)用、瀏覽器、中間件、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、服務(wù)器、存儲等組件實現(xiàn)全面的國產(chǎn)化替換，全面提升核心系統(tǒng)的自主可控能力。

3.2 IaaS 層方案

（1）服務(wù)器

自主可控服務(wù)器包括國產(chǎn)化ARM 和X86 架構(gòu)的服務(wù)器，從配置與應(yīng)用范圍方面包括兩路CPU 服務(wù)器、四路CPU 服務(wù)器、AI 推理型服務(wù)器、AI 訓(xùn)練型服務(wù)器等。

早在運營商2020 年的PC 服務(wù)器集采模型中，就已實現(xiàn)了國產(chǎn)化服務(wù)器的引入，且體量比例呈逐年上升趨勢，以中國移動2022 年集采為例，服務(wù)器集采按照場景劃分三大類：計算型C、均衡型以B 及存儲S 型，在CPU 層面全系均包括I、A、K、H 四個系列，I 系列是指CPU 類型為采用第二代Intel 至強可擴展處理器Gold 系列或者Silver 的系列芯片；A 系列是指CPU 類型為第二代AMD系列處理器；K 系列為KunPeng 國產(chǎn)ARM 處理器；H 系列為Hygon 國產(chǎn)系列處理器。

在運營商的各類云資源池建設(shè)中，中國移動IT 云、移動云、網(wǎng)絡(luò)云等大型云資源池均已實現(xiàn)了國產(chǎn)化服務(wù)器引入，中國聯(lián)通IT 云天宮平臺、沃云以及中國電信天翼云也在逐年提升國產(chǎn)化產(chǎn)品比例。

在GPU 領(lǐng)域，由于其在圖像、視頻、AR/VR 等領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢，中國移動已經(jīng)開展了推理性及訓(xùn)練型兩類GPU 服務(wù)器的集采，但整體而言，國產(chǎn)GPU 處于起步階段，規(guī)模較小，國產(chǎn)化的如華為、寒武紀(jì)、燧原、昆侖芯等距離英偉達性能還存在差距，后續(xù)運營商還應(yīng)使能更多應(yīng)用場景落地，持續(xù)推動AI 技術(shù)應(yīng)用和平臺建設(shè)。

（2）存儲

自主可控存儲設(shè)備包括新型全閃存存儲、分布式塊、分布式文件、自主可控備份一體機等。新增的業(yè)務(wù)中心、前端應(yīng)用、后端服務(wù)等軟件應(yīng)部署在自主可控存儲設(shè)備之上。

對于存儲要提升存儲產(chǎn)品異構(gòu)兼容能力。對于塊存儲：提升塊存儲產(chǎn)品異構(gòu)平臺兼容能力，完成鯤鵬、海光、飛騰等國產(chǎn)芯片兼容性適配；提升云硬盤性能、提升功能豐富度、提高負(fù)載均衡能力，規(guī)劃百萬IOPS 云盤，實現(xiàn)跨集群熱遷移，提供同城容災(zāi)能力；對象存儲需要適配鯤鵬、海光等國產(chǎn)化CPU 服務(wù)器；文件存儲要逐步跟進國產(chǎn)化硬件的兼容適配，針對性能瓶頸不斷做出優(yōu)化調(diào)整，在加密，糾刪碼計算等領(lǐng)域做出定制性優(yōu)化，性能指標(biāo)以及成本指標(biāo)進一步提升。

（3）網(wǎng)絡(luò)

自主可控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括國產(chǎn)路由器、交換機、防火墻、負(fù)載均衡器等設(shè)備。目前全球網(wǎng)絡(luò)交換芯片的吞吐率已能達到25.6 Tb/s，下一代將會是51.2 Tb/s。國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)交換芯片的發(fā)展要想追上國際水平，不能在傳統(tǒng)架構(gòu)上修修補補，而是要采用新的架構(gòu)、新的技術(shù)、新的標(biāo)準(zhǔn)以及先進制程工藝。通過創(chuàng)業(yè)公司的形式，掌握高端架構(gòu)和核心技術(shù)，并同國內(nèi)成長起來的從業(yè)10 年-15 年的工程師配合，從而開拓高端芯片的國產(chǎn)化之路。

對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、分布式存儲設(shè)備要盡量實現(xiàn)100%國產(chǎn)化替換，逐漸提升盤陣、光纖交換機、操作系統(tǒng)、備份軟件等自主可控產(chǎn)品規(guī)模比例，搭建IaaS 服務(wù)基礎(chǔ)平臺，構(gòu)建自主可控的全棧云體系。

3.3 PaaS 層方案

（1）操作系統(tǒng)

對于操作系統(tǒng)，雖然國內(nèi)廠商研發(fā)的國產(chǎn)操作系統(tǒng)也在運營商一些領(lǐng)域得到規(guī)模應(yīng)用，但是這些不同領(lǐng)域的眾多操作系統(tǒng)之間相互割裂，形成一個個“軟煙囪”，導(dǎo)致操作系統(tǒng)之間的生態(tài)沒法打通，不同的場景難以協(xié)同。運營商急需要標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、平臺化的操作系統(tǒng)。當(dāng)前，國產(chǎn)操作系統(tǒng)大多基于國外上游開源社區(qū)做二次開發(fā)，大量的軟件開發(fā)人員都是在國外的開源社區(qū)做貢獻，迫切需要構(gòu)建根植于中國的開源社區(qū)，培養(yǎng)良好的土壤和與環(huán)境。

對于操作系統(tǒng)的替換應(yīng)在確保業(yè)務(wù)穩(wěn)定和系統(tǒng)安全的前提下，對服務(wù)器操作系統(tǒng)自主可控遷移工作進行充分的技術(shù)研究、方案論證和試點測試，規(guī)避技術(shù)和管理風(fēng)險，分級分類，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)軟件版本、業(yè)務(wù)發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)運行等實際情況，“控增量、遷存量”，積極穩(wěn)妥推進操作系統(tǒng)自主可控遷移工作，做到“能替盡替、真替真用”。以中國移動為例，要求對CentOS、RedHat 及衍生操作系統(tǒng)進行有序遷移替換，大量資源池實現(xiàn)了BC-Linux 的替換。

（2）數(shù)據(jù)庫

根據(jù)具體應(yīng)用場景，數(shù)據(jù)庫主要分為OLTP 和OLAP兩大類，其中常用OLTP 數(shù)據(jù)庫從部署/使用方式維度又細分為分布式、主備式數(shù)據(jù)庫兩大類。新建OLTP/OLAP數(shù)據(jù)庫需全部使用自主可控數(shù)據(jù)庫，并可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫演進替換安排進行更新。

存量數(shù)據(jù)庫第一階段優(yōu)先完成核心業(yè)務(wù)能力相關(guān)數(shù)據(jù)庫的改造，第二階段完成與客戶感知密切相關(guān)的數(shù)據(jù)庫改造工作。數(shù)據(jù)庫從優(yōu)先核心系統(tǒng)替換、嚴(yán)控商用數(shù)據(jù)庫替換、適配應(yīng)用集成技術(shù)特點等幾個方面明確選型原則，選型詳見表2 所示。

表2 國產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫選型分類

現(xiàn)階段面臨的問題是異構(gòu)數(shù)據(jù)庫將在一段時間內(nèi)并行存在，替換改造過程中需要從多個技術(shù)方向進行技術(shù)研發(fā)和技術(shù)更新，主要包括并發(fā)控制及緩存技術(shù)、讀寫分離、行列融合技術(shù)、自主可控生態(tài)兼容適配、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化及開發(fā)技術(shù)兼容性、統(tǒng)一集中的數(shù)據(jù)庫運維、安全保障等方面[4]。

對于數(shù)據(jù)庫自主生態(tài)建設(shè)，需要與業(yè)界一道構(gòu)建符合我國應(yīng)用需求及廠商優(yōu)勢的評測基準(zhǔn)，規(guī)范產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，積極探索云原生數(shù)據(jù)庫、AI 數(shù)據(jù)庫的落地應(yīng)用，同時需數(shù)據(jù)庫廠商、用戶、研發(fā)機構(gòu)、工程技術(shù)人員各方協(xié)力，從核心技術(shù)研發(fā)、到文檔建設(shè)乃至社區(qū)文化建設(shè)多個層面長期投入，打造國內(nèi)圍繞數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的社區(qū)。

運營商在國產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫引入方面進度顯著，如浙江移動聯(lián)合華為Gauss DB 聯(lián)合創(chuàng)新項目、中國移動總部集中經(jīng)分系統(tǒng)采用南大通用數(shù)據(jù)庫；中國聯(lián)通全國集中結(jié)算系統(tǒng)引入了神州通用數(shù)據(jù)庫；山東電信綜合網(wǎng)管使用了人大金倉數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品；河北移動訂單庫引入了中興Golden DB。

（3）中間件

中間件服務(wù)和通用組件主要包括應(yīng)用中間件、消息中間件、數(shù)據(jù)緩存軟件、反向代理軟件、調(diào)度協(xié)同、日志服務(wù)、監(jiān)控維護、容器調(diào)度平臺、微服務(wù)框架、開發(fā)框架、CICD 工具鏈等軟件。

運營商對于中間件領(lǐng)域起步要求較高，現(xiàn)在更多的需求是“互聯(lián)網(wǎng)+”的非傳統(tǒng)中間件，需要引入成熟的如東方通、寶蘭德國產(chǎn)化中間件進行部署適配，詳見表3 所示的中間件選型分類，推進國產(chǎn)化進度。

表3 中間件選型分類

3.4 SaaS 層方案

（1）瀏覽器

瀏覽器承載著龐大的信息系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng),屬于常規(guī)性的、重要的客戶端軟件，瀏覽器最核心的部分叫做內(nèi)核，負(fù)責(zé)對網(wǎng)頁語法的解釋和渲染網(wǎng)頁，目前國內(nèi)瀏覽器仍以IE 瀏覽器內(nèi)核Trident、谷歌Chrome 瀏覽器內(nèi)核Blink 和Chromium、蘋果Safari 內(nèi)核Webkit、火狐瀏覽器內(nèi)核Gecko 為基礎(chǔ)進行開發(fā)，后續(xù)應(yīng)加強自主內(nèi)核的研發(fā)。

（2）應(yīng)用

應(yīng)用的改造主要在于應(yīng)用連接新的國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，適配國產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫驅(qū)動、語法、數(shù)據(jù)對象等與非國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫差異的內(nèi)容，涉及數(shù)據(jù)庫對象的適配改造等內(nèi)容。

同時需要加強自研產(chǎn)品落地，推進應(yīng)用的容器化部署，基于云原生架構(gòu)支撐資源彈性部署、應(yīng)用的快速部署及運維簡化，逐漸引導(dǎo)應(yīng)用全面適配國產(chǎn)化環(huán)境，完成應(yīng)用軟件與IaaS、PaaS 平臺的適配。

3.5 生態(tài)建設(shè)

要保證技術(shù)產(chǎn)品的持續(xù)演進發(fā)展，最終還是要回歸市場支持。而市場支持則需要龐大的生態(tài)體系。發(fā)展自主可控，生態(tài)建設(shè)是關(guān)鍵，無論在硬件、軟件還是生態(tài)體系依然需要大量的時間去建設(shè)和完善。

協(xié)力構(gòu)建自主生態(tài)體系已經(jīng)成為各界共識，各方應(yīng)秉持硬件開放、軟件開源、使能合作伙伴的理念在橫向和縱向生態(tài)上全面發(fā)展，積極建設(shè)自主系統(tǒng)，培育具有一定獨立性、內(nèi)閉性和技術(shù)壁壘的自主生態(tài)，保障其可控運行。對于非開源，積極聯(lián)合開發(fā)商等合作伙伴，對于開源項目則需要維護好開發(fā)者社區(qū)。

對于發(fā)展自主可控，一方面需要龐大的生態(tài)體系進行支撐，依靠類似于舉國體制的自主研發(fā)模式進行單點突破，推動整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)來不斷修正、反哺新興信息產(chǎn)業(yè)。一方面又要引進消化吸收，達到技術(shù)快速應(yīng)用。同時避免全面撒網(wǎng)，不加甄別全面覆蓋，以免無法聚焦重點領(lǐng)域[5]。

4 結(jié)語

電信運營商作為信息化建設(shè)的排頭兵，IT 系統(tǒng)體量巨大且干系重大，實現(xiàn)自主可控是最終目的，這是一個持續(xù)迭代優(yōu)化的過程，同時需要自底至上全棧的協(xié)同，期間需要持續(xù)業(yè)務(wù)流程優(yōu)化，持續(xù)進行技術(shù)驗證，持續(xù)夯實以自主可控為核心的IT 體系，在當(dāng)今的時代大局下，未來仍任重道遠。