汽车行业工业APP云平台设计架构分析

侯庆坤 董长青 欧培培 赵甲 薄冉

摘 要：随着工业互联网技术的蓬勃发展，工业APP云平台成为国内外企业争相研究的热点领域。但目前在汽车行业，国内还缺少一个统一的工业APP云平台进行资源的整合和管理。同时大量工程经验知识缺乏数字化的继承，制约了汽车行业更好更快地发展。对汽车行业工业APP云平台设计架构进行分析，设计了云平台的整体功能架构，简要介绍了平台各层级的功能实现以及平台架构特点，对云平台构建过程中的OpenStack设计架构和微服务架构进行分析，为云平台的实现提供了重要技术手段。汽车行业工业APP云平台建设对汽车行业数字化改革具有重要参考意义。

关键词：汽车行业工业APP云平台;Openstack设计架构;微服务架构

中图分类号：U462.1  文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2020）04-99-05

Analysis of the design framework of APP cloud platform for automotive industry

Hou Qingkun¹， Dong Changqing²， Ou Peipei¹， Zhao Jia¹， Bo Ran¹

（ 1.China Automotive Data （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300380; 2.Tianjin University， Tianjin 300072 ）

Abstract： With the vigorous development of industrial Internet technology， the industrial APP cloud platform has become a hot area for domestic and foreign companies to compete for research. But in the automotive industry， there is still a lack of a unified industrial APP cloud platform for resource integration and management in China. At the same time， the lack of digital inheritance of a large amount of engineering experience and knowledge has restricted the automotive industry to develop better and faster. Analyze the design framework of the industrial APP cloud platform in the automotive industry， design the overall functional architecture of the cloud platform， briefly introduce the functional implementation of each level of the platform， and the characteristics of the platform architecture. Analysis provides an important technical means for the realization of the cloud platform. The construction of the APP cloud platform for the automotive industry has important reference significance for the digital reform of the automotive industry.

Keywords： Automotive industry industrial APP cloud platform; Openstack design architecture; Microservice architecture

CLC NO.： U462.1  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）04-99-05

引言

工業APP是指基于工业互联网，承载工程知识经验，面向特定工业场景的工业软件。最近几年伴随着工业互联网技术的蓬勃发展，政府相关部门也推出了一系列的政策对工业APP进行推广，并提出了“培育百万工业APP”的目标^[1]。国内外企业已早早在此领域进行布局，建立了一系列技术先进的工业互联网平台。GE于2013年推出了Predix平台，开创了借助工业互联网进行工业APP开发的先河^[2]。海尔的Cosmoplat云平台以用户实际需求为驱动，打造具有自主知识产权的工业APP定制平台^[3]。此外，还有西门子、航天云网、浪潮等一批企业对工业互联网平台的建设和工业APP的培育进行了研究^[4]。但作为现代工业中的明珠-汽车行业，目前还没有建立一个统一的工业互联网平台来支撑汽车行业工业APP的培育和管理。汽车行业常年的工程实践中积累了大量的知识和经验，缺乏数字化的方法对这些知识经验进行继承。汽车行业工业APP从数量到质量都不能满足汽车行业数字化发展的需要。在此基础上，本文提出了对面向汽车行业的工业APP云平台设计架构进行研究，给出了平台功能架构和关键技术架构，期望以此筑建汽车行业工业APP的孵化平台和管理平台，为汽车行业工业技术软件化提供助力。

1 汽车行业工业APP云平台架构

1.1 云平台功能架构

汽车行业工业APP云平台立足于工业互联网技术和汽车行业特色，按照功能和业务分层原则，可分为数据采集层、软硬件网络环境、云服务基础层、工业PaaS层、工业APP层。汽车行业工业APP云平台的整体功能架构如图1所示。

平台各层级之间采用标准体系接口，实现信息交互和数据流通，以统一的安全体系构建系统软硬件和信息安全防护。最底层的数据采集层面向企业研发生产过程，打通了云平台与生产过程的信息链。软硬件网络环境层和云服务基础层在硬件设备基础之上通过虚拟化技术搭建起云服务基础，并提供云服务管理规则。工业PaaS层以通用PaaS平台和行业组件库构筑起应用服务部署基础，提供面向服务层的微服务组件工具和应用开发环境。分层的云平台架构设计便于系统功能的模块化搭建和模块化管理。各层级按照功能进行解耦，避免了开发和部署过程中的互扰，由统一体系进行连接，保证平台功能的完备性。通过整合各层的资源，向外输出云资源服务、工业PaaS服务和工业APP服务。

1.2 平台各层级功能

平台各层级的主要功能如下：

（1）数据采集层通过预留的API接口，对车企的生产数据和研发仿真模型信息进行获取，以TCP/IP报文形式上传至信息汇总接口，完成信息的采集、存储、分析，辅助企业对过程数据进行深加工，提取高价值信息，优化生产流程。数据采集层的基本架构如下所示：

（2）软硬件网络环境以OpenStack为核心进行构建，为平台提供了硬件基础设施和虚拟化资源。以大容量、高性能的服务器、存储设备、安全设备作为起云平台运行的硬件基础，实现大数据云计算的安全、稳定运行。OpenStack实现了云系统在硬件设备上的部署，搭建了软件系统和硬件系统之间的桥梁。借助虚拟机QoS来保证系统资源的合理化分配，避免资源的抢占和浪费;内部网络通过VPN实现信息交互;分布式路由（DVR）技术解决了跨子网的虚拟机通讯;大页内存技术完成了裸机和虚拟机之间的调度和管理。软硬件网络环境的基本框架如下所示：

（3）云服务基础层与软硬件网络环境共同构成了云平台的IaaS层。该层主要负责云平台的运营管理，包括用户管理、权限管理、日志管理、流程管理等，确保平台运行和云服务规范化、科学化。

（4）工业PaaS层主要由通用PaaS平台和汽车行业工业组件库两部分组成，二者有机结合共同为工业APP提供开发和运行环境。通用PaaS平台以中间件为媒介，通过DevOps服务设计，构建平台开放特性，加速平台一体化开发进度。在通用PaaS平台上将汽车行业工业组件库进行加载部署，建立汽车行业工业APP应用开发环境，以微服务组件形式集成到云平台。同时依托容器技术和微服务组件，提供SaaS层应用服务的分布式运行环境。工业PaaS层基本功能架构如图4所示。

（5）工业APP层是平台的主要功能层，也是面向行业输出服务的窗口。该层向下与工业PaaS层进行对接，完成云环境的调用和云数据的传递，向上通过部署其中的行业APP资源和API数据接口对客户输出行业智力资源，用户通过访问云平台实现对APP和行业数据的调用。在工业APP的部署上，采用基于微服务架构的云平台分布式处理技术，提高系统的集成能力和数据处理能力。工业APP层通过广域网络进行资源传输，只需客户端浏览器登陆平台账号，即可享用平台资源，减少本地资源配置。

1.3 平台架构特点

平台的设计架构覆盖了底层硬件、数据采集到面向汽车行业用户的资源输出，具备资源虚拟化、高扩展性、高可靠性、高经济型、弹性云计算等特点，实现了软硬件的高效结合、资源利用的最大化。

（1）资源虚拟化

将硬件基础资源虚拟化，构建云平台软件系统的运行环境，保证硬件系统和软件系统有机结合;将服务资源虚拟化，支持用户在任何地点和环境下享受云计算服务，并能够使用多种终端设备获取数据应用服务。

（2）高扩展性

在不影响用户使用云计算的前提下，及时实现平台的扩展增容。这种动态扩展可自下而上，分层完成，以统一架构方式和标准实现动态融合，满足用户平台使用需求。

（3）高可靠性

以多级哈希值计算实现分布式存储数据，满足大數据系统在分布式存储过程中的动态扩展和高效定位需求。

独立的备份和容灾模块增强数据安全冗余，多租户隔离机制避免了信息互扰和窃失，为云平台提供高可靠性的云计算服务能力。

（4）弹性云计算

实时监控资源使用，基于业务情况，采用自动负载均衡，弹性调控资源用量，缓解高峰资源并发运行的紧张态势，低峰时段缩减容量，提高资源利用率。

2 OpenStack设计架构分析

汽车行业工业APP云平台的高效、稳定、安全运行依赖于有效运维管理和科学资源调用。OpenStack为平台提供了整体运维管理的引擎，实现了多级数据统一管理。

2.1 OpenStack功能架构

OpenStack的主要目的是实现硬件资源的虚拟化，承担云平台虚拟资源使用功能^[5～7]。在平台各基础硬件设备上建立虚拟层，作为上层操作系统的运行环境，对各类数据信息进行运维管理。同时该虚拟层将各种硬件设备整合为一个统一整体，共同协作，通过操作软件来管理资源输出。虚拟层使硬件设备和软件系统实现分离，可由多个操作系统或应用程序共同使用硬件资源，建立多个互不干扰虚拟机来运行操作系统。虚拟化技术将硬件资源抽象化，打造灵活调用、轻便管理的资源池，实现平台硬件基础的高效集合、实时迁移。

OpenStack由多个具备HA能力的控制组件共同组成，各控制节点启用Neutron的L3功能。其基本功能架构如图所示：

上圖中可以看出OpenStack的基本功能分为四大部分，基础服务（数据库和消息队列）、计算、存储、网络，统一由控制台进行控制，同时设置API接口，用于内外信息交互。

2.2 OpenStack的节点组成

一个完整的OpenStack项目由四大集群组成：控制节点集群，计算节点集群，存储节点集群以及网络节点集群。

（1）控制节点集群

管理基础服务，对数据库服务和消息队列服务进行管理，保证项目的数据存放和消息通信。提供项目的认证、镜像、计算、网络、UI面板服务，对虚拟机的建立和生命周期运行进行管理。同时支持扩展服务的管理，包括块存储、对象存储等。

（2）计算节点集群

计算节点主要负责虚拟机的建立、运行、迁移等服务，并提供与控制节点之间的任务关联以及与网络节点之间的信息交互。同时作为监控代理对虚拟机的运行情况进行监控，反馈至控制节点。

（3）存储节点集群

存储节点主要提供块存储和对象存储功能。块存储对虚拟机扩展了存储空间，保证虚拟机完成更多的功能操作。对象存储为对象虚拟出存储空间，该存储空间仅可实现对象的存储功能，无法进行修改操作。同时存储节点可通过网络端口实现与控制节点连接，接受控制节点控制，并与计算节点和网络节点进行信息交互。

（4）网络节点集群

网络节点主要负责网络服务功能，提供私有网络和公有网络之间、虚拟机内外之间的信息沟通。网络节点包含三个端口，可分别实现与控制节点的通信、与存储节点和计算节点通信、与外部虚拟机和网络之间通信。

2.3 OpenStack主要组件介绍

OpenStack的主要功能通过一系列组件实现，这些组件共同构成了OpenStack的API服务，主要组件如下所列：

（1）Horizon：提供web的接口，实现OpenStack的内外服务交互。

（2）Nova：提供虚拟机的管理服务，实现全生命周期管理。

（3）Neutron：实现OpenStack的网络连接，为创建的虚拟机提供网络服务。

（4）Swift：实现数据对象的存储管理等服务。

（5）Clinder：提供块存储服务，用于创建和管理块存储。

（6）Keystone：用户身份管理，同时管理服务目录。

（7）Glance：完成虚拟机镜像的管理工作。

（8）Ceilometer：监控云平台的使用状况。

上述组件之间的关系如图6所示：

从上图中可以看出，面板（Horizon）为系统提供UI管理界面;监控（Ceilometer）为系统提供监控功能;认证服务（KeyStore）为系统提供用户认证;块存储（Clinder）为VM提供卷存储;镜像（Glance）为VM提供镜像服务;计算（Nova）为VM提供资源服务，发起创建VM请求;网络（Neutron）为VM提供网络服务。

3 微服务架构介绍

云平台存在大数据、多并行的服务特点。微服务架构可搭载平台应用、实现资源调度输出、支撑多任务分布式并行处理，满足云平台服务需求^[8]。微服务架构聚合了多个微服务功能，采用复杂系统去中心化模式，将不同功能业务定制到独立的微服务模块中，减少彼此间的耦合度，降低多任务的并发运行成本和系统宕机风险，实现功能任务的轻量化和定制化。

基于Spring Cloud的微服务架构如图7所示：

其中，Eureka集群可实现微服务的弹性注册和实现，在微服务运行的过程中，可在Eureka中注册其服务名称、服务地址等信息，以便于实现服务查询。Ribbon集群解决了Eureka仅支持单循环条件的负载均衡，同时具备配置负载均衡和故障容错的能力，自动捕获Eureka中信息进行内容填充。ConfigServer可提供集中式配置服务，实现微服务的横向扩展，分别更新不同版本的系统配置内容。Hystrix可为分布式系统提供通用故障容错实现模式，完成系统智能熔断和恢复，同时可提供来自各熔断机制的重要指标。API网关对外部客户端发出的请求进行处理，完成请求转发、合成和协议转换，对外部客户端而言，API网关相当于客户端的定制化API。Spring-Security提供若干过滤器，拦截进入请求，协同认证和访问管理器对进入请求进行处理，提高安全管理性能。Zuul通过加载动态过滤机制，实现验证与安全保障、审查与监控、动态路由、压力测试、负载分配、静态响应处理等功能。

基于微服务架构的应用模式通过平台微服务框架和API接口，实现工业APP的快速开发、及时部署，以及行业内数据信息的开放式访问，从而提高云平台整体的并发性能和扩展性能，完成APP在线开发、应用在线使用、行业数据信息在线共享，构建汽车行业智力资源的一体化输出平台。其应用模式如图8所示：

4 结束语

云平台作为工业互联网技术发展的重要成果，对汽车行业的发展，乃至现代工业技术的发展，有巨大的推动作用。本文通过分层设计，展示了云平台的整体功能架构和实现手段。运用OpenStack架构搭建了平台硬件设备和操作软件之间桥梁，通过硬件虚拟化技术为软件运行创建了使用环境，奠定了云平台的软件基础和云化基础。微服务架构的部署为云化APP的分布式应用创造了条件，解决大数据情况下的并发运行问题。二者自下而上的串联起了云平台的硬件、软件、应用，共同构成了平台从云架构到云服务的技术基础。以云化开发环境、云化APP和云化数据的服务模式，实现整合汽车行业优质资源，推动汽车行业工业技术软件化的进程，助力汽车行业标准化、自动化、智能化发展。

参考文献

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