基于PaaS 模式的應(yīng)用運行平臺

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云計算（Cloud Computing）是當(dāng)前 IT 領(lǐng)域的熱點，它的目標(biāo)之一是通過互聯(lián)網(wǎng)，使用戶更加方便、快捷、靈活地使用各種有質(zhì)量保障的 IT 資源，這些資源以服務(wù)形式提供，終極的云計算環(huán)境將使得消費這些服務(wù)就像今天使用水、電和煤氣等公共基礎(chǔ)設(shè)施一樣便捷。

通常，云計算包括三個主要的層次：基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（Infrastructure Services），平臺服務(wù)（Platform Services）和應(yīng)用服務(wù)（Application Services）。如圖 1 所示：

圖 1. 云計算的三個層次

其中，平臺服務(wù)已經(jīng)成為實踐云計算的重點之一，它將應(yīng)用運行所需的 IT 資源和基礎(chǔ)設(shè)施以服務(wù)的方式提供給用戶，包括了中間件服務(wù)，信息服務(wù)，連通性服務(wù)，整合服務(wù)和消息服務(wù)等多種服務(wù)形式。為實現(xiàn)平臺服務(wù)，業(yè)界提出了 “平臺即服務(wù)（Platform as a Services，以下簡稱 PaaS）”的交付模式。PaaS 模式，基于互聯(lián)網(wǎng)提供對應(yīng)用完整生命周期（包括設(shè)計、開發(fā)、測試和部署等階段）的支持，減少了用戶在購置和管理應(yīng)用生命周期內(nèi)所必須的軟硬件以及部署應(yīng)用和 IT 基礎(chǔ)設(shè)施的成本，同時簡化了以上工作的復(fù)雜度。為了確保高效地交付具備較強(qiáng)靈活性的平臺服務(wù)，在 PaaS 模式中，平臺服務(wù)通?；谧詣踊募夹g(shù)通過虛擬化的形式交付，在運行時，自動化，自優(yōu)化等技術(shù)也將被廣泛應(yīng)用，以確保實時動態(tài)地滿足應(yīng)用生命周期內(nèi)的各種功能和非功能需求。

具體來說，搭建傳統(tǒng) IT 基礎(chǔ)平臺是一個漫長的過程，通常由申請，審計，硬件購買與運輸，硬件安裝與配置，軟件安裝與配置等步驟組成。在這個過程中繁復(fù)的手工配置工作費時費力，而且容易產(chǎn)成人為配置錯誤。同時，平臺環(huán)境的升級維護(hù)也面臨人為配置錯誤頻繁產(chǎn)生問題，造成不必要的影響和損失。由于這些原因，搭建完成的應(yīng)用運行平臺，即使在一定時期內(nèi)不再需要，也不會被及時釋放回收，以供新項目使用。這是造成空閑硬件資源的原因之一。此外，傳統(tǒng)基礎(chǔ)平臺提供的應(yīng)用運行能力是靜態(tài)的。然而在不同時間，應(yīng)用負(fù)載往往是不一樣的。為了確保高負(fù)載時應(yīng)用的正常運行，應(yīng)用運行平臺必須能夠提供最高運行能力，這就造成了非高峰時的眾多空閑硬件資源。

云計算的產(chǎn)生，尤其是平臺服務(wù)的理念，從產(chǎn)生空閑硬件資源的根本原因入手。建立了快速搭建部署應(yīng)用運行環(huán)境和動態(tài)調(diào)整應(yīng)用運行時環(huán)境資源這兩個目標(biāo)。依據(jù)虛擬化與自動化技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用運行環(huán)境的即時部署以及快速回收，降低了環(huán)境搭建時間，避免了手工配置錯誤，快速重復(fù)搭建環(huán)境，及時回收資源，減少了低利用率硬件資源的空置。另一方面，根據(jù)應(yīng)用運行時的需求對應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)了應(yīng)用平臺的彈性擴(kuò)展和自優(yōu)化，減少了非高峰時硬件資源的空置。

在實際應(yīng)用中，PaaS 模式的重要應(yīng)用場景之一是向用戶交付一個支撐應(yīng)用運行的應(yīng)用運行平臺（Applications Running Platform，以下簡稱 ARP）?；?nbsp;PaaS 模式構(gòu)建應(yīng)用運行平臺，需要滿足以下典型需求：

提供定義應(yīng)用需求的接口：用戶可以方便地定義滿足應(yīng)用功能需求所需的組件，同時可以定義應(yīng)用的非功能性需求，例如可用性，服務(wù)水平等；

提供基于應(yīng)用需求快速構(gòu)建應(yīng)用運行環(huán)境的能力：能將應(yīng)用需求映射為物理的 IT 資源和基礎(chǔ)設(shè)施的具體配置和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行快速部署；

提供運行時實時動態(tài)滿足應(yīng)用需求的能力：將應(yīng)用需求映射為運行策略，在運行時，根據(jù)系統(tǒng)運行的實際狀況，例如負(fù)載狀況，動態(tài)地對物理的 IT 資源和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行調(diào)整，例如調(diào)整負(fù)載分配或增減計算資源，使 ARP 具備足夠的彈性和靈活性，以實時動態(tài)地滿足應(yīng)用需求。

針對上述需求，基于 PaaS 模式構(gòu)建 ARP 的解決方案至少需要包括如下組件：

需求與運行策略庫： 向用戶提供定義應(yīng)用需求的界面，保存應(yīng)用需求，并將應(yīng)用需求轉(zhuǎn)化為部署及運行策略，提供給平臺交付組件和運行時控制組件；

軟件映像庫： 提供應(yīng)用運行平臺所需的基礎(chǔ)軟件；

ARP硬件資源池： 基于 Hypervisor，以虛擬化的方式，提供應(yīng)用運行平臺所需的硬件資源；

平臺交付組件： 根據(jù)部署或調(diào)整策略，通過部署或調(diào)整軟件及 APR 硬件資源池來創(chuàng)建或調(diào)整應(yīng)用運行平臺；

運行時控制組件： 根據(jù)運行策略和實際運行狀況動態(tài)調(diào)整 ARP 資源池，并向平臺交付組件動態(tài)提供調(diào)整策略。

如下圖 2 所示：

圖 2. 基于 PaaS 模式的應(yīng)用運行平臺

下面，我們將結(jié)合 IBM WebSphere 產(chǎn)品家族中支持 PaaS 的產(chǎn)品，介紹如何基于 PaaS 模式構(gòu)建應(yīng)用運行平臺。

面向 PaaS 的 IBM WebSphere 核心產(chǎn)品

在 IBM WebSphere 產(chǎn)品家族中有一些核心的產(chǎn)品提供 PaaS 支持。包括 WebSphere Virtual Enterprise, WebSphere CloudBurst Appliance, IBM Software Hypervisor Edition 等。下面逐一做個簡單介紹。

WebSphere Virtual Enterprise

WebSphere Virtual Enterprise （以下簡稱為 WVE） 為企業(yè)能夠動態(tài)且可靠地適應(yīng)商業(yè)需求的變化，提供一個完整的應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)虛擬化環(huán)境。在這種應(yīng)用虛擬化環(huán)境中，應(yīng)用程序與服務(wù)器是一種松散耦合的模式，隨著訪問量的不斷變化，運行應(yīng)用程序的服務(wù)器的數(shù)量以及位置是動態(tài)變化的。同時，WVE 針對這種應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)的虛擬化提供了方便的監(jiān)控手段以及自動管理的機(jī)制，方便管理員對整個環(huán)境的管理。作為 PaaS 模式中的運行時控制組件，WVE 主要具有以下特性：

應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)虛擬化

傳統(tǒng)的靜態(tài)集群的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不變的，而 WVE 提供了一種應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)的虛擬環(huán)境，它共享硬件資源，應(yīng)用程序運行在動態(tài)集群上，WVE 會根據(jù)系統(tǒng)中當(dāng)前資源的使用情況，以及用戶自定義的性能目標(biāo)來動態(tài)啟動和停止集群中運行著的成員服務(wù)器的數(shù)量。WVE 提供一個重要的組件——隨需應(yīng)變路由器（On Demand Router，簡稱 ODR），是一個智能的代理服務(wù)器?？蛻粽埱笫紫冉?jīng)過 ODR，進(jìn)行請求分類和流量控制，然后由 ODR 根據(jù)預(yù)定義好的應(yīng)用的性能目標(biāo)以及后臺服務(wù)器當(dāng)前的負(fù)載情況選擇一個合適的服務(wù)器處理請求。如圖 3 所示：

圖 3. WebSphere Virtual Enterprise 應(yīng)用虛擬化

性能目標(biāo)驅(qū)動的自優(yōu)化管理

在 WVE 中，可以為應(yīng)用程序或者訪問應(yīng)用的不同用戶定義性能目標(biāo)，即服務(wù)策略。定義服務(wù)策略包括定義應(yīng)用的平均響應(yīng)時間，以及相對的優(yōu)先級。運行時，WVE 根據(jù)服務(wù)策略決定如何對不同應(yīng)用請求進(jìn)行負(fù)載分發(fā)和流量控制，以及決定服務(wù)器資源池中服務(wù)器的分配。

系統(tǒng)運行狀況的自動監(jiān)控和管理

系統(tǒng)運行狀況的監(jiān)控和管理能夠更有效的保障應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量，從而進(jìn)一步提升應(yīng)用服務(wù)器對于應(yīng)用的透明性。系統(tǒng)運行狀況監(jiān)控用于自動檢測系統(tǒng)的運行狀況，當(dāng)不良狀況被檢測到后會自動執(zhí)行糾正措施。WVE 通過健康策略實現(xiàn)對環(huán)境運行狀況的監(jiān)控，健康策略包括運行狀況和措施兩部分。 WVE 預(yù)先定義了一些常用的不良運行狀況。除此之外，用戶還可以定制運行狀況條件。當(dāng)指定的不良狀況被檢測出來后，WVE 可自動執(zhí)行一個預(yù)定的行動計劃，如通知管理員，捕獲診斷信息（Java thread 或 heap dump），重啟 Server 和把 Server 置成維護(hù)模式等，避免系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重問題。用戶也可以定制行動計劃，以滿足多樣的需求。比如可以讓定制的行動計劃去執(zhí)行一個腳本，調(diào)用 WebSphere CloudBurst Appliance 的 Rest API，將額外的應(yīng)用服務(wù)器資源加入到 WVE 的資源池，避免高峰訪問時刻的服務(wù)質(zhì)量降低。

WebSphere CloudBurst Appliance

圖 4. WebSphere CloudBurst Appliance

2009 年 6 月發(fā)布的 WebSphere CloudBurst Appliance （以下簡稱 WCA）是一個提供簡便，快速，及可重復(fù)的 WebSphere 虛擬環(huán)境部署和管理的硬件產(chǎn)品。以 Appliance 形式出現(xiàn)的 WCA 使用便捷，可同時管理多個基于不同 Hypervisor 的硬件資源池。WCA 預(yù)制了基于多年 WebSphere 產(chǎn)品使用經(jīng)驗的拓?fù)淠Ｊ剑O(shè)計了豐富的角色劃分和權(quán)限管理以及全面的安全機(jī)制，實現(xiàn)了對 WebSphere 云環(huán)境的完整生命周期管理和監(jiān)控，從而達(dá)到節(jié)省 IT 開銷，程序化 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)，提高 IT 敏捷應(yīng)對能力，規(guī)范化和自動化搭建應(yīng)用運行環(huán)境的目標(biāo)。

在 PaaS 模式中，WCA 提供了 需求與運行策略庫，軟件映像庫 和 平臺交付組件 的角色 。 作為 需求與運行策略庫，WCA 提供了定義應(yīng)用各種需求的方式，如拓?fù)淠Ｊ剑】挡呗?，服?wù)策略等。作為軟件 軟件映像庫，WCA 內(nèi)置了多種軟件的虛擬映像（詳見 2.3 IBM Software Hypervisor Edition）。作為 平臺交付組件，WCA 可以基于預(yù)定義的用戶需求，將應(yīng)用運行所需的軟件快速部署于 ARP 資源池。同時，WCA 提供了動態(tài)調(diào)整應(yīng)用運行平臺的 REST API。當(dāng) 運行控制組件 的調(diào)整策略 ( 如 WVE 的健康策略 ) 被觸發(fā)時，通過 REST API，WCA 能夠即時調(diào)整 APR 資源池以滿足當(dāng)前應(yīng)用需求。

在 2010 年 6 月剛發(fā)布的 WCA 2.0 版本中，增加的主要新特性有：

內(nèi)置更多 WebSphere 家族及其相關(guān)產(chǎn)品的虛擬映象：WebSphere Process Server, DB2 Enterprise Trial, WebSphere Portal Server, WebSphere Application Server Intelligent Management Pack；

新添了支持由多個虛擬映象組成的拓?fù)淠Ｊ剑罱M足企業(yè)需求的完整解決方案，如由 WebSphere Application Server 加 DB2 的虛擬映像組成的傳統(tǒng)中間件拓?fù)淠Ｊ剑?/P>

增強(qiáng)的云環(huán)境管理功能：支持多個 hypervisor, 如 PowerVM, zVM, and VMware。

增強(qiáng)的 license 管理，并提供運行環(huán)境的彈性擴(kuò)展能力。

IBM Software Hypervisor Edition

在 WCA 提供的軟件映像庫中，內(nèi)置了多種 WebSphere 家族及其相關(guān)產(chǎn)品的虛擬映像版本，即 IBM Software Hypervisor Edition。虛擬映像是云計算虛擬化技術(shù)的基本組成部分，用來部署在 Hypervisor 上以提供應(yīng)用運行所需的虛擬環(huán)境。對于傳統(tǒng)的一臺硬件機(jī)器一個專屬環(huán)境的方式，一臺硬件在安裝了 Hypervisor 之后，通?？梢酝瑫r運行多個虛擬環(huán)境，從而節(jié)約硬件資源。此外，與傳統(tǒng)環(huán)境相比，虛擬環(huán)境還具有快速搭建和回收的特性。

以 WebSphere Application Server Hypervisor Edition 為例，虛擬映像版本自帶有操作系統(tǒng)，預(yù)先安裝的軟件產(chǎn)品，和在激活過程中運行的配置與調(diào)優(yōu)腳本。激活一個 WebSphere Application Server Hypervisor Edition 虛擬映像意味著得到一個已經(jīng)安裝和配置了中間件的操作系統(tǒng)，只需要完成對應(yīng)用的安裝和配置就得到一個完整的應(yīng)用運行環(huán)境。

圖 5. WebSphere Application Server Hypervisor Edition 虛擬映像內(nèi)容

目前已發(fā)布的虛擬映像版本主要有：

WebSphere Application Server Hypervisor Edition

WebSphere Process Server Hypervisor Edition

WebSphere Portal Server Hypervisor Edition

WebSphere Application Server Intelligent Management Pack

DB2 Enterprise Trial Hypervisor Edition

Enterprise Trial, WebSphere Portal Server, WebSphere Application Server Intelligent Management Pack；

WCA 使用這些虛擬映像自動化搭建和部署應(yīng)用運行平臺。同時，基于特定 Hypervisor 的虛擬映像版本也可獨立購買和使用。IBM 對這些虛擬映像版本提供技術(shù)支持和定期升級服務(wù)。虛擬映像版本降低了產(chǎn)品安裝部署的復(fù)雜性，減少了人為調(diào)配錯誤的產(chǎn)生。使用虛擬映像，用戶能夠快速和重復(fù)搭建虛擬化的應(yīng)用運行環(huán)境

構(gòu)建基于 PaaS 模式的應(yīng)用運行平臺示例

現(xiàn)在我們通過一個示例，來詳細(xì)闡述如何使用 IBM WebSphere 產(chǎn)品構(gòu)建一個基于 PaaS 模式的應(yīng)用運行平臺。圖 3.1 給出了采用 IBM WebSphere 產(chǎn)品構(gòu)建基于 PaaS 模式應(yīng)用運行平臺解決方案示意拓?fù)?。用戶首先通過 WCA 及其內(nèi)置的 Hypervisor Edition 虛擬映像定義應(yīng)用需求，創(chuàng)建應(yīng)用運行平臺，和提供運行策略。在運行過程中，WVE 負(fù)責(zé)監(jiān)控和調(diào)整運行策略。如果現(xiàn)有的應(yīng)用環(huán)境不能滿足運行需要，WVE 會調(diào)用 WCA 的 REST API 對 ARP 資源池進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

這樣的應(yīng)用運行平臺充分利用和整合 WCA 的自動化部署和 WVE 的自優(yōu)化功能，實現(xiàn)了應(yīng)用平臺在運行時的彈性擴(kuò)展，滿足了應(yīng)用運行的動態(tài)需求，大大減少了人工維護(hù)和調(diào)整的工作，體現(xiàn)了一個云計算的最佳實踐。

圖 6. 應(yīng)用運行平臺示例

WCA 提供需求與策略庫，軟件虛擬影像庫和平臺交付組件的功能，用戶通過其定義需求與運行策略；軟件虛擬映像庫由各種 IBM Software Hypervisor Edition 虛擬映像介質(zhì)構(gòu)成；WVE 提供運行時控制組件的功能，控制服務(wù)器資源的動態(tài)負(fù)載均衡以及運行時健康檢測，并向 WCA 提供調(diào)整策略。下面，將簡要介紹基于 WCA 和 WVE 構(gòu)建應(yīng)用運行環(huán)境的具體操作步驟。

首先，從 WCA 的管理界面，定義一個由應(yīng)用服務(wù)器（WebSphere 應(yīng)用服務(wù)器）和數(shù)據(jù)庫（DB2）組成的典型拓?fù)淠Ｊ健＿@個拓?fù)錁?gòu)成我們最初的應(yīng)用運行平臺。在部署該拓?fù)鋾r，應(yīng)用將以腳本形式來安裝。使用 WCA 我們能夠一次性和重復(fù)性的構(gòu)建應(yīng)用初始運行平臺。如圖 7 所示：

圖 7. 在 WCA 中編輯和部署應(yīng)用服務(wù)器 + 數(shù)據(jù)庫的模式（pattern）

其次，為應(yīng)用運行平臺環(huán)境設(shè)定各種策略，包括服務(wù)策略和健康策略?？梢栽诓渴疬\行環(huán)境前從 WCA 的管理界面定義健康策略，如下圖 8 所示。

圖 8. 在 WCA 中設(shè)定健康策略

如下圖 9 所示，也可以在環(huán)境部署好之后從 WVE 的管理控制臺上設(shè)定健康策略和服務(wù)策略。圖 3.4 中定義了健康策略 HP_CALL_WCA，健康條件是自定義的 PMIMetric 條件，當(dāng)平均響應(yīng)時間超過 10 秒時，WVE 將自動執(zhí)行預(yù)定義的動作——通過腳本的方式調(diào)用 WCA 的 REST API。

圖 9. 從 WVE 管理控制臺中設(shè)定健康策略

如圖 10 所示，在 WVE 管理控制臺中為應(yīng)用設(shè)定服務(wù)策略 SP_Gold，性能目標(biāo)是平均響應(yīng)時間為 2 秒，相對優(yōu)先級是 High。

圖 10. 從 WVE 管理控制臺中設(shè)定服務(wù)策略

前面提到，在 WVE 的運行環(huán)境中動態(tài)集群的運行著的服務(wù)器實例數(shù)是隨著系統(tǒng)負(fù)載情況的變化而變化的，而動態(tài)集群有一個最少運行服務(wù)器數(shù)量的配置，即當(dāng)環(huán)境部署完成準(zhǔn)備運行時，最少運行服務(wù)器數(shù)量的服務(wù)器會被自動啟動。

隨著系統(tǒng)負(fù)載的增加，當(dāng)正在運行的服務(wù)器承載不了更多負(fù)載時，WVE 會從共享資源池中自動啟動閑暇的服務(wù)器，增加系統(tǒng)的服務(wù)能力，如圖 11 所示：

圖 11. 壓力下 WVE 自動啟動服務(wù)器實例

在更重的壓力下，當(dāng)資源池中所有可用服務(wù)器實例都已運行，仍然不能滿足預(yù)定義的性能目標(biāo)時，可以觸發(fā)如圖 3.4 中自定義的健康策略，執(zhí)行調(diào)用 WCA REST API 的腳本，觸發(fā) WCA 向現(xiàn)有的資源池中增加可用資源。

以下是在已部署的虛擬環(huán)境中動態(tài)增加虛擬機(jī)的 REST API 詳細(xì)介紹：

圖 12. WebSphere CloudBurst REST API

在前面的圖 10 自定義的健康策略的健康動作，是自定義的 Action_CALL_WCA，其中定義了可執(zhí)行程序。這個可執(zhí)行程序可以是一個 Java 程序，或者是使用 Python 等腳本編寫的程序，來調(diào)用如下的 REST API：

（1）、獲取虛擬系統(tǒng)列表的例子：

圖 13. GET /resources/virtualSystems 例

（2）、獲取某虛擬系統(tǒng)中虛擬機(jī)列表的例子：

圖 14. GET /resources/virtualSystems/1/virtualMachines 例

（3）、請求 WCA 向已有虛擬系統(tǒng)中添加新虛擬機(jī)的例子：

圖 15. POST /resources/virtualSystems/{id}/virtualMachines 例

WCA 的 REST API 被觸發(fā)后，通過部署新虛擬映像擴(kuò)展現(xiàn)有的拓?fù)洌略龅墓?jié)點被納入應(yīng)用運行平臺，以滿足預(yù)定義的性能目標(biāo)。

類似的，在目前應(yīng)用的壓力減少而其他應(yīng)用需要更多資源時，可以通過調(diào)用 WCA 的 REST API 刪減應(yīng)用運行平臺的規(guī)模，釋放 APR 資源供其他應(yīng)用使用。

總結(jié)

IBM 面向 PaaS 模式，推出了平臺服務(wù)部署管理專用設(shè)備 WCA，應(yīng)用運行虛擬化平臺 WVE 以及 IBM Software Hypervisor Edition。在采用上述產(chǎn)品的應(yīng)用運行平臺的解決方案將為用戶提供以下三方面重要能力：

應(yīng)用運行環(huán)境的快速構(gòu)建能力：大幅提升運維效率，降低相關(guān)成本，縮短 IT 項目的投產(chǎn)和系統(tǒng)變更周期；

計算資源的虛擬化與共享能力：實現(xiàn)計算資源共享，提升系統(tǒng)靈活性，從而提高計算資源的利用率，節(jié)約 IT 基礎(chǔ)設(shè)施成本，降低能耗；

應(yīng)用運行環(huán)境的自動化及自優(yōu)化管理能力：確保應(yīng)用運行平臺的穩(wěn)定性、可靠性和可用性，簡化運維工作，并保障應(yīng)用的服務(wù)水平。

這些產(chǎn)品可以獨立使用以滿足企業(yè)在實現(xiàn)不同云計算方案的具體需求。同時也可以很好的共同使用。通過 WCA 方便快捷部署基于 IBM Software Hypervisor Edition 的虛擬環(huán)境，提高了應(yīng)用運行環(huán)境的構(gòu)建效率和重復(fù)構(gòu)建能力。WCA 與 WVE 的共同使用，提高了應(yīng)用運行時資源的利用率與敏捷性。這些產(chǎn)品的結(jié)合使用實現(xiàn)了從部署到運行狀態(tài)以及項目結(jié)束資源回收的端到端解決方案，充分體現(xiàn)了云計算的特性與理念。

總之， IBM WebSphere 產(chǎn)品為構(gòu)建面向平臺服務(wù)的云計算環(huán)境提供了堅實的基礎(chǔ)。采用 IBM WebSphere 產(chǎn)品，基于 PaaS 模式的應(yīng)用運行平臺解決方案將幫助用戶有效運用云計算的核心技術(shù)，有效實現(xiàn)平臺服務(wù)的價值。