云原生GIS技术全解读

云原生GIS是面向云环境设计的,基于微服务架构思想的,以容器为部署载体的,可自动化编排、运维管理的,更弹性、更稳定、更新更实时的GIS软件体系架构。

云原生GIS是对传统软件架构的一次重构,让GIS更稳定的同时,它还能更多融合云计算的特性,更灵活、高效、智能。

云原生GIS有三个关键技术:

  • 微服务架构:避免不同服务之间相互影响,可以以更小粒度弹性伸缩,使应用更稳定、更灵活。

  • 容器化部署:资源更集约,通用配置可以运行更多服务。

  • 自动化编排:快速建站,实时更新,降低运维成本。

云原生GIS带来的收益

功能相互隔离,更稳定。传统的GIS部署模式中,GIS功能往往是由一个大而全的GIS Server支撑的;在云原生GIS中,GIS功能被分散到多个小而灵活的GIS微服务共同支撑。如由N个节点共同支撑的GIS网站,在用户看来是一个地址、页面,使用起来是一体的。实际上它不仅是由多个GIS Server在支撑,而且还位于多个机器。如此,每个进程相互独立,专注自己的功能,可以在不影响其他功能的同时独立上线更新,还可以自动隔离,一旦有突发故障,每个进程均会控制在自己范围内,不至影响其他功能、使整个站点宕机。

以容器为载体,更通用。传统GIS为应对不同的操作系统、硬件环境,以及不同的云计算环境,需要各种方案定制,既不统一,又无法做到自动化快速部署建站;云原生GIS利用Docker、Kubernetes、iManager等技术,可实现自动化快速建站。云原生GIS把GIS微服务包装成容器,从而屏蔽了环境差异,可以在任意环境中无差别的运行;为了应对微服务化后多节点部署运维的复杂性,它还引入了Kubernetes容器编排;同时,它利用SuperMap iManager进行GIS业务层面的调度,使得GIS解决方案可以快速落地,并无差别地适应裸物理机集群、私有云、公有云等各类环境。

细粒度伸缩,更灵活、集约。首先,相比虚拟机,容器的资源损耗天然就很低;其次,云原生GIS可实现细粒度伸缩。在性能出现瓶颈时,云计算时代的常用做法是利用动态伸缩,增加GIS Server的个数,通过后台集群机制来应对高并发。传统GIS中,因为GIS Server无法拆分为更细粒度,即使支持局部功能瓶颈(例如数据服务),伸缩时也需要部署整个GIS Server,造成资源浪费;而云原生GIS进行了GIS微服务化,伸缩时,只需要部署对应功能的GIS微服务而不是整套GIS Server,从而使资源利用更精细。

图1 云原生GIS更集约的资源利用

图2 GIS微服务动态扩容

SuperMap的全面容器化和多云支持

容器化是云原生的关键技术之一。虽然Docker容器有Windows和Linux容器之分,但Linux容器是目前公认的、应用范围最广的类型,Windows容器在生产环境中使用还不多见。所以跨平台是GIS容器化的基础。SuperMap自2005年就提出了共相式GIS(Universal GIS)内核的概念,打造全系列、全功能的GIS平台体系。

图3 基于跨平台技术的SuperMap多云支持

SuperMap自2014年就开始引入Docker技术,对GIS产品进行容器化,涵盖GIS应用服务器、GIS门户服务器、GIS运维管理中心、GIS边缘服务器、跨平台GIS桌面等多个产品。容器化使GIS的部署更通用、更标准,同时相比虚拟机性能损耗更低。

在GIS容器化过程中,除了要保障GIS容器的灵活伸缩,还需要支持无状态化或曰状态隔离。GIS产品部署为GIS应用,应用有状态,产品无状态,状态包括GIS数据、用户角色外,还有服务配置、地图缓存、Session信息等。如果这些状态不抽离,在节点发生故障时,虽然产品能恢复,但这些状态都要丢失。弹性伸缩时,新增的GIS容器势必要同步状态,无法自动化且麻烦,而无状态化后,GIS容器的状态通过数据卷的方式被分离到了容器外部,此时无论是容器删除重建还是弹性伸缩,新容器都会自动挂载状态,自动恢复GIS服务。

SuperMap的微服务治理

微服务是云原生的关键技术之一,是新一代GIS架构的基础。如果不做微服务化,即使在云平台中可以部署,但GIS Server会像以前一样臃肿,无法做到小而灵活,无法快速部署迁移、分布式动态调配、弹性伸缩,更无法在突发灾难到来时,做到故障隔离。

微服务化后,GIS服务之间的依赖被明确,且相互解耦,从单体式应用演变为分布式,给开发部署带来更多灵活性和技术多样性,使GIS能充分利用云计算的优势,在公有云、私有云和混合云等新型动态环境中,构建和运行可弹性扩展的应用。

SuperMap采用微内核+REST接口的面向资源架构,按照GIS功能和接口类型划分服务粒度,现有10大类21小类微服务。这些微服务松耦合,可独立部署,互不影响,微服务之间通过轻量级通信机制REST进行通信。如下图所示,传统的GIS服务器是一体的,只能部署在单个节点上,微服务改造把一体的功能拆分成可独立部署的GIS微服务(图中不同颜色的小圆),不仅可以灵活部署于多个节点,还可以灵活的实现分布式弹性伸缩、调度。

从SuperMap GIS 6R到当前的SuperMap GIS 9D(2019),SuperMap一直致力于微服务改造和积累,不仅包括GIS功能微服务,还关注基础功能微服务以及微服务治理。下图是SuperMap的微服务发展路线图。

图4 SuperMap iServer微服务路线图

SuperMap的自动化管理

GIS微服务带来了快速、稳定、集约等好处,但由单体应用到多个微服务,也会对管理带来挑战,如果不能自动化管理,那么不论是部署上线,还是升级维护,都会很繁琐。

在SuperMap GIS云原生方案中,GIS微服务通过容器化实现通用的快速部署,通过Kubernetes编排实现分布式、自动化的容器部署、扩展和管理,通过SuperMap iManager串联GIS业务,例如存储管理、安全管理、日志管理、监控、弹性伸缩等。iManager是SuperMap动态编排弹性伸缩的GIS中心,它还包装和简化了容器、Kubernetes的使用细节,用户不需要熟悉Kubernetes,依然可以打造一个云原生GIS系统。

图5 动态编排弹性伸缩的GIS中心

SuperMap的公有云实践

www.supermapol.com是SuperMap的公有云站点,提供在线的GIS数据、GIS平台,以及应用托管的按需租赁服务,打造一站式在线GIS数据与应用平台。通过以租代建的使用方式,降低GIS服务门槛,协助低成本、便捷、高效的构建GIS应用。后台采用云原生GIS方案构建,并不断滚动更新最新的研发成果。对国内常见的阿里云、腾讯云都有对接适配。

1、微服务拆分,不同功能分散部署于后台10多个服务器,不仅可以精细扩展,而且可以局部无缝升级。

2、服务治理,全部采用容器+Kubernetes部署管理方式,确保资源灵活调度,网站7*24小时在线。

3、GIS云主机,无缝衔接阿里云、京东云,自助式提供GIS云主机。

4、GIS云存储,提高数据可用性和访问速度:

  • 适配阿里云对象存储OSS,云数据库RDS PostgreSQL 版,支持矢量数据的存储和发布。

  • 适配阿里云表格存储Table Store,云数据库MongoDB版,支持地图瓦片的生产和直接发布。

小结

云原生GIS使传统GIS应用从单体变为了微服务,使GIS在云平台中的部署方式从虚拟机变为了容器,使GIS应用的管理模式从手动管理变为了自动化编排,从而在云平台中可以更灵活的伸缩调度、使GIS应用能更好地利用云平台的特性。SuperMap对云原生GIS的实践,使GIS服务更稳定高效,不仅应用于私有云,借助对国内外公有云的对接实践,更能协助客户融入公有云的优势模块/特性,快速高效落地云GIS方案。

作者 | 云产品研发中心 苏乐乐 胡中南

责编 | 王静静

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