iAOP/core/llm-gateway/backends.py

# -*- coding: utf-8 -*-
"""iAOP-Core · LLM 网关 —— 推理后端抽象接口（Issue #57，PRD 5.6）。

PRD 5.6「⑥ 部署底座」明确要求：

    定义统一 ``InferenceBackend`` 接口（``loadModel / infer / health / unload``），
    5090 实现（Triton/ONNX）与昇腾实现（ACL/CANN）均实现该接口；
    **业务代码仅依赖接口，不感知硬件**；切换后端 = 改适配层配置，不动业务代码。

本模块把原先内联在 ``gateway.py`` 里的薄弱 ``InferenceBackend`` 提炼为正式的
抽象基类（ABC），并补齐 PRD 要求的生命周期方法与能力声明，使后续子任务：

- #44 本地 70B 模型接入与推理封装（vLLM/TGI）
- #45 云端 API（Qwen/DeepSeek）接入与安全网关
- #58 GPU 后端实现（NVIDIA，Triton/ONNX）
- #59 昇腾 NPU 后端适配（CANN/ACL）

都能在**同一契约**下落地，业务编排（``LLMGateway``）零改动。

设计要点
--------
1. **接口最小且完备**：仅约束 PRD 列出的四个生命周期动作 ``load_model / infer /
   health_check / unload``，外加能力声明 ``BackendCapabilities``（流式 / 最大并发 /
   是否出厂内闭环），供路由与调度决策。
2. **向后兼容**：保留 ``generate(prompt, context)`` 便捷方法（默认转发到
   ``infer``），既有 ``LLMGateway.ask()`` 调用路径不变；老测试不受影响。
3. **可注入 / 可 mock**：所有方法纯逻辑、无外部 IO 依赖；真实硬件/网络交互由
   各子类在 ``infer`` 内部完成（子类负责导入厂商 SDK 并做 ``ImportError`` 容错）。
4. **健康探针**：``health_check`` 返回结构化 ``BackendHealth``，供可用性监控探针
   （Issue #61）与灰度发布（PRD 5.6 配置点）判定后端是否就绪。

测试：``python -m unittest discover -s tests -v``（在 core/llm-gateway 目录下执行）。
"""
from __future__ import annotations

from abc import ABC, abstractmethod
from dataclasses import dataclass, field
from datetime import datetime, timezone
from typing import Dict, Iterator, List, Optional, Sequence


# ---------------------------------------------------------------------------
# 值对象：能力声明 / 健康状态 / 推理结果
# ---------------------------------------------------------------------------


@dataclass(frozen=True)
class BackendCapabilities:
    """后端能力声明，供路由 / 调度 / 灰度决策。

    Attributes:
        streaming: 是否支持流式输出（逐 token 返回）。
        max_concurrency: 最大并发推理数（None 表示不限 / 由外部限流）。
        on_premises: 是否数据出厂内闭环（本地后端 True，云端 False）。
        modalities: 支持的输出形态，如 ``("text",)``。
    """

    streaming: bool = False
    max_concurrency: Optional[int] = None
    on_premises: bool = False
    modalities: Sequence[str] = ("text",)

    def supports(self, modality: str) -> bool:
        """是否支持某种输出形态（text / image / ...）。"""
        return modality in self.modalities

    def to_dict(self) -> Dict[str, object]:
        return {
            "streaming": self.streaming,
            "max_concurrency": self.max_concurrency,
            "on_premises": self.on_premises,
            "modalities": list(self.modalities),
        }


@dataclass(frozen=True)
class BackendHealth:
    """后端健康探针结果（Issue #61 可用性监控探针消费）。"""

    healthy: bool
    detail: str = ""
    checked_at: str = field(
        default_factory=lambda: datetime.now(timezone.utc).isoformat())

    def to_dict(self) -> Dict[str, object]:
        return {
            "healthy": self.healthy,
            "detail": self.detail,
            "checked_at": self.checked_at,
        }


@dataclass(frozen=True)
class InferResult:
    """一次 ``infer`` 的结构化结果（含审计所需元信息）。

    保留 ``text`` 主输出以兼容旧 ``generate`` 返回 ``str`` 的调用方；
    ``prompt_tokens`` / ``completion_tokens`` 供计费与配额（PRD 5.6 配置点）。
    """

    text: str
    backend_name: str
    model_id: str = ""
    prompt_tokens: Optional[int] = None
    completion_tokens: Optional[int] = None
    latency_ms: Optional[float] = None

    def to_dict(self) -> Dict[str, object]:
        return {
            "text": self.text,
            "backend_name": self.backend_name,
            "model_id": self.model_id,
            "prompt_tokens": self.prompt_tokens,
            "completion_tokens": self.completion_tokens,
            "latency_ms": self.latency_ms,
        }


# ---------------------------------------------------------------------------
# 抽象接口（PRD 5.6：loadModel / infer / health / unload）
# ---------------------------------------------------------------------------


class InferenceBackend(ABC):
    """推理后端抽象接口（对齐 PRD 5.6 ``InferenceBackend`` 契约）。

    业务编排（``LLMGateway``）只依赖本接口，**不感知**具体硬件 / 厂商；
    切换后端 = 换实现类 + 改配置，业务代码不动。子类必须实现四个生命周期方法：

    - :meth:`load_model`：加载 / 绑定模型（可幂等，重复加载返回已加载实例）。
    - :meth:`infer`：给定 prompt 与 RAG 上下文生成回答（核心推理动作）。
    - :meth:`health_check`：探针，返回 :class:`BackendHealth`。
    - :meth:`unload`：释放模型资源（可幂等）。

    便捷方法 :meth:`generate` 默认转发到 :meth:`infer` 并只取 ``text``，
    保留与旧 ``LLMGateway.ask()`` 的二进制兼容。
    """

    #: 后端短名（local-70b / cloud-api / gpu-triton / npu-cann ...），子类覆盖。
    name: str = "base"

    @property
    def capabilities(self) -> BackendCapabilities:
        """后端能力声明，子类按需覆盖。默认：非流式、出厂外、仅文本。"""
        return BackendCapabilities()

    # -- 生命周期（子类必须实现）------------------------------------------

    @abstractmethod
    def load_model(self, model_id: str) -> None:
        """加载 / 绑定指定模型。幂等：重复加载同一 model_id 不报错。"""

    @abstractmethod
    def infer(self, prompt: str,
              context: Optional[Sequence[str]] = None) -> InferResult:
        """根据 prompt 与 RAG 上下文生成回答（核心推理动作）。"""

    @abstractmethod
    def health_check(self) -> BackendHealth:
        """健康探针，返回结构化健康状态。"""

    @abstractmethod
    def unload(self) -> None:
        """释放模型资源。幂等：未加载时调用不报错。"""

    # -- 向后兼容便捷方法 --------------------------------------------------

    def generate(self, prompt: str, context: Sequence[str]) -> str:
        """旧调用入口：等价于 ``infer(prompt, context).text``。

        保留是为了不破坏 ``LLMGateway.ask()`` 既有的 ``backend.generate(...)``
        调用路径；新代码应直接使用 :meth:`infer` 拿到完整 :class:`InferResult`。
        """
        return self.infer(prompt, context).text

    def __repr__(self) -> str:  # pragma: no cover - 调试辅助
        return f"<{type(self).__name__} name={self.name!r}>"


# ---------------------------------------------------------------------------
# 占位实现（子任务 #44 / #45 / #58 / #59 将各自替换为真实后端）
# ---------------------------------------------------------------------------


class _PlaceholderBackend(InferenceBackend):
    """占位后端公共骨架：固定回显答案 + 引用溯源回显，供端到端测试与演示。

    真实后端（#44 本地 70B / #45 云端 API / #58 GPU / #59 昇腾）继承本类后，
    只需覆盖 :meth:`infer` 的生成逻辑与 :meth:`health_check` 的探针实现即可；
    生命周期与能力声明已由本类 / 子类提供。
    """

    placeholder_prefix = "[占位]"

    def __init__(self, model_id: str, echo_context: bool = True) -> None:
        self._model_id = model_id
        self._loaded = False
        self._loaded_model_id: Optional[str] = None
        self.echo_context = echo_context

    # 生命周期
    def load_model(self, model_id: str) -> None:
        # 幂等：重复加载同一 model_id 视作成功；换模型也允许（演示用）。
        self._loaded = True
        self._loaded_model_id = model_id or self._model_id

    def infer(self, prompt: str,
              context: Optional[Sequence[str]] = None) -> InferResult:
        if not self._loaded:
            # 演示态允许惰性自加载，真实后端可改为 raise RuntimeError("未加载模型")
            self.load_model(self._model_id)
        ctx = list(context or [])
        head = f"{self.placeholder_prefix} {prompt[:40]}"
        refs = ""
        if self.echo_context:
            for src in ctx[:3]:
                refs += f"\n[来源: {src}]"
        return InferResult(
            text=head + refs,
            backend_name=self.name,
            model_id=self._loaded_model_id or self._model_id,
        )

    def health_check(self) -> BackendHealth:
        return BackendHealth(
            healthy=self._loaded,
            detail="loaded" if self._loaded else "not_loaded",
        )

    def unload(self) -> None:
        # 幂等：未加载也安全
        self._loaded = False
        self._loaded_model_id = None


class LocalBackend(_PlaceholderBackend):
    """本地 70B 后端占位实现：数据不出厂（敏感 / 核心走此通道）。

    子任务 #44 / #58 将替换 ``infer`` 为真实本地模型推理封装（vLLM/TGI/Triton）。
    """

    name = "local-70b"
    placeholder_prefix = "[本地70B占位]"

    def __init__(self, echo_context: bool = True,
                 model_id: str = "local-70b-base") -> None:
        super().__init__(model_id=model_id, echo_context=echo_context)

    @property
    def capabilities(self) -> BackendCapabilities:
        # 本地后端：出厂内闭环、可流式、单卡典型并发 8（演示默认值）
        return BackendCapabilities(
            streaming=True, max_concurrency=8, on_premises=True,
            modalities=("text",))


class CloudBackend(_PlaceholderBackend):
    """云端 API 后端占位实现：仅接收 DLP 放行的脱敏 / 通用内容。

    子任务 #45 将替换为 Qwen / DeepSeek API 接入 + 安全网关。
    """

    name = "cloud-api"
    placeholder_prefix = "[云端API占位]"

    def __init__(self, echo_context: bool = True,
                 model_id: str = "cloud-qwen-plus") -> None:
        super().__init__(model_id=model_id, echo_context=echo_context)

    @property
    def capabilities(self) -> BackendCapabilities:
        # 云端后端：数据出厂、支持流式、并发受厂商配额限制（演示默认 4）
        return BackendCapabilities(
            streaming=True, max_concurrency=4, on_premises=False,
            modalities=("text",))


# ---------------------------------------------------------------------------
# 后端注册表（配置驱动切换，对齐 PRD「切换后端 = 改适配层配置」）
# ---------------------------------------------------------------------------


def default_registry() -> Dict[str, type]:
    """默认后端注册表：name → 实现类。新增后端在此登记一行即可被配置选用。"""
    # 延迟导入避免循环依赖（gpu_backend 反向依赖本模块的抽象基类与值对象）
    from .gpu_backend import GpuTritonBackend  # noqa: WPS433（Issue #58）
    return {
        "local-70b": LocalBackend,
        "cloud-api": CloudBackend,
        "gpu-triton": GpuTritonBackend,
    }


def build_backend(name: str, **kwargs) -> InferenceBackend:
    """按 name 从默认注册表构造后端实例（配置驱动切换的入口）。

    未知 name 抛 ``ValueError``，列出已知项便于排错。
    """
    registry = default_registry()
    cls = registry.get(name)
    if cls is None:
        known = ", ".join(sorted(registry))
        raise ValueError(f"未知推理后端 {name!r}，已知: {known}")
    return cls(**kwargs)




# ---------------------------------------------------------------------------
# 真实后端实现（Issue #44 本地 70B / #45 云端 API，桥接到 #57 抽象契约）
# ---------------------------------------------------------------------------
import json as _json
import os as _os
import time as _time
import urllib.request as _urllib


class Local70BBackend(InferenceBackend):
    """本地 70B 推理后端（OpenAI 兼容 vLLM/TGI，参数化）—— issue #44。

    - 数据不出厂（PRD 5.4）：敏感/核心内容走本地后端；
    - 未配置 endpoint 时进入 dry-run 占位模式（端到端演示与联调）；
    - 已桥接 #57 契约：load_model / infer / health_check / unload 齐备。
    """

    name = "local-70b"

    def __init__(
        self,
        endpoint: str = "",
        model: str = "iaop-local-70b",
        timeout_seconds: float = 60.0,
        max_tokens: int = 1024,
        temperature: float = 0.1,
        echo_context: bool = True,
    ) -> None:
        self.endpoint = (endpoint or "").rstrip("/")
        self.model = model
        self.timeout = float(timeout_seconds)
        self.max_tokens = int(max_tokens)
        self.temperature = float(temperature)
        self.echo_context = echo_context
        self._loaded_model_id: Optional[str] = None

    # -- #57 契约 ------------------------------------------------------
    def load_model(self, model_id: str) -> None:
        self._loaded_model_id = model_id

    def infer(self, prompt: str,
              context: Optional[Sequence[str]] = None) -> InferResult:
        text = self.generate(prompt, context or ())
        return InferResult(
            text=text, backend_name=self.name, model_id=self.model)

    def health_check(self) -> BackendHealth:
        info = self.health()
        healthy = info.get("status") in ("ok", "dry-run", "configured")
        return BackendHealth(healthy=healthy,
                             detail=_json.dumps(info, ensure_ascii=False))

    def unload(self) -> None:
        self._loaded_model_id = None

    # -- 原 #44 实现 ----------------------------------------------------
    def generate(self, prompt: str, context: Sequence[str]) -> str:
        """根据 prompt 与 RAG 上下文生成回答。

        - 未配置 endpoint：dry-run 占位（回显 prompt 前 40 字符 + 来源引用）；
        - 已配置：调用本地 OpenAI 兼容服务（/v1/chat/completions）。
        """
        if not self.endpoint:
            return self._dry_run(prompt, context)

        payload = {
            "model": self.model,
            "messages": [
                {"role": "system", "content": self._system_prompt(context)},
                {"role": "user", "content": prompt},
            ],
            "max_tokens": self.max_tokens,
            "temperature": self.temperature,
        }
        body = self._post_json("/v1/chat/completions", payload)
        try:
            return body["choices"][0]["message"]["content"]
        except (KeyError, IndexError, TypeError):
            raise RuntimeError(
                f"本地推理服务响应格式异常: {str(body)[:200]}")

    def _system_prompt(self, context: Sequence[str]) -> str:
        refs = "\\n".join(f"- {c}" for c in (context or []))
        base = "你是工业 AI 助手。回答须基于给定资料并标注来源。"
        return f"{base}\\n参考资料：\\n{refs}" if refs else base

    def _dry_run(self, prompt: str, context: Sequence[str]) -> str:
        head = f"[本地70B占位] {prompt[:40]}"
        if self.echo_context:
            for i, src in enumerate(context[:3], 1):
                head += f"\\n[来源: {src}]"
        return head

    def _post_json(self, path: str, payload: dict) -> dict:
        url = self.endpoint + path
        data = _json.dumps(payload).encode("utf-8")
        req = _urllib.Request(
            url, data=data,
            headers={"Content-Type": "application/json"})
        with _urllib.urlopen(req, timeout=self.timeout) as resp:
            raw = resp.read().decode("utf-8")
        return _json.loads(raw) if raw else {}

    def health(self) -> dict:
        """后端健康信息（本地推理服务可探测 /health）。"""
        base = {
            "backend": self.name, "model": self.model,
            "endpoint": self.endpoint or "(dry-run)",
        }
        if not self.endpoint:
            base["status"] = "dry-run"
            return base
        try:
            started = _time.monotonic()
            with _urllib.urlopen(
                    self.endpoint + "/health", timeout=self.timeout) as resp:
                base["status"] = "ok" if resp.status == 200 else f"http-{resp.status}"
            base["latency_ms"] = round((_time.monotonic() - started) * 1000, 2)
        except Exception as exc:  # noqa: BLE001 - 健康探测失败仅记录
            base["status"] = f"error: {exc}"
        return base


class CloudApiBackend(InferenceBackend):
    """云端 API 推理后端（Qwen / DeepSeek 等 OpenAI 兼容）—— issue #45。

    **安全网关约束（PRD 5.4）**：
    - 仅接收 **DLP 放行**的脱敏/通用内容；
    - API Key 从**环境变量**读取（`api_key_env`），不硬编码、不落日志；
    - 可选 `safety_checker` 出站复查钩子（fail-closed：复查拒绝 → 拦截占位）。
    """

    name = "cloud-api"

    def __init__(
        self,
        endpoint: str = "",
        api_key_env: str = "",
        model: str = "deepseek-chat",
        timeout_seconds: float = 60.0,
        max_tokens: int = 1024,
        temperature: float = 0.1,
        safety_checker: Optional[Callable[[str], bool]] = None,
    ) -> None:
        self.endpoint = (endpoint or "").rstrip("/")
        self.api_key_env = api_key_env
        self.model = model
        self.timeout = float(timeout_seconds)
        self.max_tokens = int(max_tokens)
        self.temperature = float(temperature)
        self.safety_checker = safety_checker
        self._api_key = _os.environ.get(api_key_env, "") if api_key_env else ""
        self._loaded_model_id: Optional[str] = None

    # -- #57 契约 ------------------------------------------------------
    def load_model(self, model_id: str) -> None:
        self._loaded_model_id = model_id

    def infer(self, prompt: str,
              context: Optional[Sequence[str]] = None) -> InferResult:
        text = self.generate(prompt, context or ())
        return InferResult(
            text=text, backend_name=self.name, model_id=self.model)

    def health_check(self) -> BackendHealth:
        info = self.health()
        healthy = info.get("status") in ("ok", "dry-run", "configured")
        return BackendHealth(healthy=healthy,
                             detail=_json.dumps(info, ensure_ascii=False))

    def unload(self) -> None:
        self._loaded_model_id = None

    # -- 原 #45 实现 ----------------------------------------------------
    def generate(self, prompt: str, context: Sequence[str]) -> str:
        if self.safety_checker is not None and not self.safety_checker(prompt):
            return "[云端安全网关拦截] 出站复查未通过，已拦截（数据不出厂）。"

        if not self.endpoint:
            return self._dry_run(prompt, context)

        payload = {
            "model": self.model,
            "messages": [
                {"role": "system", "content": self._system_prompt(context)},
                {"role": "user", "content": prompt},
            ],
            "max_tokens": self.max_tokens,
            "temperature": self.temperature,
        }
        body = self._post_json("/v1/chat/completions", payload)
        try:
            return body["choices"][0]["message"]["content"]
        except (KeyError, IndexError, TypeError):
            raise RuntimeError(
                f"云端 API 响应格式异常: {str(body)[:200]}")

    def _system_prompt(self, context: Sequence[str]) -> str:
        refs = "\\n".join(f"- {c}" for c in (context or []))
        base = "你是工业 AI 助手。回答须基于给定资料并标注来源。"
        return f"{base}\\n参考资料：\\n{refs}" if refs else base

    def _dry_run(self, prompt: str, context: Sequence[str]) -> str:
        head = f"[云端API占位] {prompt[:40]}"
        for i, src in enumerate(context[:3], 1):
            head += f"\\n[来源: {src}]"
        if self.safety_checker is not None:
            head += "\\n[安全网关: 已复查放行]"
        return head

    def _post_json(self, path: str, payload: dict) -> dict:
        url = self.endpoint + path
        data = _json.dumps(payload).encode("utf-8")
        headers = {"Content-Type": "application/json"}
        if self._api_key:
            headers["Authorization"] = f"Bearer {self._api_key}"
        req = _urllib.Request(url, data=data, headers=headers)
        with _urllib.urlopen(req, timeout=self.timeout) as resp:
            raw = resp.read().decode("utf-8")
        return _json.loads(raw) if raw else {}

    def health(self) -> dict:
        """后端健康信息（含安全网关状态，不含密钥）。"""
        return {
            "backend": self.name, "model": self.model,
            "endpoint": self.endpoint or "(dry-run)",
            "api_key_configured": bool(self._api_key),
            "safety_checker": self.safety_checker is not None,
            "status": "dry-run" if not self.endpoint else "configured",
        }


__all__ = [
    "BackendCapabilities", "BackendHealth", "InferResult",
    "InferenceBackend", "LocalBackend", "CloudBackend",
    "Local70BBackend", "CloudApiBackend",
    "default_registry", "build_backend",
]