基于云計(jì)算的鐵路信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的研究

于正水

（濟(jì)南鐵路局 信息技術(shù)所，濟(jì)南 250001）

鐵路信息化經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)成為鐵路日常工作的重要支撐，各類(lèi)信息系統(tǒng)在運(yùn)輸組織、客貨營(yíng)銷(xiāo)、經(jīng)營(yíng)管理和安全監(jiān)控等工作中發(fā)揮的重要作用日益彰顯。為滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求，在運(yùn)輸站段、鐵路局、鐵道部都建立了各種等級(jí)的信息系統(tǒng)機(jī)房，并根據(jù)業(yè)務(wù)最大數(shù)據(jù)量及計(jì)算量的需求購(gòu)置了主機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備及相應(yīng)的平臺(tái)軟件等，為確保信息系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，主要系統(tǒng)大多數(shù)采用了主備機(jī)、單（或多）存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)。這些設(shè)備分布在鐵路局或站段機(jī)房。在運(yùn)營(yíng)實(shí)踐中，存在如下問(wèn)題：（1）基礎(chǔ)設(shè)施龐大，投資和維護(hù)成本需求不斷增加。（2）資源使用不均衡，資源利用率偏低。

鐵路的速度、運(yùn)量和服務(wù)質(zhì)量要求不斷提高，需要研究新的信息系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，整合既有資源，建設(shè)基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心，應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)，減少不斷高漲的信息系統(tǒng)投資和維護(hù)成本需求。

1 云計(jì)算

一般認(rèn)為，云計(jì)算是一種通過(guò)使計(jì)算分布在大量的分布式計(jì)算機(jī)上或遠(yuǎn)程服務(wù)器中、按照互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作模式將資源能夠切換到所需要的應(yīng)用上，并根據(jù)需求訪問(wèn)計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源共享模式。在這一共享模式中，“云”是指各種虛擬化的計(jì)算資源池，它包括各種用于構(gòu)造應(yīng)用程序的基礎(chǔ)設(shè)施，以及在這些基礎(chǔ)設(shè)施上的具體云計(jì)算應(yīng)用。

云計(jì)算體系架構(gòu)作為一種共享基礎(chǔ)架構(gòu)方法，雖然有不同的表述，但在本質(zhì)上都是將計(jì)算動(dòng)態(tài)分布到集群計(jì)算機(jī)上，根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展和應(yīng)用使用情況對(duì)軟硬件資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)配，實(shí)現(xiàn)按需訪問(wèn)，并對(duì)內(nèi)對(duì)外提供各種IT服務(wù)。云計(jì)算由分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算等技術(shù)發(fā)展而來(lái)，并融合了虛擬化和SOA等技術(shù)。

根據(jù)云計(jì)算運(yùn)行模式可以將其分為私有云和公有云。公有云計(jì)算部署在服務(wù)提供商的環(huán)境中，為不同的客戶(hù)同時(shí)提供計(jì)算服務(wù)。私有云計(jì)算部署在用戶(hù)環(huán)境當(dāng)中、并只為用戶(hù)提供計(jì)算存儲(chǔ)服務(wù)，企業(yè)擁有資源分配的自主權(quán)，并且可以基于自己的需求改進(jìn)服務(wù)，進(jìn)行自主創(chuàng)新。大企業(yè)可以開(kāi)發(fā)自己的私有云計(jì)算，既享受云計(jì)算的高伸縮、易維護(hù)和易訪問(wèn)等好處，也可以保證數(shù)據(jù)安全。

云計(jì)算系統(tǒng)可以根據(jù)它提供服務(wù)的層次進(jìn)行分類(lèi)，主要有提供基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)、提供平臺(tái)層服務(wù)和提供應(yīng)用軟件層服務(wù)的系統(tǒng)。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)。基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施也可以作為一種服務(wù)向用戶(hù)提供，不僅包括虛擬化的計(jì)算資源和存儲(chǔ)，同時(shí)還要保證用戶(hù)訪問(wèn)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)帶寬等。這也是硬件產(chǎn)品提供商推薦的云計(jì)算模式。

（2）平臺(tái)層服務(wù)。在基礎(chǔ)設(shè)施之上的平臺(tái)層主要包括并行程序設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)環(huán)境、結(jié)構(gòu)化海量數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)管理系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)分布式文件系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的其他系統(tǒng)管理工具，如云計(jì)算的系統(tǒng)中資源的部署、分配、監(jiān)控管理、安全管理和分布式并發(fā)控制等。平臺(tái)層主要為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)者不用擔(dān)心應(yīng)用運(yùn)行時(shí)所需要的資源，平臺(tái)層提供應(yīng)用程序運(yùn)行及維護(hù)所需要的一切平臺(tái)資源。Google App Engine云計(jì)算服務(wù)、Amazon云計(jì)算平臺(tái)等屬于這樣的平臺(tái)。平臺(tái)層服務(wù)技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較高，仍處于不斷發(fā)展中。

（3）應(yīng)用層服務(wù)。它是面向用戶(hù)提供簡(jiǎn)單的軟件應(yīng)用服務(wù)以及用戶(hù)交互接口等，用戶(hù)無(wú)需購(gòu)買(mǎi)和管理服務(wù)器端軟件，稱(chēng)為軟件即服務(wù)。對(duì)于傳統(tǒng)的軟件，應(yīng)用層服務(wù)解決方案有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括較低的前期成本，便于維護(hù)，快速展開(kāi)使用等。應(yīng)用層服務(wù)的底層可以基于基礎(chǔ)設(shè)施層或平臺(tái)層。

2 基于云計(jì)算的鐵路信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施層整合資源

在基礎(chǔ)設(shè)施層整合資源，既有的應(yīng)用系統(tǒng)軟件可以簡(jiǎn)單地移植到新的環(huán)境中。虛擬化是云架構(gòu)的一種基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)技術(shù)，它允許將服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和其他硬件視為一個(gè)資源池，而不是離散系統(tǒng)，可以根據(jù)需要分配這些資源，通過(guò)快速提供虛擬機(jī)器或物理機(jī)器，迅速部署和增加工作負(fù)載。除服務(wù)器和存儲(chǔ)整合之外，還提供整合系統(tǒng)架構(gòu)，包括應(yīng)用程序基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)、接口、網(wǎng)絡(luò)、桌面系統(tǒng)甚至業(yè)務(wù)流程。

目前鐵路信息系統(tǒng)主機(jī)一般包括小（中）型機(jī)和微機(jī)服務(wù)器兩種，在目前的技術(shù)條件下，小型機(jī)和微機(jī)服務(wù)器的虛擬化是不同的，小型機(jī)如IBMP595只能在單臺(tái)機(jī)器上完成資源的聚合和分拆，不能跨多臺(tái)IBMP595完成這樣的資源整合，各種類(lèi)型的小型機(jī)虛擬化方面沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)小型機(jī)利用率情況，采用廠商提供的虛擬化和集群技術(shù)整合資源。而微機(jī)服務(wù)器在虛擬化方面比較成熟，支持跨廠商、跨機(jī)型的虛擬化整合。微機(jī)服務(wù)器應(yīng)盡量選用高端成熟產(chǎn)品，而已出保的低端服務(wù)器在考慮總體擁有成本情況下應(yīng)停止使用。原有資源調(diào)配對(duì)象為微機(jī)服務(wù)器，完成后需要進(jìn)行系統(tǒng)安裝部署；實(shí)現(xiàn)微機(jī)服務(wù)器虛擬化后，調(diào)配的對(duì)象為虛擬機(jī)，可以在調(diào)配過(guò)程中直接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速安裝和部署。通過(guò)虛擬化技術(shù)使企業(yè)內(nèi)部已擁有的微機(jī)服務(wù)器資源實(shí)現(xiàn)池化共享，通過(guò)IT資源共享和動(dòng)態(tài)分配，使閑置資源得以充分利用，從而提高資源利用率。在虛擬化之前，企業(yè)數(shù)據(jù)中心的微機(jī)服務(wù)器和存儲(chǔ)利用率一般平均不到50%（實(shí)際利用率通常為10%～15%，一主一備）。通過(guò)虛擬化，可以把工作負(fù)載封裝一并轉(zhuǎn)移到空閑或使用不足的系統(tǒng)，這就可以整合現(xiàn)有系統(tǒng)，因而可延遲或避免購(gòu)買(mǎi)更多服務(wù)器容量。

基于虛擬化的資源整合后，特別是微機(jī)服務(wù)器虛擬化后，可以大幅度提高資源可靠性，通過(guò)減少服務(wù)器數(shù)量可以減少動(dòng)力電力、耗能以及數(shù)據(jù)中心機(jī)房空間?？梢詫⒏嗟膽?yīng)用（包括以前使用小型機(jī)的項(xiàng)目）移植到虛擬化的資源池中，降低投資和維護(hù)成本，提高運(yùn)行可靠性。當(dāng)然，管好這些資源是非常重要的，管不好可能造成巨大損失。

2.2 平臺(tái)層整合資源

在平臺(tái)層整合資源，需要建立新的軟件平臺(tái)，技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較高，既有的應(yīng)用系統(tǒng)移植難度較大，在開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用系統(tǒng)或升級(jí)既有的系統(tǒng)時(shí)可以采用這種方式。IBM的藍(lán)云計(jì)算平臺(tái)是可供銷(xiāo)售的計(jì)算平臺(tái)，用戶(hù)可以基于這些軟硬件產(chǎn)品自己構(gòu)建云計(jì)算平臺(tái)。Google云計(jì)算平臺(tái)基于一整套分布式并行集群方式的基礎(chǔ)架構(gòu)。其他廠商還有不少各具特色的計(jì)算平臺(tái)。下面結(jié)合Google云計(jì)算平臺(tái)來(lái)說(shuō)明在平臺(tái)層整合資源的重點(diǎn)。

2.2.1 分布式文件系統(tǒng)

分布式文件系統(tǒng)具有可伸縮性、可靠性以及可用性等特點(diǎn)，該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)文件拆分成不同的數(shù)據(jù)塊或作為一完整的數(shù)據(jù)塊，這些數(shù)據(jù)塊將作為存儲(chǔ)基本單元，存放在文件數(shù)據(jù)塊節(jié)點(diǎn)。為了容災(zāi)等目的，每份數(shù)據(jù)塊被存儲(chǔ)在不同的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。Google云計(jì)算平臺(tái)采用了其獨(dú)有的分布式文件系統(tǒng)GFS，每份數(shù)據(jù)塊被存儲(chǔ)在至少3個(gè)不同的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，部署了許多GFS集群，有的集群擁有超過(guò)1 000個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，超過(guò)300 T的硬盤(pán)空間，被不同機(jī)器上的數(shù)百個(gè)客戶(hù)端連續(xù)不斷地頻繁訪問(wèn)。

2.2.2 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)

分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)包含分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，一個(gè)應(yīng)用程序可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行透明操作。一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)在邏輯上是一個(gè)統(tǒng)一的整體，在物理上則是分別存儲(chǔ)在不同的物理節(jié)點(diǎn)上。一個(gè)應(yīng)用程序通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的連接可以訪問(wèn)分布在不同地理位置的數(shù)據(jù)庫(kù)。它的分布性表現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)不是存儲(chǔ)在同一場(chǎng)地。 更確切地講，不存儲(chǔ)在同一計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備上。Google云計(jì)算平臺(tái)采用了分布式的大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)BigTable，能夠處理格式化和非格式化數(shù)據(jù)。

2.2.3 分布式編程

分布式模型計(jì)算過(guò)程是將待處理的數(shù)據(jù)集分解為小的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集分布在集群的一個(gè)節(jié)點(diǎn)處理并生成中間結(jié)果；這些中間結(jié)果又由大量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，形成最終結(jié)果。Google構(gòu)造Map-Reduce編程規(guī)范來(lái)簡(jiǎn)化分布式系統(tǒng)的編程。應(yīng)用程序編寫(xiě)人員只需將精力放在應(yīng)用程序本身，而關(guān)于集群的處理問(wèn)題，包括可靠性和可擴(kuò)展性，則交由平臺(tái)來(lái)處理。MapReduce通過(guò)“Map（映射）”和“Reduce（化簡(jiǎn)）”這樣兩個(gè)簡(jiǎn)單的概念來(lái)構(gòu)成運(yùn)算基本單元，用戶(hù)只需提供自己的Map函數(shù)以及Reduce函數(shù)即可并行處理海量數(shù)據(jù)。

2.3 應(yīng)用層整合資源

應(yīng)用服務(wù)（SaaS，軟件即服務(wù)）業(yè)務(wù)，基于互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)運(yùn)營(yíng)歷史悠久，也是技術(shù)發(fā)展非常成熟的云計(jì)算業(yè)務(wù)?？梢栽阼F路信息系統(tǒng)應(yīng)用層面實(shí)現(xiàn)資源整合，許多站段的管理應(yīng)用軟件功能基本相同，如各專(zhuān)業(yè)日常管理軟件、辦公管理軟件、電子郵件等。每個(gè)站段都安裝管理服務(wù)器端軟件，既要配置更多的軟硬件資源，又對(duì)技術(shù)能力有更多的要求。可以把這些軟件安裝在鐵路局的基礎(chǔ)設(shè)施“云”，實(shí)行專(zhuān)業(yè)化管理，站段只要“享用”這些服務(wù)就可以了?？梢圆捎肧OA技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)就是Web Service技術(shù)。SOA是一種IT架構(gòu)，通過(guò)把任務(wù)和軟件功能封裝為能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的一組相互連接的服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)軟件功能的柔性組合，為云平臺(tái)應(yīng)用軟件功能服務(wù)化提供了可行的方案。應(yīng)用層整合資源對(duì)于降低投資成本、便于維護(hù)和快速部署使用也是非常重要的。

2.4 網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載均衡

網(wǎng)絡(luò)是云計(jì)算的環(huán)境基礎(chǔ)，云計(jì)算會(huì)使網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)急劇增長(zhǎng)，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和可靠性提出了更高的要求。目前的鐵路信息網(wǎng)絡(luò)狀況無(wú)法滿(mǎn)足這樣的要求，必須優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布局、提高主干網(wǎng)絡(luò)速度和增加網(wǎng)絡(luò)冗余，避免出現(xiàn)單點(diǎn)故障。

負(fù)載均衡技術(shù)通過(guò)虛擬IP地址把多個(gè)服務(wù)器和服務(wù)組合起來(lái)，根據(jù)資源情況調(diào)度服務(wù)器和服務(wù)。負(fù)載均衡技術(shù)對(duì)于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心也很重要。

3 結(jié)束語(yǔ)

建設(shè)鐵路云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，需要在戰(zhàn)略上作出決策。應(yīng)采用目前比較成熟的技術(shù)，從建立虛擬化的基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用服務(wù)共享云入手，整合資源，提高信息系統(tǒng)可靠性，降低不斷高漲的信息系統(tǒng)投資和維護(hù)成本需求，更好地為鐵路運(yùn)輸服務(wù)。進(jìn)一步在建立鐵路云計(jì)算平臺(tái)服務(wù)方面開(kāi)展研究，培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才，使基于云計(jì)算的鐵路信息系統(tǒng)成為鐵路運(yùn)輸組織智能化、客貨營(yíng)銷(xiāo)市場(chǎng)化和經(jīng)營(yíng)管理現(xiàn)代化的有力支撐，并成為鐵路參與運(yùn)輸市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。

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