基于虛擬化技術(shù)的民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

劉韜+張英華

摘 要：虛擬化技術(shù)于20世紀(jì)70年代開始在IBM System 370等大型主機(jī)上應(yīng)用。通過將硬件層抽象化，減少物理資源的管理，虛擬化技術(shù)把應(yīng)用、數(shù)據(jù)和物理系統(tǒng)分隔開，從而增加了靈活性，使得物理資源可以更好地配合工作負(fù)載和數(shù)據(jù)要求。虛擬化技術(shù)有著如提高資源利用率、執(zhí)行效率以及數(shù)據(jù)中心敏捷性等等好處，但它在提供強(qiáng)大功能的同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，無論何種虛擬化技術(shù)都會帶來一定的系統(tǒng)開支，必定會降低整個(gè)虛擬化系統(tǒng)的性能。在己經(jīng)產(chǎn)生數(shù)十種虛擬化技術(shù)的今天，如何評測虛擬計(jì)算系統(tǒng)的性能表現(xiàn)成為一個(gè)越來越重要的問題。相對而言，針對虛擬計(jì)算系統(tǒng)性能評測的理論與方法，相關(guān)的研究剛剛起步，目前這方面的系統(tǒng)理論與方法還不成熟和完善，國內(nèi)的研究水平與世界水平還有著較大的差距。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國氣象事業(yè)也取得了較大的進(jìn)展，國家氣象局與民用航空氣象部門分別建成了各自的氣象資料傳輸網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)虛擬化氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)也分別建立。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；計(jì)算機(jī)；航空航天

1 服務(wù)器虛擬化技術(shù)介紹

在計(jì)算機(jī)中，虛擬化（英語：Virtualization）是一種資源管理技術(shù)，是將計(jì)算機(jī)的各種實(shí)體資源，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存及存儲等，予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來，打破實(shí)體結(jié)構(gòu)間的不可切割的障礙，使用戶可以比原本的組態(tài)更好的方式來應(yīng)用這些資源。這些資源的新虛擬部份是不受現(xiàn)有資源的架設(shè)方式，地域或物理組態(tài)所限制。一般所指的虛擬化資源包括計(jì)算能力和資料存儲。

在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，虛擬化技術(shù)主要用來解決高性能的物理硬件產(chǎn)能過剩和老的舊的硬件產(chǎn)能過低的重組重用，透明化底層物理硬件，從而最大化的利用物理硬件。目前非常熱門的Virtualization虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用其實(shí)已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了，在早期，這個(gè)技術(shù)主要應(yīng)用在服務(wù)器以及大型主機(jī)上面，隨著PC性能的不斷增長，Virtualization也開始逐漸在x86架構(gòu)上流行起來。虛擬化可以將IT環(huán)境改造成為更加強(qiáng)大、更具彈性、更富有活力的架構(gòu)。通過把多個(gè)操作系統(tǒng)整合到一臺高性能服務(wù)器上，最大化利用硬件平臺的所有資源，用更少的投入實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用，還可以簡化IT架構(gòu)，降低管理資源的難度，避免IT架構(gòu)的非必要擴(kuò)張。客戶虛擬機(jī)的真正硬件無關(guān)性還可以實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的運(yùn)行時(shí)遷移，可以實(shí)現(xiàn)真正的不間斷運(yùn)行，從而最大化保持業(yè)務(wù)的持續(xù)性，而不用為購買超高可用性平臺而付出高昂的代價(jià)。

2 民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)介紹

民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分為氣象資料處理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)。

2.1 氣象資料處理子系統(tǒng)：資料處理子系統(tǒng)共有12個(gè)進(jìn)程，氣象資料處理子系統(tǒng)對服務(wù)器data目錄下接收到的氣象信息進(jìn)行分析分解，質(zhì)量控制后入庫?？商幚淼臍庀笮畔ǎ好窈綒庀髨?bào)文、自動觀測系統(tǒng)（AWOS）、衛(wèi)星云圖資料以及雷達(dá)資料等。

2.2 數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式，可對資料處理、數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，預(yù)報(bào)平臺和服務(wù)平臺則可通過獲取Oracle數(shù)據(jù)庫中的氣象資料，以不同的形式展現(xiàn)給用戶。數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)主要側(cè)重于對數(shù)據(jù)庫中氣象資料的管理。主要功能有系統(tǒng)登錄、資料處理、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)庫恢復(fù)、日志和統(tǒng)計(jì)、用戶管理、進(jìn)程管理、系統(tǒng)配置等。其告警功能可對資料處理子系統(tǒng)的運(yùn)行異常、服務(wù)器端運(yùn)行異常、監(jiān)控進(jìn)程運(yùn)行異常、數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行異常以及資料處理中的特殊情況進(jìn)行告警。

3 民航云南空管分局氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的硬件組成

由兩臺IBM服務(wù)器（型號：P520）組成，服務(wù)器運(yùn)行的操作系統(tǒng)是AIX5.3。其中一臺服務(wù)器為主用服務(wù)器，另外一臺為備份服務(wù)器。

4 應(yīng)用設(shè)計(jì)的必要性

民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)維護(hù)人員針對中國民航航空氣象數(shù)據(jù)庫及傳真廣播應(yīng)用系統(tǒng)存在的問題所作的一些拓展和改進(jìn)工作實(shí)例，然而從側(cè)面我們可以看出，系統(tǒng)維護(hù)人員所作的這些工作只是一些個(gè)體的優(yōu)化和補(bǔ)充，不能形成系統(tǒng)全面的、廣闊覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)體系，另一方面隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及航空氣象技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)民用航空氣象用戶也不斷增多，民航航空氣象數(shù)據(jù)庫及傳真廣播應(yīng)用系統(tǒng)的弊端和缺點(diǎn)開始不斷顯現(xiàn)出來，歸納起來主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）隨著客戶端數(shù)目的不斷增加，服務(wù)器承受很大的壓力，整個(gè)系統(tǒng)的性能將大幅下降。另一方面各地區(qū)民航氣象部門投入了大量的人力和物力來開發(fā)、維護(hù)和升級各種客戶端服務(wù)軟件以滿足不同客戶的不同需求，而靠原來那種個(gè)體的優(yōu)化和補(bǔ)充顯然是不現(xiàn)實(shí)的；（2）在以前用戶可以到后臺數(shù)據(jù)庫來訪問數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，以及用戶數(shù)量的不斷增加，使得這種訪問方式的安全隱患不斷凸顯出來，系統(tǒng)及信息的安全變得至關(guān)重要，相應(yīng)的維護(hù)工作也會變得困難重重。

針對上述目前對于民航氣象資料的需求量在逐年增加，客服端數(shù)量增長很快，而如今民航云南空管分局的民航氣象數(shù)據(jù)庫中運(yùn)行的只有兩臺IBM服務(wù)器，故而存在的服務(wù)器承載壓力過大。因此需要在現(xiàn)有的兩臺服務(wù)器上應(yīng)用虛擬化技術(shù)，最大化利用硬件平臺的所有資源，用更少的投入實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用，還可以簡化IT架構(gòu)，降低管理資源的難度，避免IT架構(gòu)的非必要擴(kuò)張?？蛻籼摂M機(jī)的真正硬件無關(guān)性還可以實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的運(yùn)行時(shí)遷移，可以實(shí)現(xiàn)真正的不間斷運(yùn)行，從而最大化保持業(yè)務(wù)的持續(xù)性，而不用為購買超高可用性服務(wù)器而付出高昂的代價(jià)。

5 具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)

5.1 航空氣象報(bào)文資料數(shù)據(jù)處理程序

如圖所示：航空氣象報(bào)文資料數(shù)據(jù)處理程序程序由“報(bào)文數(shù)據(jù)處理接口模塊”、“公報(bào)處理模塊”、“報(bào)告要素處理模塊”、“質(zhì)量控制模塊”、“數(shù)據(jù)庫入庫模塊”組成。其中除“報(bào)文數(shù)據(jù)處理接口模塊”外，都是由一組程序組成。例如公報(bào)處理模塊，由于有多種不同的公報(bào)格式，對應(yīng)每一種公報(bào)就有相應(yīng)的公報(bào)處理程序。

航空氣象報(bào)文資料數(shù)據(jù)處理程序長駐內(nèi)存，為可重入程序。一經(jīng)啟動，虛擬化系統(tǒng)可按控制參數(shù)的設(shè)定定時(shí)掃描通信接口目錄，如果發(fā)現(xiàn)有報(bào)文文件就讀入報(bào)文，分離一份公報(bào)，調(diào)用與之相應(yīng)的處理程序，對一份公報(bào)處理完成后繼續(xù)下一個(gè)公報(bào)，直到該報(bào)文文件處理完成，將該文件從通信接口目錄中刪除，轉(zhuǎn)入垃圾備份目錄，然后處理下一個(gè)報(bào)文文件。endprint

為了有效解決機(jī)場信息系統(tǒng)所面臨的難題，本文擬采用兩臺IBM服務(wù)器虛擬平臺軟件的服務(wù)器虛擬化整合解決方案。（如表1）

民航信息系統(tǒng)解決方案主要由兩臺IBM服務(wù)器構(gòu)成信息系統(tǒng)的資源池，可有效避免服務(wù)器出現(xiàn)硬件故障時(shí)，只有1臺服務(wù)器提供服務(wù)，導(dǎo)致資源負(fù)荷過度集中而形成性能瓶頸；通過1臺低端獨(dú)立的PC服務(wù)器安裝v Center完成資源池的集中管理；本方案不需要獨(dú)立的磁盤陣列，系統(tǒng)中需要的共享存儲由V M ware的專為中小企業(yè)打造的VSA組件、利用服務(wù)器的本地存儲來實(shí)現(xiàn)；針對集群HA問題，可通過使用V M ware v Sphere自身擁有的HA功能解決，在硬件平臺級別，不需要額外的HA軟件。

方案分析：

資源利用率提升情況：采用兩臺IBM服務(wù)器虛擬平臺軟件的服務(wù)器虛擬化整合解決方案后，各類資源的利用率明顯提升。同時(shí)，機(jī)房設(shè)備采用量減少，包括數(shù)據(jù)中心機(jī)房空間、機(jī)柜數(shù)量、交換機(jī)端口及網(wǎng)線數(shù)量、耗電量、空調(diào)和人力成本，實(shí)現(xiàn)綠色機(jī)房、節(jié)能減排的目標(biāo)。

模板功能提升系統(tǒng)的可維護(hù)性：模板功能可通過向虛擬化平臺申請所需的硬件資源，安裝操作系統(tǒng)后，完成配置數(shù)據(jù)庫管理軟件和應(yīng)用服務(wù)器，驗(yàn)證確保應(yīng)用成功運(yùn)行后，利用克隆功能把所有的IBM制作為模板，放入模板倉庫中。后期部署則直接通過VM模板完成部署，簡化了現(xiàn)場安裝部署工作復(fù)雜程度，縮短應(yīng)用上線時(shí)間，簡化了系統(tǒng)維護(hù)的難度。

系統(tǒng)的高穩(wěn)定性：方案通過V M ware v Sphere的HA及VSA，可以實(shí)現(xiàn)可靠的運(yùn)行環(huán)境，任何一臺服務(wù)器的失敗，V M ware v Sphere虛擬化平臺都可以自動發(fā)現(xiàn)，并把失敗的服務(wù)器從可用服務(wù)器列表中剔除，從而保證任意時(shí)間用戶請求的計(jì)算資源都是建立的可用的服務(wù)器之上。同時(shí)，通過功能，還可以保證失敗的虛擬機(jī)計(jì)算資源可以自動遷移到其他可用的服務(wù)器上。

5.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)庫目錄結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫表和字典組成。

5.2.1 數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)表根據(jù)存取的時(shí)間和種類不同有不同的表結(jié)構(gòu)。如：公報(bào)表，報(bào)告表，要素表和圖形圖象表等，在如有實(shí)時(shí)庫表，歷史庫表和反演庫庫表。

5.2.2 數(shù)據(jù)字典

數(shù)據(jù)字典是對數(shù)據(jù)的說明。這種說明數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)也稱為元數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)字典存放在目錄字典目錄中，數(shù)據(jù)庫建立是由應(yīng)用程序讀出在數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)字典表。如控制字典表，清除字典表和區(qū)站號字典表。

5.2.3 數(shù)據(jù)庫目錄結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫目錄結(jié)構(gòu)中由四部分組成，執(zhí)行程序目錄；源程序目錄；字典目錄；數(shù)據(jù)工作目錄。對于數(shù)據(jù)目錄中又分四個(gè)子目錄分別為：口志文件存放目錄；監(jiān)控信息文件存放目錄；存檔備份文件目錄；通信與數(shù)據(jù)庫接口目錄。不同的目錄中存放不同的文件。

5.3 程序結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)下分為三個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)生成子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)檢索應(yīng)用子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理子系統(tǒng)。

5.3.1 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)生成子系統(tǒng)的作用是將從通信系統(tǒng)收集到的氣象資料進(jìn)行收集、處理、存儲歸檔作用。按氣象資料類型分類主要由氣象報(bào)文的處理儲存、航空報(bào)文的處理儲存、圖形圖像及各點(diǎn)資料處理儲存三部分程序組成，分別包括地面和探空實(shí)況資料處理模塊、口常航空報(bào)文處理模塊、數(shù)值預(yù)報(bào)格點(diǎn)資料處理模塊、雷達(dá)和衛(wèi)星云圖圖像資料處理模塊等各類常規(guī)數(shù)據(jù)處理模塊，其分類歸檔主要是依靠文件的命名規(guī)則實(shí)現(xiàn)。

5.3.2 數(shù)據(jù)庫檢索應(yīng)用子系統(tǒng)的使用對象是用戶，其作用是為氣象預(yù)報(bào)人員和航空氣象用戶提供各機(jī)場實(shí)況報(bào)文、預(yù)報(bào)、圖像圖形產(chǎn)品、重要?dú)庀笮畔⒌蓉S富的氣象產(chǎn)品。數(shù)據(jù)庫檢索應(yīng)用子系統(tǒng)由：程序檢索調(diào)用接口函數(shù)、圖形界面用戶管理程序組成。

5.3.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理子系統(tǒng)主要面向系統(tǒng)管理員或維護(hù)人員，包括數(shù)據(jù)存檔/恢復(fù)程序、數(shù)據(jù)自動/手動清除、數(shù)據(jù)庫管理程序、數(shù)據(jù)庫監(jiān)視信息采集程序構(gòu)成。包括數(shù)據(jù)存檔模塊、存檔數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊、數(shù)據(jù)庫手動清除模塊、數(shù)據(jù)庫自動清除模塊、元數(shù)據(jù)加載模塊、數(shù)據(jù)表生成模塊、字典數(shù)據(jù)載入模塊、數(shù)據(jù)庫進(jìn)程信息采集模塊、數(shù)據(jù)庫口志信息采集模塊、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息采集模塊等。

5.4 系統(tǒng)功能設(shè)置

（1）庫生成功能是指從將通信系統(tǒng)或其它加工系統(tǒng)獲取的氣象資料進(jìn)行格式檢測和轉(zhuǎn)換，然后按數(shù)據(jù)庫所設(shè)計(jì)的格式寫入庫中。民航氣象數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)獲取資料方式主要通過通信分系統(tǒng)獲得，通信分系統(tǒng)將收到的數(shù)據(jù)分門別類存放在指定的接口目錄，然后由數(shù)據(jù)庫處理程序讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理入庫，另外系統(tǒng)庫生成功能還可以通過分布式恢復(fù)功能和存檔功能分別從其它的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中和存檔文件中生成數(shù)據(jù)。

（2）質(zhì)量控制功能主要是針對實(shí)況觀測資料而言的。從氣象數(shù)據(jù)特點(diǎn)來看民航氣象數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)需要對實(shí)況觀測進(jìn)行兩個(gè)方面的檢測：一是對各種實(shí)況觀測資料編碼格式進(jìn)行檢測，檢測項(xiàng)目包括觀測資料種類標(biāo)志檢測、臺站號檢測、經(jīng)緯度檢測、組指示碼檢測及數(shù)字字母變換檢測等等，在檢測的同時(shí)，對于不符合格式規(guī)定但又在業(yè)務(wù)允許范圍內(nèi)的錯(cuò)，則需要按預(yù)定的原則自動訂正，而對于不能訂正的則將其相應(yīng)的要素作缺測值處理，如果是特別嚴(yán)重錯(cuò)誤致使系統(tǒng)無法進(jìn)行修訂的報(bào)文則需要將整份報(bào)告舍棄。另外一方面是需要對部分氣象要素值的物理意義進(jìn)行質(zhì)量控制，比如氣溫的值范圍應(yīng)該在常理范圍內(nèi)等，因此檢測內(nèi)容需要有要素極值檢測、要素值和時(shí)間一致性檢測等。

（3）為了維持庫生成程序的正常運(yùn)行，民航氣象數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)需要檢測由于資料異常問題而出現(xiàn)的庫生成程序的中斷或死循環(huán)，并設(shè)法跳過該異常資料的處理進(jìn)程。

（4）針對不同的用戶民航氣象數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)需要有不同的方式提供檢索服務(wù)功能。針對數(shù)據(jù)庫維護(hù)人員可以采用程序調(diào)用方式，即通過接口提交參數(shù)從而獲得所需資料；而針對資料使用人員（航空氣象用戶和氣象預(yù)報(bào)人員）則需要采取分布式的檢索方式，用戶必須首先通過授權(quán)，然后通過系統(tǒng)界面查詢檢索到分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的任意節(jié)點(diǎn)庫數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

過去幾年來，基于軟件的虛擬化技術(shù)在民航系統(tǒng)上迅猛發(fā)展，更強(qiáng)大的功能和更簡單的管理使得虛擬化己經(jīng)成為橫向擴(kuò)展硬件資源共享的一項(xiàng)重要技術(shù)，邁漸走向成熟和普及。虛擬化技術(shù)若要實(shí)現(xiàn)其全部潛能并拓寬其應(yīng)用范圍，必須與硬件實(shí)現(xiàn)更緊密的結(jié)合。隨著技術(shù)的純熟，硬件輔助的虛擬化技術(shù)，虛擬仕技術(shù)投入實(shí)用的成本和復(fù)雜性大幅降低，虛擬化技術(shù)的發(fā)展也從此進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代，正朝著更強(qiáng)大、更高效、更可靠、更靈活的方向邁進(jìn)。隨著民用航空運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，各國對民航業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)的投入也不斷加大，先后有美國和歐洲在空管運(yùn)行上提出了發(fā)展規(guī)劃，同時(shí)也為我國民航事業(yè)的發(fā)展特別是空管運(yùn)行方面提供了借鑒的思路，在各國的運(yùn)行發(fā)展規(guī)劃虛擬化航空氣象系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行能力的增強(qiáng)是其發(fā)展的重點(diǎn)，而虛擬化數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的建立也正好是民航氣象業(yè)務(wù)運(yùn)行不斷發(fā)展的一個(gè)體現(xiàn)。

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