李金香， 周 文， 劉 軍， 溫少妍， 張琳琳， 郭 寅

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局， 新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

隨著21 世紀(jì)信息技術(shù)的高速發(fā)展以及信息化進程的不斷深入， 由系統(tǒng)軟件、 支撐軟件和應(yīng)用軟件組成的大型軟件系統(tǒng)在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用， 服務(wù)器的數(shù)量也不斷上升，IT 資源基礎(chǔ)構(gòu)架日益增長的復(fù)雜性和不斷變化的應(yīng)用使得軟件系統(tǒng)功能大幅提升， 但系統(tǒng)軟件平臺的穩(wěn)定性卻逐漸下降。 整體的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及編程的細(xì)節(jié)都是影響軟件穩(wěn)定性的因素， 正所謂“千里之堤， 潰于蟻穴”， 一旦考慮不周， 會造成整體軟件系統(tǒng)的崩潰。 軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性提升方法研究是計算機科研人員及系統(tǒng)應(yīng)用人員的重要研究方向。 同時隨著業(yè)務(wù)的擴展和功能的增加， 機房中放置了不同時期采購的不同的基礎(chǔ)設(shè)施， 而系統(tǒng)各功能的實現(xiàn)往往采用單獨的服務(wù)器部署， 一旦服務(wù)器出現(xiàn)問題也會導(dǎo)致應(yīng)用癱瘓； 同時服務(wù)器的利用率也不高， 大量利用率很低的獨立服務(wù)器造成了資源閑置， 卻又無法投入其他應(yīng)用。服務(wù)器數(shù)量日益增加， 導(dǎo)致故障節(jié)點比較多， 機房每年所支付的電費和維護成本也急速上升， 電力和冷卻問題也逐步成為阻擾機房持續(xù)發(fā)展的一大障礙， 如何提高服務(wù)器的利用率、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、 合理配置軟硬件資源以及如何有效節(jié)能、 構(gòu)建綠色機房等是大型系統(tǒng)軟件平臺開發(fā)者和應(yīng)用者亟需解決的問題。

虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)是計算機技術(shù)的又一次創(chuàng)新， 虛擬化技術(shù)由來已久， 早在上世紀(jì)60年代， 美國就開始了虛擬技術(shù)的研究， 進而應(yīng)用于商業(yè)市場， 微軟、 VMware 等軟件巨頭的虛擬化軟件的推出， 促進了虛擬技術(shù)的推廣應(yīng)用[1]。 虛擬機(VirtualMachine) 指通過軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、 運行在一個完全隔離環(huán)境中的完整計算機系統(tǒng)[2]。 虛擬機軟件不需要重新開機， 就能在同一臺電腦使用多個操作系統(tǒng)， 不但方便， 而且安全[3]。 在虛擬系統(tǒng)崩潰之后可直接刪除， 不影響本機系統(tǒng)， 同樣本機系統(tǒng)崩潰后也不影響虛擬系統(tǒng)， 可以下次重裝后再加入以前的虛擬系統(tǒng)[4]。

虛擬系統(tǒng)有著強大的網(wǎng)絡(luò)支持功能， 并且具有提高計算機資源利用率、 降低總體擁有成本、 系統(tǒng)環(huán)境隔離、 服務(wù)器整合、 快速、 動態(tài)的業(yè)務(wù)調(diào)度、 資源動態(tài)分配、 零宕機遷移、災(zāi)備和快速恢復(fù)、 維持老系統(tǒng)業(yè)務(wù)持續(xù)運行等多種優(yōu)點。 目前虛擬化技術(shù)在金融業(yè)、 制造業(yè)、 政府部門、 科研領(lǐng)域、 高校、 計算中心以及眾多中小企業(yè)的IT 部署中均得到了廣泛應(yīng)用。 沈奎林等[5]基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建圖書館云服務(wù)平臺， 包敬海等[6]進行了基于虛擬機的輕量級醫(yī)療診斷系統(tǒng)的應(yīng)用研究； 蔣煒超等[7]進行了虛擬化技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用研究， 楊斌[8、9]將地震應(yīng)急虛擬系統(tǒng)與原始系統(tǒng)的資源利用率進行了對比， 發(fā)現(xiàn)虛擬系統(tǒng)在降低總體擁有成本、 進行服務(wù)器整合的同時運行效率大幅提升。

本文以新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)為例， 首先介紹了新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺的架構(gòu)方法及服務(wù)器部署情況， 隨后基于VMware 虛擬服務(wù)器進行系統(tǒng)軟件平臺虛擬化部署， 節(jié)約資源的同時實現(xiàn)系統(tǒng)整體的容災(zāi)備份， 同時虛擬化服務(wù)器可對系統(tǒng)軟件進行一系列實驗和改進， 增強系統(tǒng)靈活性， 在出現(xiàn)故障時可應(yīng)用快照功能迅速恢復(fù)任一保存時段的系統(tǒng)功能， 提升了新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺的穩(wěn)定性， 提高了新疆地震應(yīng)急能力。 最后對虛擬系統(tǒng)的功能進行驗證， 經(jīng)過對虛擬系統(tǒng)性能的測試， 發(fā)現(xiàn)通過該方法確實可以有效的對服務(wù)器實現(xiàn)整合。

1 系統(tǒng)簡介

新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)軟件系統(tǒng)是一個龐大的異構(gòu)系統(tǒng)[10]， 其中涉及海量空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用、 基于空間信息的地震專業(yè)模型計算、 各類信息的綜合展示等， 該系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)多層架構(gòu)服務(wù)系統(tǒng)[11]， 系統(tǒng)主體功能模塊包括區(qū)域地震應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)(企業(yè)服務(wù)總線)、 用戶安全和日志管理平臺、 地震快速觸發(fā)響應(yīng)系統(tǒng)、 區(qū)域震害動態(tài)評估系統(tǒng)、 區(qū)域應(yīng)急指揮輔助決策支持系統(tǒng)、 區(qū)域指揮終端及信息服務(wù)軟件系統(tǒng)、 區(qū)域地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用與管理軟件、 區(qū)域地震應(yīng)急指揮綜合查詢系統(tǒng)、 區(qū)域地震應(yīng)急指揮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 區(qū)域應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)、 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)管理軟件、 分布式數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、 區(qū)域指揮大廳監(jiān)控系統(tǒng)、 地震現(xiàn)場數(shù)據(jù)接收和整理軟件、 區(qū)域應(yīng)急指揮信息通告系統(tǒng)、 區(qū)域地震應(yīng)急指揮反饋與記錄系統(tǒng)。 系統(tǒng)軟件平臺總體架構(gòu)及數(shù)據(jù)流程如圖1。

新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件眾多， 部署方法復(fù)雜， 原始系統(tǒng)應(yīng)用配備了7 臺應(yīng)用服務(wù)器， 2 臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器， 8 臺工作站， 系統(tǒng)龐大復(fù)雜， 業(yè)務(wù)部署情況如表1。

圖1 應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺數(shù)據(jù)流程圖Fig.1 Data flow diagram of the emergency command system software platform

表1 新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件部署情況表Table 1 Deployment table of Xinjiang earthquake emergency command system

新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺將眾多專業(yè)軟件模塊化， 通過ESB (Enterprise Serv ice Bus 企業(yè)服務(wù)總線) 進行系統(tǒng)集成使系統(tǒng)功能大幅提升， 然而異構(gòu)環(huán)境中的各種技術(shù)、 協(xié)議和應(yīng)用的集成極其復(fù)雜， 需要硬件設(shè)備分別支持， 造成設(shè)備浪費， 且系統(tǒng)節(jié)點太多， 使得單點故障難以判斷， 在實際使用中自主開發(fā)招標(biāo)的專業(yè)軟件的可靠性， 以及計算模型都有待改進， 同時公共軟件的維護問題也是個大問題。 故而在系統(tǒng)容災(zāi)備份、 穩(wěn)定性、靈活性提升和維護方面仍需進一步加強。

2 系統(tǒng)軟件平臺虛擬化

2.1 VMware 虛擬服務(wù)器的創(chuàng)建

在兩臺物理服務(wù)器上進行VMware Workstation 虛擬服務(wù)器的創(chuàng)建， 首先， 在服務(wù)器上按照VMware Workstation 8 軟件提示， 進行程序安裝， VMware 虛擬機安裝完成后， 點擊“New Virtual Mechine” 新建虛擬機， 為虛擬機安裝Windows Sever 2003 操作系統(tǒng)， 虛擬機其他設(shè)置如虛擬的內(nèi)存大小、 硬盤大小及分區(qū)、 CPU 數(shù)等等， 需根據(jù)需要部署的系統(tǒng)軟件平臺的配置需求進行操作， 為使系統(tǒng)運行更加快速高效， 各配置的參數(shù)需要尋求物理機硬件資源和虛擬機應(yīng)用需求間的平衡， 不可一味增加虛擬機內(nèi)存和硬盤空間的大小而影響主機的運作。 同時， 網(wǎng)絡(luò)模式的設(shè)置也十分重要， 網(wǎng)絡(luò)模式主要有Bridged (橋接)、 Network(NAT 網(wǎng)絡(luò))、 Host-Only (主機網(wǎng)絡(luò)) 三種， 不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置對于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接及訪問權(quán)限有一定的限制， 其中多網(wǎng)卡的虛擬機可以設(shè)置多種網(wǎng)絡(luò)連接， 本研究利用虛擬機技術(shù)， 在每臺虛擬服務(wù)器上添加雙網(wǎng)卡， 分別采用Host-Only 和Bridged 網(wǎng)絡(luò)模式， 同一臺主機的內(nèi)部通過Host-Only 網(wǎng)絡(luò)模式進行通信連接， 外部網(wǎng)絡(luò)也可通過Bridged 網(wǎng)絡(luò)模式訪問系統(tǒng)， 便于對Oracle Net 組件、 ArcSDE 連接及配置使用。 虛擬機內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)連接的屬性意義如表2所示。

表2 虛擬機網(wǎng)絡(luò)連接屬性意義Table 2 Network connection properties of the virtual machine

2.2 系統(tǒng)軟件平臺虛擬化部署

VMware 虛擬服務(wù)器的硬件配置及網(wǎng)絡(luò)平臺的搭建完成后， 根據(jù)需要按照上述方法建立4 臺虛擬機部署整個新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)。 把十余種專業(yè)軟件匯同大型Oracle 數(shù)據(jù)庫整合到2個物理服務(wù)器上， 同時實現(xiàn)應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺的功能， 在每臺物理服務(wù)器上分別建立2個Windows Sever 2003 虛擬機， 首先， 在虛擬機上安裝部署大型Oracle數(shù)據(jù)庫和ArcSDE 數(shù)據(jù)引擎， 建立用戶及表空間， 導(dǎo)入新疆地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以實現(xiàn)應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的部署。 其次， 在地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的支持下， 部署業(yè)務(wù)系統(tǒng)， 根據(jù)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)日常運維情況， 分析系統(tǒng)各軟件的使用率及故障率， 在進行系統(tǒng)虛擬化時，對于平時使用率低的軟件及基本不用的服務(wù)不進行部署， 精簡系統(tǒng)， 實現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)配置，減輕因系統(tǒng)臃腫導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。 新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)虛擬化實施方案如表3所示。

表3 虛擬系統(tǒng)部署表Table 3 Deployment table of the virtual system

2.3 虛擬系統(tǒng)的快速恢復(fù)

在系統(tǒng)安裝調(diào)試過程中， 可根據(jù)需要， 對系統(tǒng)進行備份， 系統(tǒng)可以同時保存多個 “鏡像”， 使用者還可通過鏡像點管理器， 來完成對鏡像點的刪除、 恢復(fù)等管理。 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時， 利用虛擬機快照 “閃回” 功能， 實現(xiàn)整個應(yīng)急系統(tǒng)的快速恢復(fù)， 也可通過異地拷貝虛擬機文件， 在其他虛擬機上植入已經(jīng)部署好的虛擬機系統(tǒng)， 完成虛擬機系統(tǒng)的恢復(fù)。避免了故障時整個系統(tǒng)的重新部署， 大大降低了系統(tǒng)運行的風(fēng)險性， 提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性， 虛擬系統(tǒng)快照備份圖如圖2 所示。

圖2 虛擬系統(tǒng)快照備份示意圖Fig.2 Snapshot backup diagram of the virtual system

2.4 虛擬系統(tǒng)測試及應(yīng)用效果分析

在VMware 虛擬服務(wù)器上， 部署好Oracle 數(shù)據(jù)庫、 ArcSDE 空間數(shù)據(jù)引擎、 Weblogic 中間件及各業(yè)務(wù)軟件， 導(dǎo)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息后， 對虛擬系統(tǒng)的各個功能進行測試。 在日常運維中逐漸應(yīng)用虛擬系統(tǒng)， 通過觸發(fā)測試地震來測試整個虛擬地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的性能，檢驗系統(tǒng)穩(wěn)定性， 并及時做好備份工作。 系統(tǒng)測試圖如圖3 所示。

圖3 虛擬系統(tǒng)測試圖Fig.3 Test map of the virtual system

經(jīng)過一段時間的測試， 系統(tǒng)運行良好， 速率較高， 對于每日運維中觸發(fā)的測試地震，系統(tǒng)根據(jù)本地化專家模型計算地震影響場， 調(diào)用影響場內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)庫信息， 進行災(zāi)害損失評估， 提供輔助決策各類信息， 最終將結(jié)果在指揮終端中進行展示， 指揮終端提供了下載功能， 用戶可下載打開各類輔助決策報告， 為地震應(yīng)急指揮決策者提供科學(xué)依據(jù)， 系統(tǒng)能在規(guī)定的時間內(nèi)按要求迅速生成各類圖件及報告， 滿足了新疆地震應(yīng)急的需求。

在故障排除、 運行效率及服務(wù)器整合方面， 現(xiàn)有系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)的對比如表4 所示，由表可知， 虛擬系統(tǒng)用2 臺服務(wù)器整合了現(xiàn)有9 臺服務(wù)器上部署的系統(tǒng)， 實現(xiàn)系統(tǒng)容災(zāi)備份的同時， 計算速度及運行效率均有所提升， 對于7 級以下的地震， 運算速率略快于現(xiàn)有系統(tǒng)， 7 級以上的地震兩系統(tǒng)運行效率基本相同； 而系統(tǒng)重啟等一般性故障排除方面， 虛擬系統(tǒng)速度較快； 在整體系統(tǒng)恢復(fù)方面， 虛擬系統(tǒng)可快速恢復(fù)、 異地移植部署整個系統(tǒng)。

表4 兩系統(tǒng)運行對比表Table 4 Comparison table of the two systems

新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)虛擬化的應(yīng)用解決了系統(tǒng)的容災(zāi)備份， 提升了穩(wěn)定性， 同時減少因備份帶來的總體擁有成本， 實現(xiàn)了資源合理配置， 減輕了技術(shù)人員工作強度與難度， 實現(xiàn)了應(yīng)用快速部署， 主要體現(xiàn)在： 虛擬系統(tǒng)使得軟件運行環(huán)境的隔離性、 安全性得到有效保證， 系統(tǒng)得到精簡， 服務(wù)器利用率也大幅提高， 減少了技術(shù)人員維護設(shè)備的工作量及難度， 虛擬系統(tǒng)的快速閃回功能及異地移植功能使得應(yīng)用部署速度有了質(zhì)的飛躍， 以上這些均大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 同時備份系統(tǒng)時大大減少了所占用的服務(wù)器數(shù)量， 隨著硬件的升級及軟件整合， 系統(tǒng)占用的服務(wù)器由原來7 臺減少到2 臺， IT 架構(gòu)總體擁有成本得到有效縮減， 包括： 硬件采購成本、 運營電力成本， 運行機柜空間成本、 網(wǎng)絡(luò)成本、網(wǎng)絡(luò)端口成本、 機房制冷成本以及運維管理等成本。

3 結(jié)論

虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)是計算機技術(shù)的又一次創(chuàng)新， 它改變了計算機硬件與操作系統(tǒng)之間的層次關(guān)系。 虛擬化技術(shù)提高了計算機硬件資源的利用率， 實現(xiàn)了系統(tǒng)的快速遷移、 備份，且易于管理與維護， 在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

本文以新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)為例， 進行了基于VMware 虛擬服務(wù)器的系統(tǒng)軟件平臺虛擬化研究， 文中簡要介紹了新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺的整體架構(gòu)， 并根據(jù)需要在2 臺物理服務(wù)器上進行VMware 虛擬服務(wù)器的創(chuàng)建， 最終虛擬出4 臺虛擬服務(wù)器進行大型Oracle 數(shù)據(jù)庫、 ArcSDE 空間數(shù)據(jù)引擎、 Weblogic 中間件及各業(yè)務(wù)軟件的部署， 完成地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的導(dǎo)入， 并在平時的日運維中進行系統(tǒng)功能測試， 結(jié)果表明， 系統(tǒng)運行良好， 速率較高， 可根據(jù)本地化專家模型計算地震影響場， 進行災(zāi)害損失評估， 提供輔助決策信息， 并將結(jié)果通過指揮終端進行展示， 系統(tǒng)能在規(guī)定的時間內(nèi)按要求迅速生成各類圖件及報告， 為地震應(yīng)急指揮決策者提供科學(xué)依據(jù)， 同時虛擬化技術(shù)使得軟件運行環(huán)境的隔離性、 安全性得到有效保證， 穩(wěn)定性大幅提升， 服務(wù)器利用率也大幅提高， 軟硬件資源得到合理配置， 減少了技術(shù)人員維護設(shè)備的工作量及難度， IT 架構(gòu)總體擁有成本得到有效縮減， 有效節(jié)能的同時實現(xiàn)了綠色機房的構(gòu)建。

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