葉 楓，張 鵬，毛聲錄，王志堅

（1. 河海大學計算機與信息學院，江蘇 南京 211100；

2. 江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029；

3. 南京市六合區(qū)水利局，江蘇 南京 211500）

水利領域云計算的現狀分析與思考

葉 楓1，張 鵬2，毛聲錄3，王志堅1

（1. 河海大學計算機與信息學院，江蘇 南京 211100；

2. 江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029；

3. 南京市六合區(qū)水利局，江蘇 南京 211500）

云計算是一種基于互聯(lián)網的新型計算與服務范型，能為技術密集和問題復雜的水利行業(yè)提供一種全新思路和方法。在介紹云計算概念、關鍵技術等的基礎上，根據水利信息化的發(fā)展現狀，強調云計算在水利信息化中的必要性和迫切性，總結當前云計算和與水利信息化領域結合方面存在的 2個突出問題；并結合水利行業(yè)信息化特點和 IBM“藍云”計算平臺，從軟件工程的角度提出構建水利領域云應用的過程，提供一整套比較完整的實施步驟。通過對已有云應用經驗總結，該研究是可行的。

云計算；數據驅動；水利領域；關鍵技術；現狀分析

1 研究背景

作為一種全新的計算和服務范型，云計算[1-3]是虛擬化技術、效用計算、并行計算、分布式計算等混合演進并躍升的結果，代表了信息技術發(fā)展的最前沿。運用云計算，可以整合計算、存儲、網絡等基礎設施資源，充分共享軟、硬件，實現綠色計算的目標；也可以支持不同環(huán)境下運行的遺產系統(tǒng)，讓用戶通過虛擬桌面以一致化方式訪問數據，降低運維成本。隨著學術界和工業(yè)界不斷地大力推動，云計算的概念已逐步落地，并在諸多行業(yè)得到應用，如：生物信息計算、語義分析應用、計算機病毒處理及高性能并行計算等。當前，水利信息化領域也開展了對云計算的研究和應用，并且取得了一些成果，在很大程度上解決了水利信息化領域存在的“基礎資源整合難、遺產系統(tǒng)重用難、業(yè)務系統(tǒng)協(xié)同難”等共性問題[4-9]，為水利信息化發(fā)展探索出新的途徑。

在這樣的背景下，越來越多的水利信息化單位考慮或正著手建設各自的云平臺，研發(fā)云服務，也憧憬能受益于云計算并取得豐碩的成果。但是，必須認識到云計算本身具有較高的學習和應用門檻，建設云平臺和應用往往需要投入相當多的人力、物力。不合理的目標設定或誤用的云計算模式，易于重蹈 Google 公司“醫(yī)療云”失敗的覆轍，造成巨大的浪費，最終結果可能只是由一堆服務器、PC 機等組成的信息孤“云”或偽“云”。當前的研究主要集中于云計算的開發(fā)和應用，尚未對云計算建設中的關鍵問題進行分析和討論，如：針對不同的水利業(yè)務，如何進行云計算模式的選型。這樣，在一定程度上缺乏全面性和前瞻性。因此，研究水利領域云計算的特點，避免云計算建設中的潛在問題，明確能用云計算來解決的問題和業(yè)務，以及掌握構建云應用的一般流程是非常有必要的。

2 云計算關鍵技術和發(fā)展現狀

2.1 基本概念

云計算的出現并非偶然。早在 20 世紀 60年代，就有學者提出把計算能力看成一種像水、電等一樣的公用設施提供給用戶的理念，這成為云計算思想的起源。隨著虛擬化技術、效用計算、分布式計算等發(fā)展，云計算成為它們發(fā)展融合的產物。但是，云計算尚未有統(tǒng)一的定義和規(guī)約，一個最綜合的定義是由美國國家標準技術研究所（NIST）提出的，即：“云計算是一種記次付費的模式，該模式能通過可用的、隨需的網絡來訪問資源可動態(tài)配置的共享池，該共享池包括：網絡、服務器、存儲、應用和服務等。并且，資源可配置的共享池可以通過最少的管理或與服務提供商的交互來實現資源的快速配置和釋放”[2]1-16，其中所包含的彈性、按需訪問、網絡化服務等是云計算中的關鍵要素。

云計算可以被看成是一系列的服務。文獻 [1]中給出了一個最為基本的云計算模型的棧結構。整個棧結構的底層是服務器、存儲、網絡等基礎設施資源；在其上為虛擬化層，它可以提供對硬件資源的抽象，降低用戶和資源具體實現之間的耦合度；在虛擬化層之上，是基礎設施即服務層（IaaS），指的是將計算、網絡、存儲等硬件基礎設施作為服務供用戶使用，比如：亞馬遜云計算的彈性計算云EC2；IaaS 層之上的平臺即服務層（PaaS），對資源的抽象程度更高，是將程序的運行平臺作為服務提供給用戶，Google App Engine 是 PaaS 的代表；棧結構的頂層是軟件即服務層（SaaS），指的是將某些特定軟件作為服務，允許用戶通過網絡來訪問這些軟件應用，Saleforce.com 是 SaaS 的代表。

從部署的角度看，云計算可以分為 3 種基本類型：公有云、私有云和混合云。公有云是由若干用戶或企業(yè)共享的云環(huán)境；私有云的基礎架構是企業(yè)或組織單獨擁有和使用的；混合云則是公有云和私有云的混合形式。由于安全性、隱私性是當前公有云所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，私有云和混合云成為當前企業(yè)主要的采用形式。

2.2 關鍵技術

虛擬化[10-11]與面向服務的體系結構（SOA）、Web 服務[12]是實施云計算最為關鍵的技術，虛擬機技術可用于計算、存儲和網絡資源的整合，能為有效地解決資源整合難提供可行途徑；遵循 SOA，目的是利用 SOA 的開放性和標準化實現多樣的集成機制，進而解決數據資源共享難、系統(tǒng)橫向業(yè)務協(xié)同難的問題。

虛擬化現在還是個廣泛而變化的概念。IBM 的定義為“虛擬化是資源的邏輯表示，它不受物理限制的約束”，而 Open Grid Services Architecture 提出“虛擬化是對一組類似資源提供一個通用的抽象接口集，從而隱藏屬性和操作之間的差異，并允許通過一種通用的方式來查看并維護資源”[13]；還可認為虛擬化是“一種將應用程序及其底層組件從硬件上抽象出來的方式，并且把這些資源表示成邏輯或虛擬的視圖”[10]。不難看出，虛擬化的理念是以通用、透明的方式向用戶提供各類抽象資源，且對用戶隱藏不必要的細節(jié)。根據被虛擬的資源的不同，虛擬化技術可分為網絡化、存儲、系統(tǒng)和軟件的虛擬化等。其中，系統(tǒng)虛擬化的核心思想是使用虛擬化軟件在 1 臺物理機上虛擬出多臺虛擬機。服務器虛擬化是將系統(tǒng)虛擬化技術應用于服務器，將 1 臺物理服務器虛擬成若干個服務器使用，通過虛擬化軟件向上提供對硬件設備的抽象和對虛擬服務器的管理。

從軟件工程角度，SOA 包含了一組用來設計、開發(fā)和部署軟件系統(tǒng)的原則和方法，最大的優(yōu)點在于為軟件系統(tǒng)提供松耦合機制、跨平臺的特性；Web服務是具有自包含、自描述特性的，基于標準技術的組件，可以通過 Web 進行訪問，也是實現 SOA 的最主要方式。通常，云服務被設計成標準的 Web 服務，并納入到 SOA 體系進行管理和使用。另外，Web 2.0 與 Mashup 技術為方便用戶使用云計算平臺提供了接口，支持了多租戶模式的開展。

2.3 發(fā)展現狀

當前，云計算業(yè)界內處于領先地位的是Google，IBM，亞馬遜和微軟等公司。Google 的云計算技術具體包括：Google 文件系統(tǒng) GFS、分布式計算編程模型 MapReduce、分布式結構化數據存儲系統(tǒng) BigTable 和分布式鎖服務 Chubby。其中，GFS提供了大數據規(guī)模的數據存儲和訪問能力，BigTable適用于大數據的組織管理，MapReduce 能并行處理海量數據，Chubby 則保證分布式環(huán)境下并發(fā)操作的同步性。亞馬遜最具代表性的云計算服務是彈性計算云 EC2、簡單存儲服務 S3、簡單隊列服務 SQS等，所有服務都是按需獲取資源，具有良好的可擴展性和靈活性。微軟推出的 Windows Azure Service Platform，屬于 PaaS 模式，用戶可以使用該平臺通過互聯(lián)網訪問微軟數據中心，運行 Windows 和存儲應用程序數據。

另外，云計算發(fā)展的動力還有開源的云計算軟件。當前，已有不少開源的云計算解決方案或基礎架構[14-17]，如：Xen Cloud Platform（XCP），Nimbus，OpenNebula，Eucalyptus，TPlatform，Apache VCL，Enomaly，Abicloud，Apache CloudStack[18]，OpenStack，Zenoss，Convirt 等，這些不同的解決方案有著不同的應用目的、體系結構、虛擬機管理機制等。比如：Apache CloudStack是構建基礎設施即服務云的解決方案，具有成熟的功能和豐富的文檔。

中小規(guī)模企業(yè)應根據自身業(yè)務的需求選擇是使用大的 IT 公司提供的公有云服務，還是使用開源云計算軟件構建自己的私有云。從數據安全、隱私保護的角度，構建私有云是合適的；如果企業(yè)要應對特定時間段的并發(fā)訪問壓力，可通過“私有云+租用公有云”的形式，這樣可以有效節(jié)約維護成本。

3 水利云計算建設現狀與問題

3.1 建設現狀

對于水利信息化應用而言，水利行業(yè)技術密集、問題復雜、協(xié)作性強，應用上要求信息共享、知識智能、協(xié)同工作等[19]，很多具體應用需求和未來發(fā)展需要[20-22]也普遍存在，例如：水利信息化應用中不乏需要高性能計算的用例。顯然，水利信息化可受益于云計算所能提供的靈活隨需、動態(tài)可擴展的架構，運用云計算技術解決水利領域中存在的“基礎資源整合難、遺產系統(tǒng)重用難、業(yè)務系統(tǒng)協(xié)同難”等共性問題。

當前，很多水利信息化單位開展基于云計算系統(tǒng)的建設，也有了一些成功案例或研究。河海大學許峰教授等研發(fā)了水利云平臺，研究成果已通過項目“基于云計算的防汛防旱信息集成平臺的研究”和“水利云平臺關鍵技術研究與應用示范”的開展得到體現[5]，該平臺基于 SaaS 的理念，用戶通過門戶自定義不同的服務流程，實現訪問云中的遺產系統(tǒng)和云服務，為解決跨部門、異構的業(yè)務系統(tǒng)協(xié)同提供了可行方案；文獻 [6] 研究了將云計算技術應用到水利工程視頻監(jiān)控中，但是設計方案尚待成熟，沒能解釋“從視頻信息里提取什么信息、如何用云計算提取，智能化信息如何體現”等關鍵問題的具體方法；文獻 [7] 介紹了基于 Eucalyptus 建立的“水利信息云”平臺的構想，但是尚沒有原型系統(tǒng)或應用實例支撐和驗證；在文獻 [8] 中，作者提出基于Hadoop[23]的水文云平臺的設計方案，但是沒有給出云的規(guī)模信息、各類水文屬性數據的組織方式和實現效果，而這些是判斷一個云應用是否成功的標準；文獻 [9] 認為云存儲和云桌面是水利應用的重點并做了討論，但缺乏具體的實現和細節(jié)研究。

綜上可見，水利信息化領域對于云計算應用的重視度很高，很多研究或應用已經基于云計算或采用了云計算的關鍵技術。但是，事實上成功的云應用和平臺還處于星星之火的階段，依然缺乏更為系統(tǒng)的、方法論層面的研究。因此，對建設云計算系統(tǒng)過程中存在的問題應更加引起重視，而不是僅僅關注美好應用前景。

3.2 存在問題

當前，在云計算與水利信息化領域結合方面，存在諸多問題，比如：選型、架構、成本核算、云服務方式、水利信息化特定場景應用等，最為突出的問題是缺乏統(tǒng)一標準和亟待明確的應用方式。

3.2.1 統(tǒng)一標準缺乏

由于云計算尚未有統(tǒng)一的標準，各大 IT 公司、開源組織也提出側重不同場景的解決方案，這就使得云計算研究和應用存在以鄰為壑的現象。不同標準的云計算體系，將直接帶來數據、資源管理、安全及互操作方面的問題，具體如下：

1）如何設定最優(yōu)的數據的存儲方式？如何保證云中數據的可擴展性？

2）如何將數據從一個云平臺遷移到另外的云平臺？

3）如何保證在不同的基礎設施上有一致性的資源訪問機制？

4）沒有標準統(tǒng)一的訪問協(xié)議，不同的云平臺之間如何進行互操作？

5）如果用戶希望維護多個云之間的數據、應用版本同步，如何實現？

類似上述的問題還有很多，從根本上說是缺乏統(tǒng)一標準導致的。但是如果對此類問題不加以考慮，將不可避免會出現“從一個難題跳到另一個難題”的窘境。試想，如果水利領域上下級單位或者橫向部門不能通盤考慮，采用不同技術手段的云計算解決方案，必然導致各種應用之間不能協(xié)同工作，信息孤島僅是變成了信息孤“云”，計算、數據資源還是根本不能充分利用，必然使得云計算的“威力”大打折扣。

3.2.2 應用方式待明確

對于水利領域云應用的建設思路，應與水利“十二五”規(guī)劃中的要求保持一致，即“以信息共享、互聯(lián)互通為重點，大力推進水利信息化資源整合與共享，向全社會提供進出信息服務”，通過集中人力、物力構建云計算平臺，減少不必要的軟硬件投資，各級、各地水利部門可以在水利云平臺上擁有自己的私有云，將自身的信息化資源納入共享、整合的機制下，用戶通過網絡按需訪問云中的信息服務，實現水利信息資源暢達“最后一公里”。

但是，當前對于以何種方式開展云應用并非很明確，往往選用了某個解決方案或選型軟件就建立云平臺，最后發(fā)現花了高昂的建設成本，卻沒能解決期望解決的業(yè)務問題。云計算不是萬能的技術，不可能解決所有的信息化問題，如果沒有明確的應用方式，將事倍功半。打個比方，一個城市應根據人口規(guī)模和城市定位等建立發(fā)電廠、自來水廠，而不必每家每戶都建自己的發(fā)電廠或水處理廠。特別對于中小規(guī)模的單位而言，創(chuàng)建一個私有云，既是云用戶，又當云管理者，應用和管理成本會很高。另外，有些單位的應用需要保證數據資源的安全，而有些單位的應用需要考慮低成本地快速擴展所需的計算資源，這就需要采用不同的云應用方式。

當前，云計算在生物信息計算、語義分析應用、計算機病毒處理及高性能并行計算方面的成功應用，均有明確的應用方式。因此，在水利領域中明確云應用方式非常關鍵。

4 水利云應用建設關鍵

4.1 水利云應用建設關鍵點

對于水利信息化單位，是否需要建云平臺或者云應用？如何開展云計算的選型？如何將云計算與領域化特定業(yè)務具體結合？通過分析存在的問題，總結已有的成功云應用的例子，認為有以下 3個關鍵點：

1）數據驅動將是建設云應用平臺的動力。水利單位可以根據自身擁有的數據資源類型、規(guī)模分析是否需要云計算平臺。數據作為一種資源，是為應用而生的，云計算用于整合資源，也是為了處理相應規(guī)模的、多樣化數據。這些數據往往存在于數據庫、文件系統(tǒng)或者是遺產系統(tǒng)中。近來的大數據熱潮，就將云計算的優(yōu)勢體現得淋漓盡致?？梢?，水利單位積累的海量業(yè)務數據，使得傳統(tǒng)的計算范型難以有效地提供相應的資源，那建立云應用就是必要的。

2）沒有“一成不變”的解決方案。建立云平臺和云應用，在先明確數據和業(yè)務需求的基礎上，再選擇具體的技術、工具以適應特定的或多樣化場景。例如，利用某些工具集建立的云應用適用于文本類型的大數據處理，但是未必對實時數據和流數據的處理有效；如要處理一些敏感或保密數據，那就需要自己利用開源的云計算解決方案，而不能租用商業(yè)公有云；若需要開展計算密集型的應用，就要考慮能方便監(jiān)控、管理 CPU 及內存等資源和狀態(tài)的方案，或者直接按需租用共有云。

3）服務化即為云計算本質。軟件即服務（SaaS）、平臺即服務（PaaS）、硬件即服務（HaaS）、數據庫或桌面即服務（DaaS）、框架即服務（FaaS）、組織即服務（OaaS）、集成即服務（InaaS）、測試即服務（TaaS）等，均是不同的云服務形式[2]13-20。從服務的角度說，建設云應用就是基于面向服務的思想構建是一系列的服務。就水利行業(yè)的單位而言，如果擁有豐富的硬件資源和具備維護云平臺的技術人員，可以建設基礎設施云，向其它相關單位提供租用虛擬機或存儲空間類型的服務；如果積累了豐富的軟件資源，可以采用 SaaS 類型的服務，將軟件資源的使用機制提供給相關單位。

4.2 水利云應用構建流程

為進一步說明如何開展水利領域的云計算應用，結合 IBM 的“藍云”計算平臺[24]，從軟件工程的角度提出構建水利領域云應用的過程。整個過程可分為以下 4個主要階段：

1）規(guī)劃階段。不同的云計算模式有著不同的應用目的和業(yè)務價值。在規(guī)劃階段，首先要以水利領域的特定應用需求為牽引，明確用戶期待解決的主要問題。在此基礎上，進一步完成用戶業(yè)務模型研究、組織架構分析和操作流程識別，以及一些非功能性需求。在規(guī)劃階段，用戶能判定云計算的應用價值并做好云模式選型的準備。

2）設計階段。根據規(guī)劃階段的工作，設計并出臺具體的辦法和計劃，以確保客戶能夠使用云計算達到期望的業(yè)務目標。這包括體系架構、業(yè)務架構、云服務的設計，以及非功能性屬性保障等，并選擇相應的技術和工具。此階段，要緊密聯(lián)系水利領域的業(yè)務特點，比如在汛期，跟歷史數據的比較是個計算密集型的應用，要考慮計算資源的整合能力；而訪問實時水雨情信息，則可能要保障網絡資源和快速的擴展能力。

3）開發(fā)階段。利用規(guī)劃階段的詳細設計報告，選用相應的開發(fā)、測試等工具，構建基于云計算的集成開發(fā)環(huán)境，又包括開發(fā)、測試和升級完善 3個環(huán)節(jié)。開發(fā)環(huán)節(jié)主要完成對信息和數據的處理，對業(yè)務流程的實現，對安全機制的實現，對表現層和訪問機制的實現，對遺產系統(tǒng)集成的實現，以及對彈性、可靠性等非功能性特性的實現。對于復雜的云計算應用，測試和升級完善是必要的步驟，本質上與其它類型的軟件開發(fā)沒有特別的不同。

4）部署實施階段。指將開發(fā)的云平臺投入使用的過程，具體又可以分為配置云應用、管理系統(tǒng)、故障檢修和系統(tǒng)精化等內容。

4.3 水利云平臺應用實例

以下以所參與設計開發(fā)的水利云平臺[5]為例，做個簡述。在規(guī)劃階段，用戶主要表達以下期望：

1）由于分散建設、規(guī)范標準不統(tǒng)一等原因，導致基礎設施資源利用率低且難以整合，影響防汛防旱工作的成效，希望能將過剩的硬件資源重新組織，服務于更多用戶；

2）由于歷史規(guī)劃差異、人員變動、軟硬件環(huán)境升級等原因，造成很多水利業(yè)務遺產系統(tǒng)的升級維護困難，希望能對多年開發(fā)的業(yè)務系統(tǒng)以簡便、統(tǒng)一的方式管理，以一致化的方式供用戶訪問；

3）將業(yè)務邏輯重新封裝成可用的服務，用于數據分布和共享。

通過分析需求，不難看出，用戶希望能細粒度地管理基礎設施資源，將遺產系統(tǒng)統(tǒng)一管理到云平臺上，并將業(yè)務邏輯封裝成云服務。因此，決定采用 IaaS 的云模式構建應用平臺，并通過調研和對比VMWare，Eucalyptus，Apache CloudStack 等軟件的功能、可維護性、成本等方面，選擇了開源、文檔齊全、界面友好的 CloudStack 構建 IaaS 云。然后，分析了不同的遺產系統(tǒng)集成到云平臺的方式，比如遷移到虛擬機上或者通過門戶方式進行集成。在開發(fā)階段，針對常用的水雨情查詢、防汛預警、歷史數據分析等業(yè)務邏輯，基于SOA 的理念、采用 Web服務技術封裝成具體的云服務及服務流程。在部署實施階段，配置 CloudStack 的云環(huán)境，建立虛擬機并部署服務環(huán)境和具體的云服務，并建立相應的鏡像和配置文件，然后在運行中不斷調優(yōu)。

綜上，以水利領域化的數據為驅動，以特定業(yè)務為主導，遵循適合于云計算的軟件工程方法，綜合運用多種工具和技術，是成功構建水利云計算平臺的保證。

5 結語

通過建設云計算平臺的實踐經驗，證明了該方法的可行性，并且從方法學的角度擴展了水利領域云計算研究和應用的視角，對水利領域云平臺和云應用的建設具有啟發(fā)意義和實用價值。但是，由于當前水利領域中云計算的應用還比較少，對于方法的完善還需要進一步研究。另外，如何開拓云計算所能服務的業(yè)務范圍，也需要更多的思考。

后面的研究工作將從以下 2個方面開展：1）從軟件工程的角度，進一步精化水利領域云計算軟件的開發(fā)流程；2）充分發(fā)揮云計算的自身優(yōu)勢，利用已有的云平臺工作基礎開展水利領域大數據分析和挖掘的研究。

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Status Analysis and Reflection of Cloud Computing in Water Conservation Area

YE Feng1, ZHANG Peng2, MAO Shenglu3, WANG Zhijian1

(1. College of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 211100, China；
2. Hydraulic Engineering Planning Office of Jiangsu, Nanjing 210029, China；
3. Water Conservancy Bureau of Luhe District, Nanjing 211500, China)

As a novel Internet-based computing and service paradigm, cloud computing can provide a completely fresh idea and solution for water conservation area, which is technology-intensive and has complex issues. After introducing the related concepts, key technologies of cloud computing, the paper emphasizes the necessity and urgency of applying it in water resources informatization according to the current status. It summarizes two outstanding issues in the field of which combination of cloud computing and water resources informatization. From the perspective of software engineering, it integrates the characteristic of water resources informatization and IBM “Blue Cloud”, proposes the processes of constructing the cloud computing applications, and provides a set of relatively entire implementation steps. Through the experience summary of constructing the cloud application existing, the study is feasible.

cloud computing; data driven; water conservation area; key technologies; status analysis

TP393；TV211

A

1674-9405(2014)01-0006-06

2013-10-11

江蘇水利科技項目“‘智慧河流’研究及其在六合滁河管理中的應用”（2013025）；河海大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目（2009B21614）。

葉 楓（1980－），男，山東濟南人，講師，主要從事云計算、大數據和水信息學的研究。