趙現(xiàn)綱　謝利子　衛(wèi)蘭　林曼筠（國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

?

風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用工程計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展

趙現(xiàn)綱謝利子衛(wèi)蘭林曼筠
（國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

摘要：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是風(fēng)云系列靜止氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用工程的重要組成部分，是衛(wèi)星在軌管理和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)接收、處理、存檔、服務(wù)的重要支撐。自第一顆靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射以來，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其架構(gòu)經(jīng)歷了近二十年的滾動發(fā)展和持續(xù)改進(jìn)。對該發(fā)展歷程和取得的成果進(jìn)行了回顧，并對未來計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)所面臨的諸多機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析。最后，基于靈活的作業(yè)和資源調(diào)度技術(shù)，設(shè)計了具有良好可靠性和可擴(kuò)展性的我國新一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號地面應(yīng)用工程計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)云氣象衛(wèi)星，地面應(yīng)用系統(tǒng)，云計算，資源調(diào)度

0　概述

地面應(yīng)用工程作為風(fēng)云氣象衛(wèi)星五大系統(tǒng)之一，負(fù)責(zé)衛(wèi)星的日常運行管理和衛(wèi)星的狀態(tài)監(jiān)視，實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、實時處理和廣泛應(yīng)用[1]。其中，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（CNS，Computer Network and Storage）則是支撐地面應(yīng)用系統(tǒng)運行的骨架和基石，負(fù)責(zé)計算環(huán)境支撐、資源分配、作業(yè)調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸以及產(chǎn)品分發(fā)。在風(fēng)云二號系列氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)中，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅是地面應(yīng)用系統(tǒng)運行的支撐，還是數(shù)據(jù)處理的指揮調(diào)度中心。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計直接影響到地面應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、時效性、安全性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

自1997年發(fā)射第一顆風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星FY-2A至今，我國共累計成功發(fā)射7顆風(fēng)云二號靜止氣象衛(wèi)星，其中FY-2A/B/C/D已離軌，目前在軌運行的靜止氣象衛(wèi)星為FY-2E/F/G三顆。回顧我國靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展歷程，其計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)一直隨著信息技術(shù)浪潮的變革而持續(xù)改進(jìn)。靜止氣象衛(wèi)星計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展也經(jīng)歷了從大型機(jī)到小型機(jī)，再到通用X86計算平臺的變革過程。其網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)帶寬也由10Mb逐步提升至10Gb。所采用的存儲技術(shù)也由單一的磁帶、磁盤發(fā)展到目前磁盤陣列、網(wǎng)絡(luò)存儲以及分布式存儲等多種存儲技術(shù)共存的局面。地面應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)能力也由單星觀測提升至目前的雙星加密觀測、高頻次區(qū)域掃描和多星統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了國內(nèi)外多顆衛(wèi)星資料的統(tǒng)一接收和處理。風(fēng)云二號靜止氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)體現(xiàn)了自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，成果具有自主知識產(chǎn)權(quán)，工程總體質(zhì)量和水平達(dá)到同期國際先進(jìn)水平，被譽為“天地一體化的典范、地面應(yīng)用系統(tǒng)的楷模”[2]。風(fēng)云二號C星地面應(yīng)用系統(tǒng)獲得國家科技進(jìn)步一等獎，這也是國家對于地面應(yīng)用系統(tǒng)工程（包括計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）的具體肯定。

展望未來，F(xiàn)Y-4A作為我國第二代靜止氣象衛(wèi)星的首顆衛(wèi)星，與FY-2系列衛(wèi)星相比，其衛(wèi)星平臺、工作模式、星載儀器、觀測密度和精度均有很大的變化和提高。表1列出了兩代衛(wèi)星儀器數(shù)、通道數(shù)、產(chǎn)品數(shù)量的對比。經(jīng)測算，F(xiàn)Y-4A衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)量是風(fēng)云二號單星的160倍，經(jīng)過定位、定標(biāo)和光譜圖處理后形成的一級數(shù)據(jù)約為風(fēng)云二號單星的80倍。數(shù)據(jù)量百倍的增長和近乎苛刻的服務(wù)質(zhì)量要求對地面應(yīng)用系統(tǒng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。

表1　FY-2E、FY-4A衛(wèi)星儀器、通道及產(chǎn)品數(shù)量對比表Table 1 The comparison between FY-2E and FY-4A satellite on instruments,number of channels and product

FY-4A氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用工程計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在繼承FY-2系列氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)成功經(jīng)驗的同時，需要結(jié)合當(dāng)前流行的云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，建設(shè)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與服務(wù)私有云，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展能力、管理能力和服務(wù)能力。統(tǒng)籌考慮靜止、極軌兩個系列計算資源的共享使用，摒棄豎井式建設(shè)模式，規(guī)避信息孤島和單點故障。設(shè)計開發(fā)云平臺、自主資源調(diào)度軟件，實現(xiàn)對不同品牌、不同架構(gòu)計算資源的統(tǒng)一整合、管理與使用；通過計算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化，實現(xiàn)更加靈活的計算環(huán)境規(guī)劃、部署和動態(tài)遷移。未來的網(wǎng)絡(luò)將以40Gb、100Gb帶寬互聯(lián)，存儲將以存儲虛擬化為媒介，對SAN、IPSAN進(jìn)行整合，輔以NAS、集群NAS等多種各具特點的存儲技術(shù)?；谛l(wèi)星需求，通過融合相關(guān)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品，F(xiàn)Y-4A氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)將成為集氣象衛(wèi)星大數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用、服務(wù)功能于一身的新一代氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心。

1　歷史發(fā)展回顧

1.1初始創(chuàng)建

風(fēng)云系列靜止氣象衛(wèi)星的第一代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初建于20世紀(jì)80年代末—90年代初，在當(dāng)時是從無到有的創(chuàng)新工程，以FY-2A星地面應(yīng)用系統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為代表。系統(tǒng)采用了集中式的架構(gòu)，以大型機(jī)IBM4381、富士通M770為主要的處理服務(wù)器，輔以各類監(jiān)控管理終端，集中完成各類衛(wèi)星數(shù)據(jù)和任務(wù)的處理；同時，采用自主研發(fā)的、定制的通信接口和專用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和交換。

FY-2A業(yè)務(wù)系統(tǒng)由指令和數(shù)據(jù)接收站，資料中心和運行控制中心組成。在資料中心，對衛(wèi)星資料進(jìn)行處理的核心計算機(jī)選取了當(dāng)時性價比較高的富士通大型機(jī)，配置了多臺終端用于數(shù)據(jù)交互和系統(tǒng)管理。前端的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理采用兩套工作站。設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)采用10Mbps以太網(wǎng)。目前來看，這些核心處理設(shè)備的配置和性能還不如現(xiàn)在一臺主流的PC機(jī)，但在當(dāng)時的環(huán)境下，該套設(shè)備的處理能力和穩(wěn)定性在業(yè)界位列前茅。該套系統(tǒng)從立項到完成系統(tǒng)調(diào)試花費了近6年的時間，自1991年設(shè)備安裝后，持續(xù)穩(wěn)定運行超過10年，很好的承載了FY-2A星的在軌測試和試驗運行，以及后續(xù)系統(tǒng)的開發(fā)改進(jìn)。整個系統(tǒng)的建設(shè)是一個摸索學(xué)習(xí)的過程，培養(yǎng)了一大批衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理以及大型機(jī)系統(tǒng)的專業(yè)人才。

在2000年初，為了滿足FY-2A/B星雙星共同運行的需要，對上述FY-2A計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了改造與擴(kuò)建。資料中心增加了四臺UNIX服務(wù)器；設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)也由10Mbps以太網(wǎng)一躍升級為1000Mbps骨干互聯(lián)和100Mbps桌面接入。

“定制化”是第一代風(fēng)云衛(wèi)星計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)的特點，從計算資源、存儲資源到網(wǎng)絡(luò)連接，都存在著相當(dāng)大比例的定制設(shè)備，這也是當(dāng)時IT設(shè)備百家爭鳴、通用性差的時代特征所導(dǎo)致的。該階段IT系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)難度都很高，整個系統(tǒng)是一個封閉神秘的黑匣子。

1.2業(yè)務(wù)化運行

FY-2A/B星同屬于風(fēng)云二號（01）批次衛(wèi)星，作為試驗應(yīng)用衛(wèi)星，其在軌壽命較短。風(fēng)云二號（02）批次衛(wèi)星包含F(xiàn)Y-2C/D/E三顆衛(wèi)星，從FY-2C星開始，所有衛(wèi)星均為業(yè)務(wù)衛(wèi)星，業(yè)務(wù)化運行對地面系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性提出了更高的要求。因此，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)再次升級換代，建成了如圖1所示的風(fēng)云二號（02）批多星管理地面系統(tǒng)IT架構(gòu)。第二代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在主機(jī)方面以IBM power系列AIX小機(jī)雙機(jī)HA架構(gòu)為特點；在網(wǎng)絡(luò)方面，采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與交換；在存儲方面，引入光纖存儲網(wǎng)絡(luò)SAN支撐實時業(yè)務(wù)處理，采用磁帶庫進(jìn)行數(shù)據(jù)近線存儲，在線存儲容量達(dá)到TB級；在數(shù)據(jù)處理和任務(wù)管理方面，引入任務(wù)級分布式處理的理念[3]，對復(fù)雜的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理和管理流程進(jìn)行任務(wù)歸類，通過定制負(fù)載均衡調(diào)度軟件LSF實現(xiàn)復(fù)雜作業(yè)流的調(diào)度和管理[4]。從第二代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開始，我國靜止氣象衛(wèi)星地面系統(tǒng)開始進(jìn)入了業(yè)務(wù)化運行，采用該架構(gòu)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成功支撐了多顆衛(wèi)星業(yè)務(wù)（包括我國風(fēng)云衛(wèi)星以及如MTSAT等國外部分衛(wèi)星）的穩(wěn)定運行，期間各項運行指標(biāo)均滿足中國氣象局設(shè)定的業(yè)務(wù)考核要求。

圖1　風(fēng)云二號（02）批地面系統(tǒng)架構(gòu)圖示Fig.1　The ground segment architecture of FY-2(02)

風(fēng)云二號（03）批次包括F/G/H三顆衛(wèi)星，目前已經(jīng)發(fā)射FY-2F和FY-2G兩顆。H星計劃于2017年底發(fā)射。風(fēng)云二號（03）批次氣象衛(wèi)星地面系統(tǒng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)部分架構(gòu)沿用了前期高端UNIX小機(jī)加高端SAN存儲的結(jié)構(gòu)。如處理主機(jī)采用IBM Power 780雙機(jī)，存儲采用日立VSP高端SAN。在網(wǎng)絡(luò)部分使用了諸如IRF等虛擬化堆疊技術(shù)[5]以提高核心網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，不同品牌網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間采用三層互聯(lián)。該架構(gòu)很好地承載了雙星加密以及高頻次區(qū)域觀測業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運行。

“雙路冗余”是第二代風(fēng)云衛(wèi)星計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)的主要特點。如計算節(jié)點的雙機(jī)HA，存儲雙活，網(wǎng)絡(luò)雙鏈路。通過雙路冗余的設(shè)計有效避免了單點故障，提升了業(yè)務(wù)運行的可靠性。不過，仍存在資源調(diào)度與業(yè)務(wù)邏輯強耦合，應(yīng)用與計算資源強耦合的問題。維護(hù)工作的難度將隨著設(shè)備規(guī)模的增加而急劇上升。

2　FY-4A衛(wèi)星計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)介紹

2.1新一代IT支撐系統(tǒng)的設(shè)計理念

回顧風(fēng)云系列靜止氣象衛(wèi)星計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多年的發(fā)展歷程，其IT支撐系統(tǒng)綜合性能有超過1萬倍的增長，骨干網(wǎng)絡(luò)帶寬也從幾兆的專用通信接口發(fā)展到萬兆。第一代IT支撐系統(tǒng)可稱之為大型機(jī)時代，其主要問題是設(shè)備購置成本高，使用維護(hù)難度大。系統(tǒng)間接口極其復(fù)雜且兼容性問題導(dǎo)致系統(tǒng)故障率高，業(yè)務(wù)運維壓力很大；第二代IT支撐系統(tǒng)可稱之為高可用服務(wù)器時代，其主要問題是系統(tǒng)的通用性和擴(kuò)展性較差，主機(jī)和存儲設(shè)備可選擇余地不大，長期在此架構(gòu)上開發(fā)的各類應(yīng)用，其遷移難度和工作量都很高，不利于系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展。

根據(jù)氣象衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃，至2020年，還將計劃發(fā)射近10顆氣象衛(wèi)星。隨著觀測儀器種類的增加、儀器觀測能力的大幅提升，氣象衛(wèi)星獲取的原始觀測數(shù)據(jù)信息量將呈爆炸性增長，而后續(xù)處理所產(chǎn)生的臨時數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)量會以幾何級數(shù)膨脹；衛(wèi)星遙感反演技術(shù)的深入研究，將使得衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的種類日益豐富，多儀器、多星融合產(chǎn)品也將不斷涌現(xiàn)，通過IT支撐系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)信息量倍增；而衛(wèi)星觀測與地面觀測、數(shù)值預(yù)報聯(lián)動等新的應(yīng)用方向，將進(jìn)一步提高對衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的時效要求；這些因素都對IT支撐系統(tǒng)的綜合性能提出更高要求，現(xiàn)有的第二代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)難以滿足需求，氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)的發(fā)展呼喚新一代IT支撐系統(tǒng)的到來。

近年業(yè)界流行的云計算[6]是一種嶄新的IT建設(shè)理念，提出了IT資源持續(xù)發(fā)展、異構(gòu)平臺整合以及跨系統(tǒng)互操作與協(xié)同管理的理想計算環(huán)境，目的是讓各類資源按需分配并隨需求和負(fù)載的變化而彈性伸縮。風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星的下一代IT支撐系統(tǒng)的建設(shè)，將全方面借鑒和采納云計算的先進(jìn)理念和成熟技術(shù)。

在主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計方面，小型機(jī)憑借其穩(wěn)定可靠和單機(jī)綜合處理能力強大的特性，使得它在以往的IT支撐系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，在某些高可靠應(yīng)用環(huán)境以及單機(jī)計算能力有特殊要求的應(yīng)用場景應(yīng)該予以保留。與此同時，通用X86機(jī)架服務(wù)器、刀片服務(wù)器不論從市場占有率還是設(shè)備可靠性方面都有了長足的進(jìn)步[7]。新一代IT支撐系統(tǒng)內(nèi)部一定是異構(gòu)計算資源并存，需實現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理調(diào)度。從長遠(yuǎn)看，X86通用計算設(shè)備的可靠性不斷提高，RAS特性不斷完善，從理論上已經(jīng)具備取代小型機(jī)的可能。但從應(yīng)用遷移的角度而言，其在氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)完全取代傳統(tǒng)UNIX服務(wù)器還需要一個過渡的過程。

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計方面，新一代的IT支撐系統(tǒng)將繼續(xù)采用硬件廣域網(wǎng)加速設(shè)備和應(yīng)用軟件優(yōu)化并用的方法優(yōu)化廣域網(wǎng)傳輸[8]。骨干網(wǎng)絡(luò)帶寬將升級至40Gbps/100Gbps，多路萬兆網(wǎng)卡聚合將成為高端服務(wù)器接入的普遍方式。為強化網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，新一代的IT支撐系統(tǒng)除了提高單個設(shè)備的可靠性、設(shè)置冗余鏈路和節(jié)點等措施之外，還將優(yōu)先選用扁平化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、采用IRF/VSS/vPC等虛擬化技術(shù)[9]簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提高網(wǎng)絡(luò)的可管理性。在集群計算網(wǎng)絡(luò)以及共享文件系統(tǒng)方面將采用IB互聯(lián)，充分發(fā)揮IB網(wǎng)絡(luò)低延遲高帶寬的特性。

眾所周知，CPU不是數(shù)據(jù)處理能力的全部，對于氣象數(shù)據(jù)處理而言，數(shù)據(jù)IO能力更受關(guān)注，具體指標(biāo)包括數(shù)據(jù)讀寫帶寬、延遲以及IOPS。新一代IT支撐系統(tǒng)架構(gòu)開始由“以計算為中心”轉(zhuǎn)向“以數(shù)據(jù)為中心”，數(shù)據(jù)處理模式由單胖節(jié)點順序處理轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗍莨?jié)點并行處理。由此，IO能力可并行擴(kuò)展的分布式存儲系統(tǒng)、本地計算技術(shù)[10]將成為優(yōu)選設(shè)備和策略。在海量數(shù)據(jù)歸檔方面，磁帶庫的性價比無可替代。采用自建近線存儲和公有云存儲服務(wù)相結(jié)合方式以滿足衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)存檔業(yè)務(wù)在容量和可靠性兩方面不斷提高的迫切需求。

2.2FY-4A計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

FY-4A計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（FY-4A CNS）是FY-4A氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)支撐平臺，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。FY-4A計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了資源統(tǒng)一管理和調(diào)度、業(yè)務(wù)邏輯與資源調(diào)度剝離、統(tǒng)一運維管理、應(yīng)用評價與持續(xù)改進(jìn)以及未來多星IT系統(tǒng)資源共享等問題。

圖2　FY-4A計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　The ground segment architecture of FY-4A

F Y- 4 A C N S將采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)構(gòu)建40Gb/100Gb核心網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；通過基于資源調(diào)度的私有云技術(shù)構(gòu)建計算資源池[11]，實現(xiàn)異構(gòu)計算資源的統(tǒng)一池化，對外提供資源管理與作業(yè)調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)接口，輕松支持與其他信息系統(tǒng)的統(tǒng)管共用通過存儲虛擬化[12]、分布式存儲等技術(shù)構(gòu)建10PB級存儲資源池；通過統(tǒng)一網(wǎng)管實現(xiàn)集中資源監(jiān)控；通過資源調(diào)度保證作業(yè)處理的高可靠和高時效，實現(xiàn)硬件計算資源和虛擬化計算資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度；通過應(yīng)用運行特征抓取分析平臺，為各類應(yīng)用提供持續(xù)性的優(yōu)化支持。通過對資源的統(tǒng)一池化，將使IT系統(tǒng)從“雙路冗余”提升至“多路冗余”，通過容器、虛擬化技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用的封裝與漂移，將各類復(fù)雜應(yīng)用徹底與計算資源剝離，應(yīng)用服務(wù)在計算資源池內(nèi)無縫漂移，使系統(tǒng)整體達(dá)到可用性不低于99.99%的業(yè)務(wù)目標(biāo)。

2.3FY-4A計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件

硬件是軀干，軟件是靈魂。FY-4A計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過自主開發(fā)資源調(diào)度軟件實現(xiàn)資源池化，實現(xiàn)對異構(gòu)物理主機(jī)和虛擬主機(jī)的統(tǒng)一管理和靈活調(diào)度；通過系統(tǒng)監(jiān)視管理軟件實現(xiàn)業(yè)務(wù)運維現(xiàn)代化，通過典型應(yīng)用測試與優(yōu)化分析軟件實現(xiàn)各類應(yīng)用以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)的持續(xù)性改進(jìn)。

系統(tǒng)監(jiān)視管理軟件負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理風(fēng)云四號衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)計算機(jī)平臺的所有IT資產(chǎn)，實現(xiàn)資產(chǎn)的注冊登記與集中管理；在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)置各類配置參數(shù)，采用多種手段統(tǒng)一采集系統(tǒng)運行過程中的各類信息，實現(xiàn)對各類硬件資源、軟件資源、基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境狀態(tài)實時、準(zhǔn)實時監(jiān)視，并將監(jiān)視信息以可視化的方式統(tǒng)一展現(xiàn)；系統(tǒng)通過結(jié)合運維人員的工作經(jīng)驗，設(shè)置故障報警閾值，實現(xiàn)對各類故障的分級報警與及時上報；系統(tǒng)還依據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，生成各類運維報表，降低運維人員的工作強度，提高系統(tǒng)維護(hù)的便捷性，實現(xiàn)IT系統(tǒng)的量化運維和精準(zhǔn)管理。

圖3　FY-4A地面應(yīng)用系統(tǒng)分級調(diào)度結(jié)構(gòu)圖Fig.3　The hierarchical scheduling architecture of FY-4A ground segment

資源調(diào)度軟件主要負(fù)責(zé)底層計算資源的調(diào)度，實現(xiàn)跨異構(gòu)負(fù)載均衡調(diào)度集群的統(tǒng)一計算資源調(diào)度。業(yè)務(wù)邏輯與資源調(diào)度剝離是目前云計算數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢，如元調(diào)度器MESOS被列為APACHE基金會的重點項目。如圖3所示，資源調(diào)度分系統(tǒng)從地面應(yīng)用系統(tǒng)各系統(tǒng)的二級業(yè)務(wù)調(diào)度接收其提交的單個作業(yè)，根據(jù)作業(yè)的輸入、輸出和約束條件等生成可運行的作業(yè)指令，并根據(jù)當(dāng)前資源實際負(fù)載、作業(yè)資源需求、資源池特性等情況分配作業(yè)到具體的資源池以及計算資源上運行。在作業(yè)運行過程中，監(jiān)視作業(yè)狀態(tài)，并根據(jù)需要將作業(yè)狀態(tài)返回給各系統(tǒng)二級調(diào)度，對異常作業(yè)和調(diào)度故障能夠根據(jù)提前定義好的故障處理策略進(jìn)行自動或半自動處理。通過資源調(diào)度實現(xiàn)異構(gòu)資源的池化，實現(xiàn)對風(fēng)云衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)IT資源統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度，徹底拋棄豎井式架構(gòu)，消滅信息孤島和單點故障。

典型應(yīng)用測試與優(yōu)化分析軟件負(fù)責(zé)評估和了解應(yīng)用系統(tǒng)資源使用及其合理性，對資源消耗最大的應(yīng)用提出優(yōu)化建議，力保資源使用率保持在合理范圍。CNS將建立典型應(yīng)用量化測量軟件，對各類典型應(yīng)用的資源需求與資源消耗實際狀況進(jìn)行收集與評估（評估指標(biāo)包括通用指標(biāo)和微架構(gòu)級指標(biāo)），對典型應(yīng)用本身和資源配置提出優(yōu)化建議，確保資源使用率保持在合理范圍。對業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)各類應(yīng)用、算法進(jìn)行量化評價，包括業(yè)務(wù)上線前對應(yīng)用進(jìn)行體檢、在業(yè)務(wù)運行過程中對應(yīng)用和平臺進(jìn)行評估并提供優(yōu)化建議，從而支撐風(fēng)云四號科研試驗衛(wèi)星業(yè)務(wù)系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)。

3　總結(jié)

風(fēng)云系列衛(wèi)星從立項至今已經(jīng)發(fā)展了四十多年，地面應(yīng)用工程計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也經(jīng)歷了二十多年的滾動發(fā)展。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)由兩方面因素決定：一是衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和服務(wù)的時效性、可靠性需求；二是信息技術(shù)、產(chǎn)品的發(fā)展變化。采納合適的產(chǎn)品、技術(shù)，開發(fā)靈活的應(yīng)用軟件以構(gòu)建滿足風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)運行的IT支撐系統(tǒng)是地面系統(tǒng)建設(shè)的重要工作內(nèi)容。本文回顧了我國靜止氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用工程計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展變化，對三代IT支撐系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。展望未來，自主研發(fā)基于資源調(diào)度的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理云是氣象衛(wèi)星地面系統(tǒng)發(fā)展的方向和目標(biāo)，新一代靜止氣象衛(wèi)星計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將以氣象信息化中“集約化建設(shè)、資源充分共享”為指導(dǎo)原則，以云計算、資源調(diào)度、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)為技術(shù)路線，構(gòu)建成為以自主創(chuàng)新、高可靠、易擴(kuò)展、可持續(xù)優(yōu)化、具備與其他系統(tǒng)統(tǒng)管共用為特點的新一代大氣衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)中心。

參考文獻(xiàn)

[1]董超華,許健民,張文建,等.風(fēng)云三十年——國家衛(wèi)星氣象中心成立三十周年紀(jì)念.國家衛(wèi)星氣象中心,2001.

[2]楊軍,許健民,董超華,等.氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用.北京:氣象出版社,2012.

[3]胡華平,金士堯,王維.分布式系統(tǒng)高可用方案的選擇.系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2000,22(3):65-67.

[4]賈樹澤,楊軍,施進(jìn)明,等.新一代氣象衛(wèi)星資料處理系統(tǒng)并行調(diào)度算法研究與應(yīng)用.氣象科技,2010,38(1):96-101.

[5]黃石平,謝健,闞宏宇.IRF虛擬化技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究.實驗技術(shù)與管理,2014(11):124-126.

[6]陳康,鄭緯民.云計算：系統(tǒng)實例與研究現(xiàn)狀.軟件學(xué)報,2009,20(5):1337-1348.

[7]黃昆.x86服務(wù)器市場如何提升數(shù)據(jù)、系統(tǒng)、應(yīng)用及業(yè)務(wù)的高可用性.中國金融電腦,2012(2):88.

[8]衛(wèi)蘭,林曼筠,趙現(xiàn)綱,等.廣域網(wǎng)加速在FY-3氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用.應(yīng)用氣象學(xué)報,2012,23(1):121-128.

[9]周燁,李勇,蘇厲,金德鵬,等.基于虛擬化的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實驗環(huán)境研究.電子學(xué)報,2012,40(11):2152-2157.

[10]崔杰,李陶深,蘭紅星.基于Hadoop的海量數(shù)據(jù)存儲平臺設(shè)計與開發(fā).計算機(jī)研究與發(fā)展,2012,49(S1):12-18.

[11]劉永金,黃科.運營商業(yè)務(wù)平臺云計算資源池建設(shè)方案探討.電信科學(xué),2013,29(9):201-206+211.

[12]呂小兵.存儲虛擬化整合技術(shù)研究.航空制造技術(shù),2015(6):83-85.

The Development of Computer Network and Storage System in Fengyun Geostationary Meteorological Satellite Ground Segment

Zhao Xiangang,Xie Lizi,Wei Lan,Lin Manyun
(National Satellite Meteorological Centre,Beijing 100081)

Abstract:Computer Network and Storage(CNS)system is an important component of the meteorological satellite engineering.CNS supplies resources and environments for the satellite in-orbit management,satellite observation data receiving,processing,archiving and service.Since the first geostationary meteorological satellite was launched,the scale of the computer network of the ground segment has been greatly expanded; its architecture has experienced nearly twenty years of rolling development and continuous improvement.In this paper,the development process and the results are reviewed.The opportunities and challenges of CNS construction are well analyzed.Finally,based on the flexible job and resource scheduling technology,a new structure with high scalability and reliability of CNS for FY-4Ageostationary meteorological satellite is raised up.

Keywords:Fengyun,ground segment,cloud computing,resource scheduling

通信作者：謝利子（1982—），Email:xielizi@cma.gov.cn

收稿日期：2015年10月22日；修回日期：2015年12月29日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.015

第一作者：趙現(xiàn)綱（1976—），Email:xgzhao@189.com

資助信息：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（2011AA12A104）