董希泉，李榮榮,柳 強(qiáng)

(1.中國人民解放軍63920部隊(duì)，北京100094;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081;3.河北省武安市水利局，河北 武安 056300)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)管理中心控制衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的組建和運(yùn)行管理，通過對(duì)全網(wǎng)的工作狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備功能部件控制、故障診斷和告警、信息記錄、業(yè)務(wù)量的統(tǒng)計(jì)、與通信元素的動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置和可靠運(yùn)行。

由于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性、高時(shí)延性、異構(gòu)性以及資源有限性，傳統(tǒng)的資源存儲(chǔ)方式和數(shù)據(jù)處理方式無法滿足海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)快速處理的需求。因此，如何高效快速地處理海量數(shù)據(jù)成為亟待解決的問題，云計(jì)算可以很好地解決此類問題。

本文利用云計(jì)算解決衛(wèi)通網(wǎng)中海量態(tài)勢數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理問題。首先搭建基于衛(wèi)星通信網(wǎng)的云平臺(tái)模型，解決衛(wèi)通網(wǎng)數(shù)據(jù)處理問題；然后從3層架構(gòu)展開研究，分別為系統(tǒng)應(yīng)用層、系統(tǒng)管理層和底層基礎(chǔ)設(shè)施層；其中底層基礎(chǔ)設(shè)施層采用Hadoop搭建底層集群，為系統(tǒng)提供計(jì)算和存儲(chǔ)，系統(tǒng)管理層用來管理底層數(shù)據(jù)和資源，系統(tǒng)應(yīng)用層利用底層數(shù)據(jù)進(jìn)行功能操作。

1 相關(guān)技術(shù)簡介

1.1 云計(jì)算簡介

云計(jì)算是分布式計(jì)算、并行處理、網(wǎng)格計(jì)算在互聯(lián)網(wǎng)下的進(jìn)一步發(fā)展，集成多臺(tái)服務(wù)器和物理機(jī)的資源共同提供服務(wù)，并將大規(guī)模計(jì)算程序拆分成無數(shù)子程序分發(fā)給多臺(tái)服務(wù)器處理，最大程度地利用資源，提高效率[1-5]。

云計(jì)算通過網(wǎng)絡(luò)使用企業(yè)中每臺(tái)機(jī)器上的磁盤空間，并將這些分散的存儲(chǔ)資源構(gòu)成一個(gè)虛擬的存儲(chǔ)設(shè)備，數(shù)據(jù)分散地存儲(chǔ)在企業(yè)的各個(gè)角落，解決了大容量存儲(chǔ)的問題;利用分布式計(jì)算把一個(gè)需要非常巨大的計(jì)算能力才能解決的問題分成許多小的部分，分配給許多計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，解決了企業(yè)高性能計(jì)算的問題。本文利用云計(jì)算技術(shù)搭建基于衛(wèi)通網(wǎng)的云平臺(tái)，解決衛(wèi)通網(wǎng)中海量態(tài)勢數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理問題，比如：綜合態(tài)勢查詢、故障診斷等態(tài)勢數(shù)據(jù)處理問題。

1.2 Hadoop集群簡介

Hadoop是一個(gè)可部署在廉價(jià)硬件上的分布式計(jì)算框架，具有高容錯(cuò)性和可靠性，適用于大數(shù)據(jù)集應(yīng)用程序[6-7]。其關(guān)鍵技術(shù)為HDFS文件系統(tǒng)、MapReduce編輯模型和HBase表單。

HDFS是由一個(gè)NameNode結(jié)點(diǎn)和多個(gè)DataNode結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的主從結(jié)構(gòu)體系，NameNode為管理結(jié)點(diǎn)，DataNode存儲(chǔ)實(shí)際的數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)按照NameNode命令執(zhí)行用戶請(qǐng)求[8]。

MapReduce是一種并行編程模型，可用于大數(shù)據(jù)計(jì)算，通過將海量操作分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)結(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)其可靠性，用戶通過編寫Map函數(shù)和Reduce函數(shù)進(jìn)行并行計(jì)算[9]。適合MapReduce處理的任務(wù)特征為：待處理的大數(shù)據(jù)集可以拆分成多個(gè)獨(dú)立的子數(shù)據(jù)集并行處理[10]，可將MapReduce編程模型應(yīng)用于通信網(wǎng)的大數(shù)據(jù)處理和高性能計(jì)算，解決數(shù)據(jù)融合和高復(fù)雜度計(jì)算問題[11]。

HBase是一個(gè)分布式多維映射表，對(duì)其存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)不做任何解析，一律看作字符串[12]，具有廣泛的適用性、很強(qiáng)的高可擴(kuò)展性、高可用性以及簡單性，適合衛(wèi)星通信網(wǎng)態(tài)勢數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)量龐大的特點(diǎn)[13-15]。

本文利用Hadoop的3種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行集群搭建和態(tài)勢數(shù)據(jù)處理工作。

2 基于衛(wèi)星通信網(wǎng)的云平臺(tái)模型

云計(jì)算在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理下的架構(gòu)模型如圖1所示。本系統(tǒng)采用3層體系結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)應(yīng)用層、系統(tǒng)管理層和底層基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層。

圖1 基于衛(wèi)星通信網(wǎng)的云計(jì)算模型

第一層，系統(tǒng)應(yīng)用層，針對(duì)歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行一些功能操作，比如：綜合態(tài)勢評(píng)估、設(shè)備故障率統(tǒng)計(jì)、故障情景復(fù)現(xiàn)以及任務(wù)期設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。在推理機(jī)作用下，根據(jù)觀測事實(shí)提取征兆信息，然后同知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行匹配，做出故障的診斷與決策，并提供給用戶，進(jìn)行一場決策級(jí)融合。

第二層，系統(tǒng)管理層，通過執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)用程序?qū)eb服務(wù)器與底層集群連接，主要負(fù)責(zé)用戶的管理和訪問控制、任務(wù)管理和資源分配、數(shù)據(jù)管理和集群管理。

第三層，底層基礎(chǔ)設(shè)施層，采用廉價(jià)的物理機(jī)組成Hadoop集群，為系統(tǒng)提供計(jì)算和存儲(chǔ)，其中分布式文件系統(tǒng)(HDFS)用于管理數(shù)據(jù)和分配任務(wù)。

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用層包括四大功能模塊:

綜合態(tài)勢評(píng)估：采集衛(wèi)通網(wǎng)、頻譜監(jiān)視系統(tǒng)、鏈路監(jiān)測系統(tǒng)、計(jì)劃接收系統(tǒng)等態(tài)勢數(shù)據(jù)，并對(duì)這些設(shè)備參數(shù)和鏈路狀態(tài)等態(tài)勢數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，由此得到對(duì)系統(tǒng)綜合態(tài)勢的評(píng)估和呈現(xiàn)；

設(shè)備故障率統(tǒng)計(jì)：根據(jù)設(shè)備歷史參數(shù)信息，對(duì)全站設(shè)備在某時(shí)間段內(nèi)的故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；

故障情景復(fù)現(xiàn)：保留故障發(fā)生時(shí)刻的設(shè)備參數(shù)和鏈路狀態(tài)參數(shù)，方便后續(xù)進(jìn)行故障排查；

任務(wù)期設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)：通過對(duì)任務(wù)期間各個(gè)時(shí)刻數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與處理，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，比如設(shè)備良好率等。

2.2 系統(tǒng)管理層

系統(tǒng)管理層包括三大功能模塊：

數(shù)據(jù)管理模塊：采用HDFS進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，采用一次寫入、多次讀取的模式，客戶端先把收據(jù)緩存在本地的一個(gè)臨時(shí)文件中，當(dāng)臨時(shí)文件的大小累積到一個(gè)塊大小(默認(rèn)64 MB)時(shí)，客戶端與文件系統(tǒng)聯(lián)系并得到一個(gè)數(shù)據(jù)塊空間。文件寫操作關(guān)閉后，進(jìn)入安全模式，數(shù)據(jù)只能進(jìn)行讀操作，不可以再修改數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊損壞后，將被系統(tǒng)回收[16-18]。

用戶管理模塊：用戶首先需要注冊(cè)信息才可登錄系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)操作，系統(tǒng)將用戶信息錄入并分配相應(yīng)權(quán)限，監(jiān)測并控制用戶對(duì)系統(tǒng)的操作與使用。

集群管理模塊：包括節(jié)點(diǎn)管理、作業(yè)監(jiān)控和任務(wù)監(jiān)控。

其功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)管理層架構(gòu)

2.3 底層基礎(chǔ)設(shè)施層

底層基礎(chǔ)設(shè)施層模型如圖3所示。

圖3 底層基礎(chǔ)設(shè)施層架構(gòu)

由數(shù)據(jù)代理監(jiān)控衛(wèi)星通信網(wǎng)、地面網(wǎng)以及光學(xué)網(wǎng)等網(wǎng)管站的設(shè)備參數(shù)以及鏈路狀態(tài)信息，作為元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在廉價(jià)物理機(jī)組成的Hadoop集群中。Hadoop技術(shù)將大量廉價(jià)物理機(jī)組成集群模式，共同提供存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)。將資源整合成一個(gè)虛擬池，以此實(shí)現(xiàn)將軟件應(yīng)用與底層設(shè)備隔離，擴(kuò)展硬件容量，簡化軟件配置過程。

3 基于云計(jì)算的態(tài)勢數(shù)據(jù)處理技術(shù)

基于衛(wèi)星通信網(wǎng)的云平臺(tái)模型中的關(guān)鍵技術(shù)是Hadoop集群技術(shù)，本文利用Hadoop來處理衛(wèi)通網(wǎng)中的態(tài)勢數(shù)據(jù)。

Hadoop的核心是HDFS(Hadoop Distributed File System)、MapReduce和Hbase。其中HDFS提供高吞吐量的分布式文件系統(tǒng)，解決衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問問題；MapReduce為大型數(shù)據(jù)的分布式處理模型，解決衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢數(shù)據(jù)的并行處理問題；Hbase支持結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的分布式數(shù)據(jù)庫，解決態(tài)勢數(shù)據(jù)的管理和組織問題。

3.1 態(tài)勢數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

運(yùn)行在HDFS 上的應(yīng)用主要是以流式讀為主，做批量處理，更注重?cái)?shù)據(jù)訪問的高吞吐量，這符合衛(wèi)星通信系統(tǒng)流式數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。將HDFS應(yīng)用于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理中的態(tài)勢數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，以存儲(chǔ)設(shè)備參數(shù)態(tài)勢數(shù)據(jù)為例，介紹HDFS的處理過程。

用戶在客戶端上存儲(chǔ)收集的設(shè)備參數(shù)態(tài)勢數(shù)據(jù)，當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)超過64 MB時(shí)，登錄網(wǎng)管系統(tǒng)申請(qǐng)資源塊，首先和NameNode節(jié)點(diǎn)連接，獲取存放DataNode的列表，客戶端和DataNode連接，上傳數(shù)據(jù)，NameNode不參與態(tài)勢數(shù)據(jù)的傳輸。

3.2 態(tài)勢數(shù)據(jù)分析處理

本文將MapReduce編程模型應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)管理中的大數(shù)據(jù)融合和高性能計(jì)算，解決態(tài)勢評(píng)估問題，比如：統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障率、鏈路態(tài)勢回放、鏈路告警統(tǒng)計(jì)等。以統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障率為例，介紹MapReduce在衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)管理態(tài)勢評(píng)估中的具體應(yīng)用。

設(shè)備參數(shù)包括：中心ID、站ID 、設(shè)備ID、設(shè)備類型、設(shè)備子類型、告警時(shí)間、告警級(jí)別。以站為單位，對(duì)全站設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其表單如表1所示。

表1 設(shè)備參數(shù)表

字段名類型主鍵非空centerIDIntYESstationIDIntYESmodernIDIntYESYESModernypeStringYESModernsubtypeStringYESWarntimeDataYESWarndescIntYES

利用MapReduce設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)計(jì)全站設(shè)備故障率的程序。通過以下兩個(gè)步驟完成：

① Map階段輸入的是原始數(shù)據(jù)，按照站點(diǎn)對(duì)其劃分，輸出一組鍵值對(duì)<中心ID+站ID，每個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備>，因此Map的功能僅僅是劃分出各個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備；

② 對(duì)于Map之后得到的每個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備數(shù)據(jù)，啟動(dòng)Reduce，每個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備數(shù)據(jù)放在一個(gè)Reduce中處理，定義告警等級(jí)兩級(jí)以上的設(shè)備為故障設(shè)備，故障設(shè)備數(shù)量與每個(gè)站點(diǎn)設(shè)備總數(shù)量的比值即為每個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備故障率，輸出結(jié)果<中心ID+站ID，設(shè)備故障率>。

具體代碼段如下：

Public class ModernFailureRate{

Public static void main(string args[]){

n=1;

for(ModernID=1;ModernID<=ModenIDmax;ModernID++){

if(ModernID.AlarmLevel>=2){

n=n+1; }}

system.out.println(ModernFailureRate=”n/ModernIDmax”)}}

3.3 數(shù)據(jù)庫管理

利用Hbase解決衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理中態(tài)勢數(shù)據(jù)的管理問題。以任務(wù)期間設(shè)備狀態(tài)為例，介紹Hbase存放數(shù)據(jù)的邏輯視圖，其中行關(guān)鍵字為任務(wù)期間設(shè)備狀態(tài)，時(shí)間戳采用倒排方式，列定義為3個(gè)屬性：一級(jí)告警、二級(jí)告警和三級(jí)告警，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)存放邏輯視圖

行關(guān)鍵字時(shí)間戳一級(jí)告警二級(jí)告警三級(jí)告警任務(wù)期間設(shè)備狀態(tài)t7一次t6一次t5一次t4一次

4 實(shí)驗(yàn)仿真及分析

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于衛(wèi)通網(wǎng)歷史態(tài)勢數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境設(shè)置和實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表3所示。

比較單機(jī)和Hadoop(默認(rèn)塊復(fù)制數(shù)目為3，數(shù)據(jù)塊大小為64 M)下系統(tǒng)的性能，定義執(zhí)行時(shí)間為性能參數(shù)。為取得更準(zhǔn)確的結(jié)果，采用多次實(shí)驗(yàn)取平均值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)軟硬件環(huán)境配置

硬件環(huán)境軟件環(huán)境PC機(jī):5臺(tái) 雙核CPU,2.8 GHz內(nèi)存1 GB ,250 GB操作系統(tǒng):Ubuntu8.04執(zhí)行環(huán)境:Sun Java 1.6云開發(fā)平臺(tái):Hadoop-0.20.2

圖4 單機(jī)和Hadoop對(duì)比實(shí)驗(yàn)圖

由圖4可知，當(dāng)數(shù)據(jù)量較小時(shí)，Hadoop集群的處理速度小于單機(jī)，這是因?yàn)槠渚哂蟹植际教攸c(diǎn)，當(dāng)數(shù)據(jù)量較少時(shí)，Hadoop集群將很多時(shí)間用于系統(tǒng)的初始化和通信，集群不能發(fā)揮自身優(yōu)勢。

隨著數(shù)據(jù)量不斷增大，Hadoop集群的處理速度遠(yuǎn)大于單機(jī)處理速度，證明Hadoop集群適合處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集，其性能要遠(yuǎn)高于單機(jī)的處理性能。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)狀，研究云計(jì)算在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理中的應(yīng)用，提出一種基于衛(wèi)星通信網(wǎng)的云計(jì)算模型。分層次展開介紹該模型，利用Hadoop技術(shù)搭建底層集群系統(tǒng)，并介紹分布式文件系統(tǒng)HDFS、并行編程技術(shù)MapReduce和數(shù)據(jù)管理技術(shù)Hbase，最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明其優(yōu)于單機(jī)數(shù)據(jù)處理模式。理論和實(shí)驗(yàn)分析了云計(jì)算應(yīng)用于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的必要性，為后續(xù)工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。