劉素茹

（廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075）

我國(guó)城市化進(jìn)程非?？?，大量的人口進(jìn)入城市以后，產(chǎn)生了一系列的民生、經(jīng)濟(jì)、政務(wù)方面的問(wèn)題，也對(duì)城市管理、民生和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提出了新的要求，在此情況下，智慧城市建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)《新型智慧城市建設(shè)部際協(xié)調(diào)工作組2016-2018年任務(wù)分工》，測(cè)繪地理信息部門(mén)的任務(wù)為指導(dǎo)各地區(qū)開(kāi)展智慧時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及應(yīng)用。時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施是智慧城市的重要組成，是其他信息交換共享與協(xié)同應(yīng)用的載體，其建設(shè)內(nèi)容可以歸結(jié)為：時(shí)空基準(zhǔn)、時(shí)空大數(shù)據(jù)、時(shí)空信息云平臺(tái)、支撐環(huán)境。隨著數(shù)字城市地理空間框架轉(zhuǎn)型升級(jí)為智慧城市時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施，相應(yīng)要實(shí)現(xiàn)“四個(gè)提升”，即空間基準(zhǔn)提升為時(shí)空基準(zhǔn)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)提升為時(shí)空大數(shù)據(jù)，地理信息公共平臺(tái)提升為時(shí)空信息云平臺(tái)，支撐環(huán)境由分散的服務(wù)器集群提升為集約的云環(huán)境。其中，時(shí)空信息云平臺(tái)和支撐環(huán)境是時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施的載體和重要的支撐架構(gòu)，兩者密不可分。

本文以智慧廣東時(shí)空信息云平臺(tái)建設(shè)為例，結(jié)合時(shí)空信息云平臺(tái)，從架構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)路線、關(guān)鍵技術(shù)等多方面詳細(xì)而全面地闡述平臺(tái)支撐環(huán)境的架構(gòu)設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為建設(shè)具有統(tǒng)一性、動(dòng)態(tài)性、豐富性的智慧廣東時(shí)空信息云平臺(tái)，采用統(tǒng)一云支撐環(huán)境的集約模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù) （IaaS） 、數(shù)據(jù)即服務(wù) （DaaS） 、平臺(tái)即服務(wù) （PaaS） 、軟件即服務(wù) （SaaS） 提供各類應(yīng)用服務(wù)的基礎(chǔ)支撐，形成智慧城市數(shù)據(jù)中心與共享應(yīng)用中心，總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體框架架構(gòu)圖

1.2 支撐環(huán)境架構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐環(huán)境是智慧廣東時(shí)空信息云平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的支撐和保障，主要組成是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)和平臺(tái)即服務(wù)，如圖2所示。

基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)采用基于OpenStack架構(gòu)的華為FusionSphere云服務(wù)和管理平臺(tái)，提供完整的軟件定義數(shù)據(jù)中心能力和管理自動(dòng)化能力。FusionCompute管理虛擬機(jī)的整個(gè)生命過(guò)程，F(xiàn)usionStorage為虛擬機(jī)提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，F(xiàn)usionNetwork提供云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)虛擬化服務(wù)，服務(wù)抽象層負(fù)責(zé)將各種不同的虛擬化引擎平臺(tái)整合在一起，服務(wù)呈現(xiàn)層進(jìn)行資源的再分配、管理和使用，F(xiàn)usionManager提供統(tǒng)一云管理能力，包括自動(dòng)化管理和資源智能運(yùn)維能力，監(jiān)控各類硬件資源的健康狀態(tài)，對(duì)各類資源訪問(wèn)進(jìn)行權(quán)限管理等。

平臺(tái)即服務(wù)自主搭建，包括隔離驅(qū)動(dòng)、云中工具、運(yùn)維中心和云化應(yīng)用等組件。

圖2 支撐環(huán)境架構(gòu)圖

2 技術(shù)路線

2.1 IaaS層技術(shù)路線

基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù) （IaaS） 是支撐環(huán)境的重要組成部分，由基礎(chǔ)設(shè)施資源池和管理平臺(tái)兩部分組成?；A(chǔ)設(shè)施資源池是服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的資源大集合，通過(guò)云化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源的集約化管理。能根據(jù)應(yīng)用程序的要求快速配置應(yīng)用所需支撐環(huán)境，有效地支持業(yè)務(wù)需求的變化。

管理平臺(tái)由資源管理平臺(tái)和業(yè)務(wù)管理平臺(tái)兩部分組成，資源管理平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施資源池的資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)度，如數(shù)據(jù)管理、資源監(jiān)控、資源部署、資源調(diào)度、安全管理、虛擬機(jī)管理等，實(shí)現(xiàn)IaaS服務(wù)的可管可控。業(yè)務(wù)服務(wù)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)將IaaS的各種資源封裝成服務(wù)提供平臺(tái)管理者使用，如業(yè)務(wù)服務(wù)管理、業(yè)務(wù)流程管理和用戶管理等，是實(shí)現(xiàn)IaaS服務(wù)正常管理的保證。IaaS技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 IaaS技術(shù)路線

2.2 PaaS層技術(shù)路線

支撐環(huán)境通過(guò)特有的PaaS層云隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在云環(huán)境下統(tǒng)一的應(yīng)用管理模式和用戶體驗(yàn)，提供云應(yīng)用運(yùn)維管理能力。平臺(tái)多種業(yè)務(wù)統(tǒng)一運(yùn)維管理能力可以將多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)所需資源在虛擬數(shù)據(jù)中心資源池中統(tǒng)籌安排，避免出現(xiàn)熱點(diǎn)業(yè)務(wù)資源不足，冷門(mén)業(yè)務(wù)資源又不能釋放共享的問(wèn)題，有效提升資源利用率。云中穩(wěn)定的應(yīng)用級(jí)負(fù)載均衡代理能力，除了能保證GIS服務(wù)節(jié)點(diǎn)的高可用性之外，也可用于提升業(yè)務(wù)系統(tǒng)的魯棒性；PaaS層上統(tǒng)一的應(yīng)用級(jí)監(jiān)控體系，可以提供諸如應(yīng)用中間件連接數(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)量、GIS服務(wù)狀態(tài)等反應(yīng)系統(tǒng)真實(shí)負(fù)載情況的指標(biāo)，而且還提供了靈活可擴(kuò)展的自定義參數(shù)監(jiān)控能力，滿足特殊定制性的監(jiān)控需求。PaaS技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 PaaS技術(shù)路線

3 關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)

3.1 云技術(shù)

一是內(nèi)存復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)在物理內(nèi)存一定的情況下跑更多虛擬機(jī)的能力。通過(guò)綜合運(yùn)用內(nèi)存氣泡、基于內(nèi)容的頁(yè)面共享 、內(nèi)存交換等內(nèi)存利用技術(shù)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行復(fù)用，使虛擬機(jī)內(nèi)存總和大于服務(wù)器規(guī)格內(nèi)存總和，提高物理節(jié)點(diǎn)中虛擬機(jī)密度。二是分布式共享存儲(chǔ)技術(shù)提高存儲(chǔ)可用性和可靠性。由于分區(qū)的副本被分散到多個(gè)不同的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上，數(shù)據(jù)修復(fù)時(shí)，將會(huì)在不同的節(jié)點(diǎn)上同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)重建，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上只需重建一小部分?jǐn)?shù)據(jù)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)并行工作，能夠以超快的重建時(shí)間進(jìn)行自修復(fù)，1 TB硬盤(pán)的重建時(shí)間小于30 min。三是自動(dòng)精簡(jiǎn)配置技術(shù)提供存儲(chǔ)超分配能力。只有寫(xiě)入數(shù)據(jù)的虛擬存儲(chǔ)空間才真正分配到物理存儲(chǔ)，未寫(xiě)入的虛擬存儲(chǔ)空間不占用物理存儲(chǔ)資源，這樣就可以虛擬出比實(shí)際物理存儲(chǔ)更大的虛擬存儲(chǔ)空間。四是分布式虛擬交換機(jī)技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性。把所有物理節(jié)點(diǎn)虛擬網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理，減少管理任務(wù)，意味著更少的錯(cuò)誤和更多的運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)提供可視化的網(wǎng)絡(luò)管理能力，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、流量信息等。五是?yīng)用部署自動(dòng)化。通過(guò)模板自動(dòng)完成創(chuàng)建虛擬機(jī)、安裝操作系統(tǒng) 、創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、安裝應(yīng)用等一系列過(guò)程。

3.2 大數(shù)據(jù)體系支撐技術(shù)

大數(shù)據(jù)體系由兩大技術(shù)路線分層級(jí)進(jìn)行支撐，一是容器化分布式計(jì)算框架，平臺(tái)集成了標(biāo)準(zhǔn)的分布式計(jì)算框架，在云中可以高效的按需提供大數(shù)據(jù)計(jì)算能力，大數(shù)據(jù)中心算子實(shí)現(xiàn)全容器化，結(jié)合業(yè)務(wù)類型需要，通過(guò)云中投遞容器的能力，動(dòng)態(tài)生成容器算子，計(jì)算完畢后快速釋放資源供其他計(jì)算模型使用，真正地將分布式計(jì)算和云技術(shù)結(jié)合起來(lái)向云計(jì)算時(shí)代邁進(jìn)。二是傳統(tǒng)Hadoop體系，傳統(tǒng)Hadoop體系因?yàn)榇疟P(pán)I/O問(wèn)題，一般推薦采用物理服務(wù)器直接部署。針對(duì)這種情況，平臺(tái)的管理思路是提供統(tǒng)一監(jiān)控服務(wù)，Hadoop物理服務(wù)器集群搭建完畢后，通過(guò)資源注冊(cè)的方式將物理服務(wù)器納入GeoStack運(yùn)維管理體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)各運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及異常情況告警。

3.3 云中應(yīng)用統(tǒng)一管理設(shè)計(jì)

將云中應(yīng)用的關(guān)鍵性能指標(biāo)配置到內(nèi)置的應(yīng)用監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)異常情況處理邏輯，統(tǒng)一運(yùn)維和交付。以最典型的GIS服務(wù)為例，GIS服務(wù)發(fā)布時(shí)自動(dòng)關(guān)聯(lián)到云平臺(tái)的負(fù)載均衡組件和應(yīng)用監(jiān)控體系中，當(dāng)監(jiān)控到中間件連接數(shù)或者其他預(yù)設(shè)關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到閾值時(shí)，云平臺(tái)會(huì)自動(dòng)調(diào)度資源發(fā)布若干同類服務(wù)節(jié)點(diǎn)分擔(dān)該服務(wù)的壓力，全過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)，在降低人工錯(cuò)誤概率的同時(shí)及時(shí)地保障了用戶體驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)方法如圖5所示。

圖5 GIS服務(wù)彈性管理

3.4 安全防護(hù)設(shè)計(jì)

時(shí)空信息云平臺(tái)的安全防護(hù)主要從以下三個(gè)方面保障平臺(tái)的安全穩(wěn)定運(yùn)行：一是運(yùn)維管理安全設(shè)計(jì)。采用運(yùn)維管理堡壘機(jī)，接管了運(yùn)維人員對(duì)設(shè)備的直接聯(lián)系，所有操作必須通過(guò)運(yùn)維管理堡壘機(jī)，提供唯一的登錄途徑，統(tǒng)一的身份認(rèn)證和賬號(hào)管理，合理的資源授權(quán)，從而可以根據(jù)用戶進(jìn)行不同策略的制定，細(xì)粒度的訪問(wèn)控制，達(dá)到最大限度的保護(hù)資源的安全，防止非法、越權(quán)訪問(wèn)事件的發(fā)生；同時(shí)記錄運(yùn)維人員的操作，必要時(shí)可以對(duì)違規(guī)行為進(jìn)行溯源。二是設(shè)備和系統(tǒng)的防護(hù)設(shè)計(jì)。 在網(wǎng)絡(luò)出口， 使用防火墻設(shè)備，提供邊界訪問(wèn)控制和邊界安全防護(hù)；通過(guò)數(shù)據(jù)流控制、入侵監(jiān)測(cè)、防病毒、流量控制等功能，保障網(wǎng)絡(luò)的安全；對(duì)于虛擬化服務(wù)器， 采用“無(wú)代理”方式部署虛擬化安全管理系統(tǒng)，內(nèi)置應(yīng)用級(jí)的防火墻、防病毒模塊，做好虛擬機(jī)的安全保護(hù)；針對(duì)終端，通過(guò)采用安裝殺毒軟件，實(shí)時(shí)保護(hù)終端的系統(tǒng)安全， 避免病毒的攻擊； 對(duì)于來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)線路的攻擊重點(diǎn)關(guān)注，通過(guò)將部署在互聯(lián)網(wǎng)上的系統(tǒng)的域名，前置到專業(yè)的云平臺(tái)網(wǎng)站安全中心上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)，所有針對(duì)該系統(tǒng)域名的訪問(wèn)流量統(tǒng)一先經(jīng)過(guò)該產(chǎn)品進(jìn)行過(guò)濾，有效預(yù)防黑客發(fā)起的SYNFlood、UDPFlood、TCPFlood等DDOS攻擊，同時(shí)可對(duì)用戶進(jìn)行智能選路，針對(duì)來(lái)源IP選擇不同的運(yùn)營(yíng)商線路結(jié)合高速緩存等技術(shù)，對(duì)站點(diǎn)訪問(wèn)進(jìn)行加速。三是通過(guò)機(jī)制保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定。組建專業(yè)化的運(yùn)維管理團(tuán)隊(duì)，配合自動(dòng)化監(jiān)控工具，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；采用等保測(cè)評(píng)等方式，使系統(tǒng)滿足等保的安全要求，定期委托專業(yè)公司對(duì)時(shí)空信息云平臺(tái)進(jìn)行安全測(cè)評(píng)并出具測(cè)評(píng)報(bào)告；通過(guò)這些監(jiān)控和測(cè)評(píng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，快速修復(fù)系統(tǒng)的漏洞，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

4 支撐環(huán)境建設(shè)

按應(yīng)用類型進(jìn)行分區(qū)部署：數(shù)據(jù)庫(kù)單獨(dú)一個(gè)網(wǎng)段；大數(shù)據(jù)中心、分布式服務(wù)部署在第二網(wǎng)段內(nèi)；時(shí)空云門(mén)戶、示范應(yīng)用、Nginx代理、渲染引擎、分布式計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署在第三網(wǎng)段內(nèi)。具體部署情況如下：一是數(shù)據(jù)庫(kù)用物理機(jī)和SAN存儲(chǔ)提供服務(wù)，使用Oracle 11關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，3臺(tái)PC服務(wù)器，oracle RAC部署方式。二是分布式架構(gòu)部署服務(wù)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)目前運(yùn)行的60多個(gè)服務(wù)的服務(wù)伸縮。三是示范應(yīng)用服務(wù)器，平臺(tái)建設(shè)了6個(gè)示范應(yīng)用，分別部署在5臺(tái)服務(wù)器中。四是時(shí)空云門(mén)戶服務(wù)器，時(shí)空云平臺(tái)門(mén)戶網(wǎng)站是對(duì)外窗口，包含GeoOnline和資源代理服務(wù)器。五是渲染引擎服務(wù)器，渲染引擎采用分布式部署，為矢量數(shù)據(jù)高速渲染提供支撐，代理服務(wù)器作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。六是分布式計(jì)算節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，分布式并行計(jì)算框架采用Hadoop架構(gòu)，為海量數(shù)據(jù)分析提供支撐。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從設(shè)計(jì)先進(jìn)的云支撐環(huán)境IaaS層和PaaS層技術(shù)路線、應(yīng)用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)體系關(guān)鍵技術(shù)，到實(shí)現(xiàn)云中應(yīng)用統(tǒng)一管理和安全防護(hù)等多層次探討與實(shí)踐，全面闡述了構(gòu)建智慧廣東時(shí)空信息云平臺(tái)基礎(chǔ)支撐環(huán)境的解決方案。支撐環(huán)境的扎實(shí)基礎(chǔ)加快了廣東智慧城市時(shí)空信息云平臺(tái)建設(shè)試點(diǎn)工作，對(duì)指導(dǎo)開(kāi)展時(shí)空大數(shù)據(jù)及時(shí)空信息云平臺(tái)構(gòu)建，具有重要意義，并為廣東自然資源和空間地理基礎(chǔ)信息庫(kù)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。