孔昭煜，齊釩宇，賈麗瓊，高學(xué)正，郭 磊

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037； 2.全國(guó)地質(zhì)資料館，北京 100037)

在信息技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)下，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的不斷成熟,以及區(qū)塊鏈技術(shù)的興起，推動(dòng)和改變了現(xiàn)有IT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)使用和管理模式。全國(guó)地質(zhì)資料館正借助開展數(shù)字地質(zhì)資料館建設(shè)工作，將傳統(tǒng)的資料檔案管理工作利用新興技術(shù)向新管理理念和服務(wù)模式轉(zhuǎn)變。同時(shí)將館藏海量的地質(zhì)調(diào)查成果資料數(shù)據(jù)，更高效、更準(zhǔn)確、更可信地向社會(huì)公眾提供便捷服務(wù)，從而將這些具有豐富的資料、檔案和科研價(jià)值屬性的數(shù)據(jù)，更細(xì)粒度的開發(fā)利用提供必備的基礎(chǔ)支撐環(huán)境，是地質(zhì)資料信息化工作者的核心任務(wù)之一[1-2]。

本文以全國(guó)地質(zhì)資料館開展的數(shù)字地質(zhì)資料館建設(shè)工作為基礎(chǔ)，結(jié)合虛擬化、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行綜合分析，重點(diǎn)對(duì)虛擬化技術(shù)的現(xiàn)狀和建設(shè)原則與意義進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，以選擇一套更加便捷、可行和低成本的虛擬化建設(shè)方案為目標(biāo)，促進(jìn)地質(zhì)資料信息化建設(shè)工作更精準(zhǔn)，為開展國(guó)家地質(zhì)資料數(shù)據(jù)中心奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，本文對(duì)數(shù)字地質(zhì)資料館虛擬化系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行一些研究與思考，以期能對(duì)各省級(jí)地質(zhì)資料館藏機(jī)構(gòu)和行業(yè)館藏機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃和信息化工作起到指導(dǎo)和借鑒作用[2]。

1 數(shù)字地質(zhì)資料館基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀

全國(guó)地質(zhì)資料館自1952年成立以來(lái)，是我國(guó)館藏地質(zhì)資料最全的國(guó)家級(jí)地質(zhì)資料館，截止到2019年底館藏量超過17萬(wàn)檔，單套數(shù)據(jù)超過260 TB。這些海量地質(zhì)調(diào)查成果資料最早可追溯到1894年，涵蓋了區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、海洋地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查、水工環(huán)勘查、物化遙勘查、地質(zhì)科學(xué)研究、技術(shù)方法研究和信息技術(shù)等領(lǐng)域。這些地質(zhì)調(diào)查成果數(shù)據(jù)包括了文字、圖表、聲像、樣本、樣品、信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件等內(nèi)容，同時(shí)按照資料內(nèi)容的特殊性，可劃分為公開、內(nèi)部、秘密、機(jī)密和絕密等。這些成果數(shù)據(jù)是廣大地質(zhì)工作者的勞動(dòng)結(jié)晶，具有極高的科研價(jià)值、歷史檔案價(jià)值和重要資料價(jià)值。在信息技術(shù)高速發(fā)展變革的當(dāng)下，全國(guó)地質(zhì)資料館為更好地應(yīng)對(duì)社會(huì)公眾對(duì)地質(zhì)調(diào)查成果資料數(shù)據(jù)的日益增長(zhǎng)的使用需求，特開展建設(shè)數(shù)字地質(zhì)資料館來(lái)更好地為社會(huì)公眾提供及時(shí)準(zhǔn)確的服務(wù)，同時(shí)也是作為地質(zhì)資料工作向新時(shí)代轉(zhuǎn)型的有力抓手[3-5]。

數(shù)字地質(zhì)資料館基礎(chǔ)設(shè)施完全滿足相關(guān)主要業(yè)務(wù)需求，以業(yè)務(wù)需求促基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)保業(yè)務(wù)需求，分別完成了物理隔離網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)兩套不同環(huán)境不同使用需求的基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境。其中，物理隔離工作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境重點(diǎn)完成核心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份系統(tǒng)建設(shè)，同時(shí)滿足日常數(shù)據(jù)生產(chǎn)加工需求，互聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)完成了在線服務(wù)運(yùn)行能力建設(shè)和計(jì)算能力建設(shè)。

全國(guó)地質(zhì)資料館自2012年起全面啟動(dòng)數(shù)字地質(zhì)資料館建設(shè)，其中,2013～2015年集中開展了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，確保了數(shù)據(jù)日常生產(chǎn)和互聯(lián)網(wǎng)在線服務(wù)的基本需求，2016年至今進(jìn)行了少量的設(shè)備補(bǔ)充和替換。通過近年多次的關(guān)鍵應(yīng)用設(shè)備性能升級(jí)，目前基本能夠滿足數(shù)據(jù)管理生產(chǎn)和在線服務(wù)業(yè)務(wù)需求。目前，全部服務(wù)器均為機(jī)架式PC服務(wù)器，近80臺(tái)中的95.24%為2012年后購(gòu)置的，74.6%為2U設(shè)備、14.29%為4U設(shè)備、11.11%為1U設(shè)備。在硬件配置方面CPU為服務(wù)器主要運(yùn)算能力全部為X64架構(gòu)，其中,9.52%為單路、71.43%為雙路、19.05%為四路整體運(yùn)算能力基本能夠滿足要求。綜合存儲(chǔ)能力超過PB級(jí)，全部由專業(yè)NAS存儲(chǔ)系統(tǒng)和SAN存儲(chǔ)系統(tǒng)提供支撐，徹底改變了存儲(chǔ)空間不足和性能不足的局面。備份系統(tǒng)由專業(yè)大型帶庫(kù)提供保障實(shí)現(xiàn)在線備份能力1.2 PB的大容量能力。操作系統(tǒng)全部為Windows平臺(tái)，少量Linux平臺(tái)，結(jié)合GIS專業(yè)平臺(tái)完成了一體化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了全國(guó)地質(zhì)資料館業(yè)務(wù)數(shù)字化升級(jí)，改善了地質(zhì)資料管理工作向全業(yè)務(wù)信息化轉(zhuǎn)型[3-5]。

2 虛擬化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代下，云計(jì)算技術(shù)不斷成熟與完善，虛擬化技術(shù)成為了基礎(chǔ)的應(yīng)用平臺(tái)，從而徹底改變著IT基礎(chǔ)架構(gòu)和應(yīng)用方式，有效地降低了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入成本。同時(shí)，隨著軟件技術(shù)的不斷升級(jí)，數(shù)字地質(zhì)資料館的結(jié)構(gòu)和服務(wù)模式需要大量的基礎(chǔ)支撐設(shè)備來(lái)提供相應(yīng)的服務(wù)和保障，傳統(tǒng)的架構(gòu)已不能完全滿足業(yè)務(wù)需求，因此，開展私有云建設(shè)勢(shì)在必行，虛擬化技術(shù)在此起到了重要的支撐保障作用。

虛擬化技術(shù)核心作用是將計(jì)算機(jī)的物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀憬莨芾淼倪壿嬞Y源，徹底打破了物理結(jié)構(gòu)直接的硬件壁壘，將虛擬計(jì)算機(jī)運(yùn)行在物理資源上，最大程度發(fā)揮物理設(shè)備的硬件資源，減少物理資源對(duì)應(yīng)用平臺(tái)的影響，降低館藏機(jī)構(gòu)的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用和使用成本。 同時(shí)實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)化的應(yīng)用系統(tǒng)部署和后期的維護(hù)，動(dòng)態(tài)地滿足全國(guó)地質(zhì)資料館的業(yè)務(wù)需求。

在數(shù)字地質(zhì)資料館虛擬化平臺(tái)的建設(shè)中，需要選擇更為適合的虛擬化技術(shù)。目前各類不同的虛擬化技術(shù)超過60種，其中，基于X86架構(gòu)的就超過50種，目前5種虛擬化技術(shù)相對(duì)較為成熟，且使用較為廣泛，同時(shí)也是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心主流使用，主要有KVM、XEN、ESXi、Hyper-V、Docker[4-8]。

2.1 ESX虛擬化架構(gòu)特點(diǎn)

ESX虛擬化架構(gòu)是VMware的企業(yè)級(jí)虛擬化產(chǎn)品，在目前市場(chǎng)主流技術(shù)占有市場(chǎng)比例很大，該平臺(tái)可將虛擬機(jī)通過相關(guān)技術(shù)直接訪問CPU和內(nèi)存資源，更加高效地直接訪問和使用物理設(shè)備的資源，能夠更好地發(fā)揮硬件資源的性能。

該虛擬化的特點(diǎn)是總性能高，能夠最大程度的發(fā)揮硬件資源的性能，同時(shí)是成熟的商業(yè)軟件平臺(tái)，相對(duì)比較容易管理和維護(hù)，是市場(chǎng)占有率最高的產(chǎn)品。缺點(diǎn)是除采購(gòu)操作系統(tǒng)外該平臺(tái)需要單獨(dú)進(jìn)行采購(gòu)，且采購(gòu)費(fèi)用相對(duì)較高，需要投入成本相對(duì)較大，適用于經(jīng)費(fèi)、硬件資源較為豐富的館藏機(jī)構(gòu)使用[6]。

2.2 Hyper-V虛擬化架構(gòu)特點(diǎn)

Hyper-V虛擬化架構(gòu)是微軟虛擬化產(chǎn)品，該產(chǎn)品于2008年首次發(fā)布，集成在Windows Server 2008版本中，是操作系統(tǒng)的一個(gè)功能模塊，該虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)CPU的調(diào)度和內(nèi)存的使用分配，同時(shí)可以直接訪問網(wǎng)卡、存儲(chǔ)等物理設(shè)備。同樣作為ESX最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，Hyper-V虛擬化技術(shù)占有一定的市場(chǎng)份額，該技術(shù)總體運(yùn)行性能高。

該虛擬化技術(shù)同樣作為成熟的商業(yè)軟件平臺(tái)，部署、使用相對(duì)容易，使用便捷后期維護(hù)可隨操作系統(tǒng)一同維護(hù)。同時(shí)目前各館藏機(jī)構(gòu)大部分采購(gòu)的服務(wù)器設(shè)備都預(yù)裝了Windows Server基礎(chǔ)系統(tǒng)，因此在實(shí)際使用中該虛擬化平臺(tái)其實(shí)是已隨操作系統(tǒng)完成了購(gòu)置的，無(wú)需單獨(dú)進(jìn)行采購(gòu)，但如需搭建集中管理平臺(tái)，需要單獨(dú)購(gòu)置System Center管理平臺(tái)?？傮w來(lái)看，Hyper-V虛擬化架構(gòu)已基于現(xiàn)有服務(wù)器的操作系統(tǒng)中，其總體采購(gòu)需要額外支出的費(fèi)用是相對(duì)較低的。同時(shí)，該虛擬化架構(gòu)由于使用Windows Server模塊之一，進(jìn)行科學(xué)的系統(tǒng)規(guī)劃后，可在現(xiàn)有物理環(huán)境中進(jìn)行搭建，無(wú)需單獨(dú)購(gòu)置相應(yīng)設(shè)備，更大程度地利用老舊設(shè)備進(jìn)行改造搭建，更加高效地降低建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)通過簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)自行搭建該虛擬化平臺(tái)。缺點(diǎn)是由于是系統(tǒng)的功能模塊之一，在后期使用中隨系統(tǒng)故障的發(fā)生，對(duì)該虛擬化平臺(tái)穩(wěn)定存在一定運(yùn)行隱患，后期維護(hù)該平臺(tái)的同時(shí)需要維護(hù)相應(yīng)的操作系統(tǒng)[3-5]。

2.3 XEN虛擬化架構(gòu)特點(diǎn)

XEN虛擬化架構(gòu)是劍橋大學(xué)的開源研究項(xiàng)目后有Citrix公司收購(gòu)，該虛擬化架構(gòu)理論支持更廣泛的計(jì)算資源，目前使用的范圍是公有云廠商，其需要相對(duì)專業(yè)人員進(jìn)行部署和使用維護(hù)。

該虛擬化架構(gòu)總體運(yùn)行性能較好，由于是開源產(chǎn)品因此無(wú)采購(gòu)費(fèi)用，但使用需要專業(yè)程序員進(jìn)行配置、使用和維護(hù)，其管理和操作復(fù)雜程度較高，直接造成其運(yùn)行維護(hù)成果高，目前很少有最終用戶自行搭建。

2.4 KVM虛擬化架構(gòu)特點(diǎn)

KVM虛擬化架構(gòu)自2007年起被整合到Linux系統(tǒng)中，該平臺(tái)為開源平臺(tái)，無(wú)須額外的采購(gòu)費(fèi)用投入，在硬件方面除了支持X86結(jié)構(gòu)的CPU架構(gòu)外，還支持大型機(jī)、小型機(jī)和ARM等。由于需要專業(yè)人員使用，因此目前的使用范圍集中在云廠商中，由此對(duì)非云廠商的用戶來(lái)講，后期的維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較高，且維護(hù)難易程度大。

該虛擬化架構(gòu)總體運(yùn)行能力一般，隨Linux系統(tǒng)部署其穩(wěn)定性相對(duì)較高，同時(shí)該產(chǎn)品為開源產(chǎn)品無(wú)采購(gòu)?fù)度搿?缺點(diǎn)是隨Linux系統(tǒng)占用一定的計(jì)算資源，同時(shí)使用和維護(hù)成本較高不易非專業(yè)人士使用。

2.5 Docker虛擬化架構(gòu)特點(diǎn)

Docker虛擬化架構(gòu)是2014年新興技術(shù)，其主要目標(biāo)是構(gòu)建輕量級(jí)的操作系統(tǒng)虛擬化解決方案。核心基礎(chǔ)是Linux容器(LXC)等技術(shù)，在操作系統(tǒng)層面上進(jìn)行虛擬化，實(shí)現(xiàn)復(fù)用本地主機(jī)的操作系統(tǒng)，從而構(gòu)建快捷輕量級(jí)的虛擬機(jī)，將系統(tǒng)、開發(fā)軟件包、依賴環(huán)境等集中打包到容器中，部署僅須講容器部署至虛擬化平臺(tái)活服務(wù)器中。

改虛擬化架構(gòu)的總體運(yùn)行性能較高，為開源平臺(tái)無(wú)需進(jìn)行相應(yīng)的建設(shè)經(jīng)費(fèi)。同時(shí)輕量化架構(gòu)能夠提供更多的虛擬化服務(wù)，依托輕量化結(jié)構(gòu)去除了大繁雜的操作系統(tǒng)環(huán)境，在運(yùn)行室性能獲得了極大的提升所有的管理操作均為秒或毫秒計(jì)量。缺點(diǎn)是由于是新興技術(shù)知道了解的人相對(duì)較少，需要專業(yè)人員進(jìn)行部署和維護(hù)，相關(guān)技術(shù)資料缺乏等。

3 數(shù)字地質(zhì)資料館虛擬化平臺(tái)選型原則與意義

隨著數(shù)字地質(zhì)資料館建設(shè)的不斷完善，提供的在線服務(wù)不斷豐富和內(nèi)容不斷的增加，原有的基礎(chǔ)設(shè)施不能完全滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，由于數(shù)據(jù)的特殊性須建設(shè)適用于數(shù)字地質(zhì)資料館的私有云確保滿足業(yè)務(wù)需求的最佳解決方案。同時(shí)，傳統(tǒng)的實(shí)體服務(wù)器存在購(gòu)置投入費(fèi)用高、占用機(jī)房空間大、熱排放和耗電量大等缺點(diǎn)，通過虛擬化技術(shù)可以有效的降低建設(shè)費(fèi)用和后期的使用費(fèi)用[6-9]。

在開展虛擬化技術(shù)平臺(tái)的選型中，首要的目標(biāo)是在確保能夠滿足數(shù)字地質(zhì)資料館全部業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，選擇技術(shù)成熟、管理簡(jiǎn)便、部署相對(duì)容易、使用維護(hù)成本低、建設(shè)投入少的虛擬化平臺(tái)。綜合上述主流的虛擬化結(jié)合現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境，相對(duì)成熟、部署和投入成本核算使用微軟Hyper-V虛擬化架構(gòu)最為合適。

在建設(shè)過程中可以完全利用現(xiàn)有的普通PC服務(wù)器、SAN存儲(chǔ)和交換機(jī)設(shè)備，通過簡(jiǎn)單適當(dāng)?shù)膬?nèi)存和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的補(bǔ)充升級(jí)，完成私有云環(huán)境建設(shè)。利用已購(gòu)置6臺(tái)PC服務(wù)器進(jìn)行內(nèi)存、HBA卡的升級(jí)擴(kuò)容，使用已購(gòu)置存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)建完成生產(chǎn)環(huán)境的私有云環(huán)境建設(shè)，經(jīng)過近1年的試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)由于傳統(tǒng)硬盤讀寫能力存在瓶頸，當(dāng)虛擬機(jī)并發(fā)數(shù)達(dá)到峰值后嚴(yán)重影響虛擬機(jī)使用效率。隨后進(jìn)行了私有云核心存儲(chǔ)SSD閃盤分層技術(shù)升級(jí)，將熱點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)遷移至閃盤中大幅度提高了虛擬機(jī)使用效能，降低了虛擬機(jī)并發(fā)過多對(duì)存儲(chǔ)的運(yùn)行壓力，切實(shí)提高了虛擬機(jī)使用體驗(yàn)感，保障了服務(wù)支撐質(zhì)量。后經(jīng)擴(kuò)容該套虛擬化平臺(tái)共10臺(tái)物理服務(wù)器完成了生產(chǎn)環(huán)境、測(cè)試環(huán)境和備用環(huán)境的有力支撐，總虛機(jī)數(shù)接近百臺(tái)。其中,35%為研發(fā)與測(cè)試使用，15%為基礎(chǔ)支撐服務(wù)，50%為主要業(yè)務(wù)服務(wù)。切實(shí)有效地保障了互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)展和增強(qiáng)，同時(shí)建立了相對(duì)完整的在線服務(wù)集群、測(cè)試環(huán)境和備用環(huán)境。

該項(xiàng)私有云建設(shè)總體投入不足百萬(wàn)，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)超建設(shè)投入，同時(shí)該項(xiàng)建設(shè)無(wú)專業(yè)私有云設(shè)備采購(gòu)，全部利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行建設(shè)。截至2019年底，生產(chǎn)環(huán)私有云節(jié)點(diǎn)CPU為388顆、內(nèi)存2.5 TB目前正式投入使用虛擬機(jī)97臺(tái)，可增加虛擬機(jī)30臺(tái)以上。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)數(shù)字地質(zhì)資料館私有云的建設(shè)，選擇了較為適合本次建設(shè)的微軟Hyper-V虛擬化架構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，有效地節(jié)省了用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的經(jīng)費(fèi)投入，節(jié)省了機(jī)房的占用空間、用電消耗和散熱等運(yùn)行壓力。同時(shí)，通過建設(shè)和運(yùn)行積累了一定的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在充分利用已有基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過合理的設(shè)備改造，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的建設(shè)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)一套低成本的虛擬化平臺(tái)建設(shè)方案，相比采購(gòu)成熟產(chǎn)品和使用免費(fèi)的開源技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)、便捷和可靠。該經(jīng)驗(yàn)可對(duì)省級(jí)館藏機(jī)構(gòu)和行業(yè)館藏機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)分享，切實(shí)推動(dòng)地質(zhì)資料信息化建設(shè)管理水平，提高地質(zhì)資料社會(huì)化服務(wù)保障支撐能力[3,6-9]。