張宏偉，劉 直，劉 霞

(1.民航東北地區(qū)空中交通管理局氣象中心，遼寧 沈陽 110000；2.東北大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819)

0 引 言

民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)總體上是一個星型拓撲結構，是以民航氣象中心為中心節(jié)點，向下輻射到七個地區(qū)中心，再由地區(qū)中心為節(jié)點向下輻射到分局站及屬地化機場。民航地區(qū)氣象中心的各個地區(qū)中心及屬地化機場都有各自的數(shù)據(jù)中心。民航氣象中心收集各個地區(qū)中心上交的氣象資料，處理并存儲這些氣象資料，并將處理后的資料按照航空氣象資料交換辦法交互到各個地區(qū)中心，地區(qū)中心將收到的氣象資料入庫，并下發(fā)到各自分局站和屬地化機場。

各個地區(qū)數(shù)據(jù)中心主要由氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成，而氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)又包括通信分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)、信息處理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、應用子系統(tǒng)、服務子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)、用維護終端、雷達共享服務系統(tǒng)、東北地區(qū)自動觀測聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、亞洲危險天氣咨詢系統(tǒng)等，每個子系統(tǒng)由若干服務器、工作站以及網(wǎng)絡設備組成。

要對這些設備進行高效管理并不是一件容易的事，目前民航氣象系統(tǒng)中的民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)從投入運行到現(xiàn)在已有23年，這其中經(jīng)歷了多次升級改造，包括結構上的變化、服務器硬件軟件的更新、網(wǎng)絡設備的更新以及傳輸模式的改變等等，新的應用技術也不斷融入到這些變化之中。

隨著民航氣象業(yè)務量的不斷增長,民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所承載的功能也不斷增加,結構也更為復雜,而系統(tǒng)能否運行的可靠、硬件資源利用率是否高效以及系統(tǒng)是否方便管理等眾多方面都面臨著亟待解決的問題。

1 民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的現(xiàn)狀

民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實際上是由分布在不同物理位置的數(shù)據(jù)中心構成的。這里所說的數(shù)據(jù)中心是指集中容納多個服務器以及通信設備，這些設備放置在一起是因為它們具有對環(huán)境相同的要求以及物理安全上的需求，并且這樣做更易于維護。

通常數(shù)據(jù)中心還包括不間斷電源、空調、完整的監(jiān)控系統(tǒng)等設備。上述所提到的數(shù)據(jù)中心是傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)中心。民航東北空管局氣象中心的數(shù)據(jù)中心配置不同系列的服務器，每臺服務器的操作系統(tǒng)不盡相同，部署了不同的業(yè)務軟件，由于業(yè)務軟件的種類繁多，這就造成了軟件部署和升級的困難[1]，越來越多的業(yè)務部署對服務器的性能提出了更高的要求，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心管理下只能不斷隨之升級服務器硬件，增加了業(yè)務部署的成本[2]，不同項目購置的基礎設施導致機房機柜空間分配困難，由于空間和電源供應等問題也為將來系統(tǒng)擴展帶來隱患[3]；此外，硬件的低運行效率和維護人員不斷增加也是客觀存在的問題。

這就需要有一種新的IT理念融入到民航氣象業(yè)務系統(tǒng)的建設之中。而軟件定義數(shù)據(jù)中心能夠有效解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心面臨的問題，它能將計算機資源邏輯抽象化[4]，它能夠虛擬化、軟件化數(shù)據(jù)中心的一切資源,通過構建虛擬服務器環(huán)境，能夠防止出現(xiàn)硬件兼容性問題[5]。這也推動了信息系統(tǒng)從傳統(tǒng)大型主機向開放架構演變[6-8]。

2 軟件定義數(shù)據(jù)中心

2.1 軟件定義數(shù)據(jù)中心的概念

SDDC就是在各種底層硬件架構上面加載了一個虛擬的基礎設施層。軟件提供了讓數(shù)據(jù)中心適配新形勢和新應用所需的一切，管理了從存儲到交換機乃至安全等方方面面。虛擬化一切，底層硬件的任何變化都與上層無關，有了這個基礎，可伸縮性和性能問題可迎刃而解，包含有大量遺留資產(chǎn)的數(shù)據(jù)中心因此可以提高效率，降低成本，實現(xiàn)動態(tài)化，有效解決高性能硬件資源空間利用率不高和服務器管理維護成本增加等問題[9]。所以軟件定義數(shù)據(jù)中心就是把數(shù)據(jù)中心所有的傳統(tǒng)物理、硬件的資源進行虛擬化、軟件化[10]。SDDC將不再需要IT技術人員來操縱孤立的服務器，網(wǎng)絡和存儲硬件將響應供應請求。如圖1所示，系統(tǒng)管理員可以不用在多個應用維護系統(tǒng)中維護設備，只需要通過一臺服務器上的維護軟件來管理多臺主機上的虛擬機，而虛擬機上可以運行不同的操作和應用系統(tǒng)，甚至可以將管理服務部署到一臺虛擬機中，這樣會使得管理效率大幅度提高。

圖1 新維護模式

軟件定義數(shù)據(jù)中心是云計算的基礎,其核心部分是服務器虛擬化、存儲虛擬化及網(wǎng)絡虛擬化。而服務器虛擬化的應用非常普遍，是將物理服務器的實體資源通過抽象轉換后，可以重新組合為邏輯上的一臺或多臺計算機配置，從而打破物理機構之間的障礙，使得用戶獲得比原先更好的資源配置。虛擬化是將原來運行在物理計算機中的操作系統(tǒng)或應用軟件，采用虛擬化管理工具移植到虛擬機中運行的一種行為[11-12]。虛擬化的目標是協(xié)同利用存儲、處理器和網(wǎng)絡等IT資源，最大限度地降低IT資源的成本。這可以通過合并多個空閑資源，實現(xiàn)創(chuàng)建不同的虛擬機來同時執(zhí)行不同的任務。虛擬機是一臺軟件計算機，確切的說，虛擬機是一種嚴密隔離的軟件容器，它可以運行操作系統(tǒng)和應用程序，虛擬機的運行完全類似于一臺物理機，使用虛擬機，像使用真正的物理計算機一樣，在虛擬機中安裝操作系統(tǒng)和各種軟件。使用虛擬機可以在一臺計算機上同時安裝并運行多個不同類型的操作系統(tǒng),并且每個虛擬機之間是獨立并且互不影響的,每個虛擬機的啟動與關閉不影響其他虛擬機的運行。

2.2 軟件定義數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢

虛擬機有自身的優(yōu)勢，虛擬機與所有標準的X86操作系統(tǒng)、應用程序和設備啟動程序完全兼容，這樣就可以實現(xiàn)在虛擬機上運行與在X86物理機上運行的相同的軟件。虛擬機把虛擬的硬件資源、操作系統(tǒng)及應用軟件封裝在一個軟件容器內，封裝使得虛擬機的移動及管理變得異常容易，將虛擬機從一臺宿主機移動到另一臺宿主機或移到其他存儲區(qū)域變得非常方便,并且在移動后不需要對設備的驅動程序、操作系統(tǒng)及應用程序進行修改。在同一臺物理機上可以同時運行多臺虛擬機，這些虛擬機共享物理機的資源，但是這些物理機上的虛擬機是相互隔離的，就像分布在不同位置的物理機一樣，如果一臺物理機上有三臺虛擬機，其中有一臺虛擬機損壞并不影響另外兩臺虛擬機的運行。同理，刪除一臺虛擬機實際上是刪除虛擬機所占用的文件，并不會影響主機系統(tǒng)，所以當虛擬機損壞后如果被刪除，是不會影響其他虛擬機工作的。隔離性是虛擬機之間的安全保障基礎，一臺虛擬機被病毒感染后，是不會傳染到其他虛擬機的，而病毒通過網(wǎng)絡的傳播則并不是虛擬機自身的問題。虛擬機獨立于底層物理硬件，可以為虛擬機配置與底層硬件完全不同的虛擬硬件。這些優(yōu)勢應用在氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中是完全適合的，航空氣象產(chǎn)品的制作需要很多不同的應用軟件，目前這些軟件分別運行在不同的物理終端上，再加上氣象雷達終端、本場自動觀測終端，已經(jīng)出現(xiàn)了預報員工作臺空間擁擠的問題，在這種情形下，如果在一臺高配置的X86物理機上建立多臺虛擬機，然后把不同的應用程序安裝在不同的虛擬機中，預報員再通過桌面虛擬化系統(tǒng)訪問不同的虛擬機，這樣將會節(jié)省很大的物理空間。在使用虛擬化之前，每臺物理服務器的配置均較低，在使用安全性和日常維護中，維護人員往往對單臺服務器的關注度并不會很高，那么這種情況會導致單臺工作站出現(xiàn)問題的概率增大，而采用虛擬化后，管理維護人員會對每臺運行虛擬機的服務器檢查到位，這樣物理服務器出問題的概率要比虛擬化之前低很多。在對數(shù)據(jù)中心的核心服務器進行虛擬化的時候，不是簡單的在一臺服務器上建立多臺虛擬機，往往還要考慮系統(tǒng)的可靠性，通常在虛擬化時采用共享存儲，將虛擬機保存在共享存儲中，這樣當某臺主機損壞時，虛擬機可以從一臺主機自動遷移到另一臺主機上，從而能夠保證業(yè)務工作順暢不間斷地運行。在一個數(shù)據(jù)中心中存在多個廠家的網(wǎng)絡設備是很常見的現(xiàn)象，這些網(wǎng)絡設備之間的差異會增加企業(yè)維護成本，而通過在商用服務器上部署管理網(wǎng)絡功能，則可以將網(wǎng)絡拓撲結構管理統(tǒng)一化，網(wǎng)絡可靠化。由此可見，服務器虛擬化是廣泛應用于IT企業(yè)的一種技術創(chuàng)新[13]。

2.3 軟件定義中心的方案選擇

在對數(shù)據(jù)中心虛擬化時通常采用兩種方案，一種是建立全新的虛擬化數(shù)據(jù)中心;另一種則是利用現(xiàn)有的基礎設施，在現(xiàn)有硬件基礎上新增部分設備，將原有的硬件設施進行升級改造。在升級改造過程中一般應遵從就低原則，對原有設備逐漸分批地進行虛擬化，然后將它們組成一個新的數(shù)據(jù)中心。在數(shù)據(jù)中心進行虛擬化的過程中，先虛擬化重要性低的物理機，將這些物理機上的應用遷移到虛擬機上運行一段時間，觀察是否會對日常業(yè)務處理功能有影響，并相應地做一些故障模擬，對出現(xiàn)的問題進行試驗測試，待日常業(yè)務處理功能一切正常后，再虛擬化其他物理主機。一般對于不適合虛擬化的應用仍然選擇在原來的物理主機上運行。

3 運用SDDC在民航東北空管局氣象中心業(yè)務中增加可靠性

3.1 本地區(qū)亞洲危險天氣咨詢中心構成

亞洲危險天氣系統(tǒng)是民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一個重要組成部分，亞洲危險天氣咨詢系統(tǒng)是由中國民用航空局、中國氣象局和香港文臺聯(lián)合建設。該系統(tǒng)能夠收集所管轄區(qū)域的各種氣象信息，實現(xiàn)針對危險天氣的識別和告警、引入多種資料的綜合預報系統(tǒng)并融入國內外數(shù)十種預報產(chǎn)品，實現(xiàn)針對各種危險天氣的短時預報，并按一定的格式制定亞洲危險天氣咨詢產(chǎn)品。目前，民航氣象系統(tǒng)中的位于地區(qū)中心中的亞洲危險天氣咨詢系統(tǒng)所采用的運行模式如圖2所示，每臺服務器單獨運行一個應用來完成相應的業(yè)務。

圖2 亞洲危險天氣咨詢系統(tǒng)結構

對數(shù)據(jù)接收服務器、產(chǎn)品處理服務器以及WEB服務器使用率的情況進行檢查的結果依次如圖3所示。從顯示結果可以看出，每臺服務器的硬件利用效率并不高，CPU大部分時間處于閑置狀態(tài)，每臺服務器都是32G內存，每臺服務器僅有不到3G的使用率。在這種情況下就非常有必要對亞洲危險天氣咨詢系統(tǒng)進行升級改造，來提高服務器的硬件使用效率。

圖3 虛擬化前服務器的硬件資源使用情況

3.2 運用Vmware vsphere實現(xiàn)亞洲危險天氣咨詢系統(tǒng)的改造

Vmware vsphere是VMware公司開發(fā)的虛擬化平臺，是VMware軟件定義數(shù)據(jù)中心的基礎，可作為SDDC的核心基礎架構。Vmware vsphere也是業(yè)界領先的虛擬化平臺，可以通過虛擬化的橫向擴展和縱向擴展應用，重新定義可用性以及簡化虛擬數(shù)據(jù)中心，最終實現(xiàn)恢復能力強的、高可用的按需基礎架構。同時，Vmware vsphere可以降低數(shù)據(jù)中心成本，增加系統(tǒng)和應用正常在線時間，顯著簡化IT運行數(shù)據(jù)中心的方式。使用Vmware vsphere將一臺計算機虛擬為多臺邏輯計算機，也就是說計算機不再是單獨運行的個體，從邏輯上可以并行多個計算機，并且不同計算機之間不受操作系統(tǒng)的約束，軟件程序可以選擇不同的空間運行，互不干涉，大大擴展了計算機的實際操作空間，改進了管理效果[14]。在虛擬化項目中，如果資金允許的話，采用共享存儲是必然的選擇，通常采用的存儲設備不是服務器本地硬盤。只有配置共享存儲設備，且虛擬機存儲資源保存在共享存儲時，才能實現(xiàn)將正在運行的虛擬機在不中斷服務的情況下，從一臺主機遷移到另一臺主機或將虛擬機的存儲進行遷移；當集群中的主機或虛擬機發(fā)生故障時，可以自動轉移到其他的主機上進行重新啟動，從而最大限度地保證重要的服務業(yè)務不被中斷，如圖4所示。

圖4 具有共享存儲的結構

在本改造項目中，為了節(jié)省硬件資源，在正在使用的亞洲危險天氣咨詢系統(tǒng)改造項目中使用的是兩臺物理服務器承擔在線系統(tǒng)的三臺服務器的功能，如圖5所示。由于亞洲危險天氣咨詢系統(tǒng)在設計時還有其他功能模塊，那么在后期改造中如果根據(jù)業(yè)務工作需求還需要部署其他服務器，則可以直接在ESXI主機上創(chuàng)建所需要的虛擬機，這樣可以省去采購服務器的環(huán)節(jié)，能夠節(jié)省大量的時間，使得新的業(yè)務功能得以快速上線。

圖5 熱備系統(tǒng)的硬件結構

Vcenter是一臺管理服務器，使用的是一臺較低配置的PC，當然為了節(jié)省成本，也可以將Vcenter的功能用ESXI主機上的虛擬機來實現(xiàn)。在Vcenter服務器上安裝了VCSA服務，充當連接到網(wǎng)絡的ESXI主機的中心管理員，可以將多個主機的資源加入池中并管理這些資源。vsphere client和vsphere web client都是管理終端，管理員通過管理終端登錄到EXSI主機，繼而管理ESXI主機資源的分配、虛擬機的建立、安裝、配置、遷移、拷貝、編輯等功能。

虛擬機部署完成后，三臺虛擬機的資源使用情況如圖6所示。

圖6 虛擬化后服務器的硬件資源使用情況

由圖6可見，在三臺虛擬機中，分配給每臺虛擬機4G的內存，每臺虛擬機1個虛擬CPU，由于磁盤的容量足夠大，所以不做討論。可以看出，用兩臺配置相同的服務器運行在三臺服務器上的應用與三個應用分別在三臺服務器上運行是沒有問題的，對于航空用戶來說，將原來三個位于三臺獨立服務器上的應用遷移到一個主機同時運行，可以達到充分發(fā)揮硬件性能的目的。這說明在硬件資源充足的情況下，只要合理分配，是可以承擔更多應用，以達到充分使用硬件資源，節(jié)約能耗的目的。此外，本項目中的兩臺主機也不是孤立的，通過管理端，可以控制兩臺主機上的虛擬機的運行。比如，在正常情況下，是由ESXI主機0承擔主用功能，如果此時發(fā)現(xiàn)WEB故障，就可以啟動ESXI主機1事先克隆好的WEB，替代故障的WEB繼續(xù)對外提供服務，此時是由ESXI主機0上的數(shù)據(jù)接收服務器、產(chǎn)品處理服務器及ESXI主機1上的WEB服務器形成一個系統(tǒng)對外提供服務；如果ESXI主機0的虛擬機數(shù)據(jù)接收服務器發(fā)生故障，可以啟動ESXI主機1上對應的虛擬機，這時ESXI主機0上的虛擬機產(chǎn)品處理服務器與WEB服務器和ESXI主機1上虛擬機數(shù)據(jù)接收服務器組成一個系統(tǒng)對外提供服務；如果ESXI主機的虛擬機產(chǎn)品處理服務器發(fā)生故障，則啟動ESXI主機1上對應的虛擬機，此時ESXI主機0上的虛擬機WEB服務器與數(shù)據(jù)接收服務器和ESXI主機1上的虛擬機產(chǎn)品處理服務器組成一個系統(tǒng)對外提供服務；同理，ESXI主機0上的任意兩臺虛擬機發(fā)生故障，同樣可以啟動ESXI主機1上對應的兩臺虛擬機和ESXI主機0的上剩余的一臺虛擬機進行組合對外提供服務，以便給管理員留出更充足的時間恢復故障。當ESXI主機0故障，也可以用ESXI主機1取代。實際上這種體系結構可以完全替代目前的體系結構，運行更加可靠，維護更加方便。此外，雖然沒有在本熱備項目中采用共享存儲，但是，通過測試，ESXI主機0上虛擬機，數(shù)據(jù)接收服務器、產(chǎn)品處理服務器、WEB服務器可以在正在運行的狀態(tài)遷移到ESXI主機1上；同樣，ESXI主機1上的虛擬機，數(shù)據(jù)接收服務器、產(chǎn)品處理服務器、WEB服務器可以在正在運行的狀態(tài)遷移到ESXI主機0上，這樣當需要對ESXI主機0或ESXI主機1進行日常硬件維護或軟件升級時，對航空氣象用戶的業(yè)務可以持續(xù)進行，而不被中斷。運用Vmware vsphere虛擬化技術對東北地區(qū)亞洲危險天氣咨詢系統(tǒng)進行改造，提高了數(shù)據(jù)中心的運行效率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和管理便捷性。這個項目的改造只是SDDC理念引入的一個實例，今后在以X86架構為主的舊系統(tǒng)的改造和新系統(tǒng)的構建方面這種構建理念的積極意義會體現(xiàn)得更加明顯。

本項目待完善的部分是無共享存儲。由于預算的問題，本項目改造中并沒有采用共享存儲，由于未用到共享存儲，虛擬化平臺的某些高級特性是無法實現(xiàn)的，如HA和DRS是無法使用的，也就是某臺虛擬機故障后，無法實現(xiàn)自動切換，而如果采用共享存儲，當集群中的ESXI主機和虛擬機發(fā)生故障時，虛擬機可以在其他ESXI主機上自動啟動，無需人工干預。DRS的功能是自動將資源更加合理地分配給虛擬機，Vcenter服務器會計算各個ESXI主機的硬件資源使用情況，然后將正在運行的虛擬機自動遷移到硬件資源空閑多的ESXI主機上運行，此時并不影響被遷移虛擬機的業(yè)務運行。

此外，在目前東北地區(qū)的氣象中心機房之外還有獨立的實驗室，將桌面虛擬化技術用于日常機房工作，有利于改善實驗室管理環(huán)境，可借助虛擬化儲存運行試驗操作系統(tǒng)，延長計算機的使用壽命[15]。

3.3 關于共享存儲的選擇策略

VMware vSphere支持的共享存儲包括FC SAN、iSCSI存儲、NFS存儲。FC SAN需要FC HBA卡，光纖交換機，F(xiàn)C存儲支持，成本較高。和光纖存儲相比，iSCSI是相對較便宜的解決方案，但存在存儲服務器CPU占用率較高，傳輸速度較慢的問題。網(wǎng)絡文件系統(tǒng)是中小企業(yè)使用最多的網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，部署簡單，成本低，能夠滿足本項目的實效要求，可以作為首選考慮。

3.4 桌面虛擬化的應用

隨著信息資源越來越向云端集中，桌面虛擬化技術在民航氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中應用的可能性也會越來越高。桌面虛擬化的基礎是服務器虛擬化，在數(shù)據(jù)中心的服務器上進行服務器虛擬化，生成大量的獨立的桌面操作系統(tǒng)(虛擬機或者虛擬桌面)，同時根據(jù)專有的虛擬桌面協(xié)議發(fā)送給終端設備。桌面虛擬化是一種將PC桌面環(huán)境與客戶的物理終端分離的技術，可以通過設備在任何時間、任何地點訪問在網(wǎng)絡上的屬于個人的桌面系統(tǒng)。未來各個地區(qū)地區(qū)中心、地區(qū)分區(qū)站、屬地化機場的民航氣象數(shù)據(jù)庫體系結構部署將更加簡單，預報員在做氣象產(chǎn)品的時候，所使用的原始資料將不再取自本地的數(shù)據(jù)庫，而是直接來自云端，也就是民航氣象中心，地區(qū)地區(qū)中心、地區(qū)分區(qū)站、屬地化機場的預報員所使用的終端通過網(wǎng)絡連接到云端的虛擬桌面，或者是虛擬機上的某一個應用，所有的服務都集中在云端。系統(tǒng)管理員統(tǒng)一管理后臺數(shù)據(jù)中心資源，并統(tǒng)一進行調度管理，將資源的利用率最大化，用戶端無須軟件維護，虛擬桌面維護工作可在后臺統(tǒng)一進行，所有應用的部署，數(shù)據(jù)的計算都在云端進行，利用虛擬化技術所提供的高可用性部署服務端的服務，當用戶端正在訪問的某臺虛擬桌面宕機，會有相同功能的虛擬桌面繼續(xù)為用戶提供服務，可以業(yè)務運行不中斷，同時，由于在客戶端并不需要部署應用程序，通常用瘦客戶端作為預報員使用的終端，而瘦客戶端的成本不到普通PC機的一半，功耗只有普通PC的1/8，因此，可實現(xiàn)節(jié)省成本、節(jié)能減排。

4 結束語

軟件定義數(shù)據(jù)中心的核心思想是對硬件資源的虛擬化，主要包括服務器虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化、存儲虛擬化，可以簡化系統(tǒng)管理員對服務器、網(wǎng)絡設備、存儲設備的管理，可以創(chuàng)建符合業(yè)務需求的虛擬機，這些虛擬機可以像真正的物理機一樣使用，對虛擬機的虛擬硬件配置非常靈活。此外，隨著虛擬化技術的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡部署的結構也發(fā)生了重大變化，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡設計不太適合虛擬化數(shù)據(jù)中心的應用需求，網(wǎng)絡虛擬化開始逐漸進入虛擬化數(shù)據(jù)中心，為虛擬化數(shù)據(jù)中心提供網(wǎng)絡方面的控制策略，降低了企業(yè)部署、更新和維護網(wǎng)絡設備所需的大量成本。SDDC提供了前所未有的自動化、靈活性和高效性，并轉交IT交付的方式。匯集計算、存儲、網(wǎng)絡等可用性服務，并交付軟件，通過智能化的策略驅動的軟件進行管理。SDDC在民航氣象數(shù)據(jù)庫中的應用將會是一次顛覆性的改變，在綠色、環(huán)保、安全可靠、效率提升等方面都會發(fā)揮重要作用。