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        基于云計(jì)算的艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2023-09-01 13:13:36賈麗娜
        艦船科學(xué)技術(shù) 2023年14期
        關(guān)鍵詞:船舶數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

        賈麗娜

        (武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖北 武漢 430050)

        0 引 言

        隨著互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,船舶的智能化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展,智能化船舶不僅僅是指硬件設(shè)備的自動(dòng)化、智能化,也是船舶航行數(shù)據(jù)的自動(dòng)化、智能化。云計(jì)算技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展而來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù),在促進(jìn)船舶智能化方面有巨大的作用,主要包括:

        1)船舶數(shù)據(jù)管理。云計(jì)算技術(shù)可以提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理能力,將船舶各種數(shù)據(jù)(如航行數(shù)據(jù)、機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)、貨物信息等)集中存儲(chǔ)在云端,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理,提高數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

        2)船舶運(yùn)營(yíng)管理。云計(jì)算技術(shù)可以提供實(shí)時(shí)的船舶運(yùn)營(yíng)管理服務(wù),包括船舶位置監(jiān)控、航線規(guī)劃、貨物跟蹤等,幫助船舶企業(yè)實(shí)現(xiàn)更高效的船舶運(yùn)營(yíng)管理。

        3)船舶維修保養(yǎng)。云計(jì)算技術(shù)可以提供更加智能化的船舶維修保養(yǎng)服務(wù),包括設(shè)備故障預(yù)測(cè)、維修計(jì)劃制定、維修記錄管理等,幫助船舶企業(yè)降低維修成本,提高設(shè)備可靠性和安全性。

        4)船舶智能化控制。云計(jì)算技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)船舶智能化控制,包括船舶自動(dòng)駕駛、智能航行控制、智能貨物管理等,提高船舶的自動(dòng)化程度和智能化水平。

        5)船舶安全管理。云計(jì)算技術(shù)可以提供更加全面的船舶安全管理服務(wù),包括船舶安全監(jiān)測(cè)、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全預(yù)警等,幫助船舶企業(yè)提高安全管理水平,降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

        本文針對(duì)云計(jì)算在艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行研究,介紹了典型的Hadoop 云計(jì)算技術(shù),搭建了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)的基本框架,并詳細(xì)介紹系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成。

        1 Hadoop 云計(jì)算技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

        Hadoop 是一項(xiàng)Apache 牽頭開(kāi)發(fā)的分布式計(jì)算框架,它的設(shè)計(jì)定位是一種連接大中型集群硬件設(shè)備與用戶的平臺(tái),一方面為應(yīng)用程序提供穩(wěn)定可靠的接口,另一方面可以充分調(diào)用線下的大規(guī)模運(yùn)算器和處理器資源[1]。

        Hadoop 主要由HDFS 分布式文件系統(tǒng)和MapReduce 分布式計(jì)算模型兩部分組成,HDFS 是一種分布式文件系統(tǒng),可以在集群中存儲(chǔ)大規(guī)模數(shù)據(jù),并通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可靠性和容錯(cuò)性。而MapReduce 是一種分布式計(jì)算模型,可以對(duì)存儲(chǔ)在HDFS 上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理和分析。這些組件共同構(gòu)成了Hadoop 生態(tài)系統(tǒng)的核心,使得處理大規(guī)模數(shù)據(jù)變得更加高效和可靠。Hadoop 的基本原理架構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 Hadoop 的基本原理架構(gòu)圖Fig. 1 Basic architecture diagram of Hadoop

        Hadoop 的關(guān)鍵特性包括:

        1)虛擬化

        Hadoop 的虛擬化特征是實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源可拆分與分配功能的基礎(chǔ),基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),Hadoop 可以充分調(diào)用多核CPU 的計(jì)算資源,滿足用戶的計(jì)算需求。Hadoop 的虛擬化并不是計(jì)算資源的虛擬化,而是指接入計(jì)算資源的接口虛擬化,Hadoop 為每個(gè)用戶分配了不同的ID,每個(gè)ID 背后都能調(diào)用線下的服務(wù)器集群,實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源利用的最大化。

        2)伸縮性

        Hadoop 云計(jì)算平臺(tái)具有良好的伸縮性,可以根據(jù)用戶訪問(wèn)的數(shù)量,合理配置IT 資源。Hadoop 伸縮性也體現(xiàn)在HDFS 和MapReduce 模塊的可擴(kuò)展性:① HDFS 可以存儲(chǔ)PB 級(jí)別的數(shù)據(jù),而且可以輕松地?cái)U(kuò)展存儲(chǔ)容量,只需要新增節(jié)點(diǎn)即可[2]。② Hadoop 的MapReduce 框架可以輕松地?cái)U(kuò)展計(jì)算能力,只需要新增計(jì)算資源節(jié)點(diǎn)即可。

        3)多用戶服務(wù)

        Hadoop 云平臺(tái)的核心是為用戶提供服務(wù),包括各類用戶界面和可編程訪問(wèn)的接口,同時(shí),Hadoop 平臺(tái)需要考慮多用戶并行技術(shù),既要保持用戶數(shù)據(jù)之間的相對(duì)獨(dú)立性,又要能夠充分調(diào)度用戶資源,解決共性的問(wèn)題。

        2 艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 船舶航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份系統(tǒng)的基本框架設(shè)計(jì)

        針對(duì)海上船舶的航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份問(wèn)題,本文基于Hadoop 云平臺(tái)技術(shù),建立了艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份系統(tǒng),系統(tǒng)的功能框圖如圖2 所示

        圖2 艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份系統(tǒng)功能框圖Fig. 2 Functional block diagram of ship navigation data storage and backup system

        艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份系統(tǒng)的關(guān)鍵特性包括:

        1.B/S 架構(gòu)

        艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份系統(tǒng)在調(diào)用Hadoop 云計(jì)算資源時(shí),采用基本架構(gòu)為B/S 架構(gòu),由于船舶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份系統(tǒng)是一種可視化平臺(tái),需要進(jìn)行數(shù)據(jù)、應(yīng)用的快速迭代,采用C/S 架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足[3],因此,本文選用B/S 架構(gòu)搭建系統(tǒng)平臺(tái)。

        B/S 架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于:

        ① 基于瀏覽器的工作模式,用戶通過(guò)瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求,只要攜帶瀏覽器的設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的訪問(wèn),非常方便。

        ② 高效性。B/S 架構(gòu)可以通過(guò)服務(wù)器端的負(fù)載均衡和分布式處理,實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理和資源利用,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和吞吐量。

        ③ 安全性:B/S 架構(gòu)將應(yīng)用程序的核心邏輯和數(shù)據(jù)都放在服務(wù)器端,客戶端只是通過(guò)瀏覽器等工具與服務(wù)器進(jìn)行交互,可以有效避免客戶端的非法操作和攻擊,提高系統(tǒng)的安全性。

        ④ 可維護(hù)性:B/S 架構(gòu)將應(yīng)用程序的核心邏輯和數(shù)據(jù)都放在服務(wù)器端,客戶端只是通過(guò)瀏覽器等工具與服務(wù)器進(jìn)行交互,可以方便地對(duì)服務(wù)器端進(jìn)行維護(hù)和升級(jí),不需要對(duì)客戶端進(jìn)行大規(guī)模的更新和維護(hù),降低了維護(hù)成本和難度。

        B/S 架構(gòu)的工作流程圖如圖3 所示。

        圖3 B/s 架構(gòu)的工作流程圖Fig. 3 Flowchart of the B/s architecture

        2)通信衛(wèi)星的選取

        艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu),因此對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的傳輸穩(wěn)定性有較高的要求,本文采用海事衛(wèi)星 (INMARSAT)通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, Inmarsat 第五代衛(wèi)星系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)的高速移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù),滿足系統(tǒng)的通信需求。

        2.2 艦船數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)的云服務(wù)器設(shè)計(jì)

        由于艦船航行數(shù)據(jù)量大且源源不斷的產(chǎn)生,因此在設(shè)計(jì)云服務(wù)器時(shí),遵循下述原則:

        1)軟件即服務(wù)SaaS

        船舶數(shù)據(jù)系統(tǒng)基于云平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí),是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份應(yīng)用程序作為服務(wù)提供給客戶,而不是將軟件安裝在船舶客戶本地的計(jì)算機(jī)上。SaaS 模式下,船舶終端用戶可以通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)訪問(wèn)軟件應(yīng)用程序,而不是下載和安裝軟件。SaaS 模式的優(yōu)點(diǎn)包括靈活性、可擴(kuò)展性、易于使用、低成本和無(wú)需維護(hù)等。

        2)平臺(tái)即服務(wù)PaaS

        船舶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份系統(tǒng)服務(wù)器開(kāi)發(fā)時(shí),遵循平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)的原則,云計(jì)算為用戶提供一個(gè)完整的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和部署平臺(tái),比如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web 服務(wù)器、開(kāi)發(fā)工具和應(yīng)用程序框架等,使得船舶用戶可以專注于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā),而無(wú)需關(guān)注底層的基礎(chǔ)設(shè)施和管理工作,基于PaaS 原則,船舶數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以更快的構(gòu)建、部署和擴(kuò)展,也能降低程序開(kāi)發(fā)的成本。

        3)設(shè)施即服務(wù)IaaS[4]

        運(yùn)用IaaS 原則建立船舶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng),通過(guò)IaaS 獲取云服務(wù)器的硬件資源,比如阿里云資源,不僅能夠降低云服務(wù)器和平臺(tái)的開(kāi)發(fā)難度,還能大幅度降低系統(tǒng)云服務(wù)器的開(kāi)發(fā)成本。

        基于云計(jì)算的艦船數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)的云服務(wù)器功能框架如圖4 所示。

        圖4 艦船數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)的云服務(wù)器功能框架Fig.4Cloud server functional framework of ship data storage and backup system

        2.3 船舶航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)

        數(shù)據(jù)庫(kù)是船舶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)的核心,結(jié)合云計(jì)算技術(shù),系統(tǒng)并不在本地設(shè)備上開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù),而是采用云端數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Azure 技術(shù)。

        SQL Azure 云端數(shù)據(jù)庫(kù)引擎是基于網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)引擎,也是基于SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)開(kāi)發(fā)而來(lái)的一種數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),具有并行性、可擴(kuò)展性、實(shí)用性高等優(yōu)點(diǎn)。

        SQL Azure 數(shù)據(jù)庫(kù)引擎的功能圖如圖5 所示

        圖5 SQL Azure 數(shù)據(jù)庫(kù)引擎的功能圖Fig. 5 Function diagram of SQL Azure database engine

        可知,SQL Azure 數(shù)據(jù)庫(kù)引擎主要有3 種層次架構(gòu):

        1)服務(wù)層

        服務(wù)層是SQL Azure 數(shù)據(jù)庫(kù)引擎的前端服務(wù)接口,負(fù)責(zé)接收來(lái)自不同用戶、不同場(chǎng)景的數(shù)據(jù)請(qǐng)求,包括SSL、TDS 、連接與指令、Http 等,服務(wù)提供層將數(shù)據(jù)通過(guò)gateway 分發(fā)到不同用戶IP[5]。

        2)平臺(tái)層

        平臺(tái)層是SQL Azure 數(shù)據(jù)庫(kù)的虛擬機(jī)所在位置,每個(gè)虛擬機(jī)負(fù)責(zé)管理指定用戶數(shù)量的數(shù)據(jù)庫(kù),并具有服務(wù)請(qǐng)求管理的權(quán)限。

        3)基礎(chǔ)層

        基礎(chǔ)層是SQL Azure 數(shù)據(jù)庫(kù)引擎的計(jì)算單元和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ),在訪問(wèn)SQL Azure 數(shù)據(jù)庫(kù)引擎時(shí),需要對(duì)每一個(gè)Windows Azure 賬戶進(jìn)行ID 驗(yàn)證。。

        3 艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

        針對(duì)船舶航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)的軟件程序開(kāi)發(fā),本文選用的編程語(yǔ)言為Ajax 語(yǔ)言[6],Ajax 是一種基于Web 的Java Script 技術(shù),應(yīng)用潛力巨大。

        Ajax 的優(yōu)勢(shì)在于:

        1)減輕服務(wù)器負(fù)擔(dān)

        使用Ajax 可以將部分?jǐn)?shù)據(jù)的獲取和處理交給客戶端完成,對(duì)于減輕船舶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)服務(wù)器的負(fù)擔(dān)有明顯效果,同時(shí)也能提高服務(wù)器的分時(shí)復(fù)用性能。

        2)提高響應(yīng)速度

        使用Ajax 可以實(shí)現(xiàn)局部更新,減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,傳統(tǒng)的Web 應(yīng)用采用填寫表單的數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式,用戶提交一個(gè)Web 服務(wù)器請(qǐng)求后,Web 服務(wù)器會(huì)返回針對(duì)用戶請(qǐng)求的頁(yè)面。這種訪問(wèn)模式的響應(yīng)速度慢,且大量占據(jù)服務(wù)器的通信帶寬。Ajax 技術(shù)在面對(duì)服務(wù)請(qǐng)求時(shí),可以直接在客戶端采用JavaScript 生成用戶所需的答復(fù),省去了服務(wù)器和瀏覽器之間的通信流程。

        3)提高交互性

        使用Ajax 可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互效果,如實(shí)時(shí)搜索、自動(dòng)補(bǔ)全等,可以在客戶端的機(jī)器上進(jìn)行需求和答復(fù)的交互,不需要增加瀏覽器插件,提高了頁(yè)面的交互性。

        4)提高可維護(hù)性

        使用Ajax 可以將頁(yè)面的邏輯分離,使得代碼更加清晰,易于維護(hù)。

        5)提高可擴(kuò)展性

        使用Ajax 可以實(shí)現(xiàn)模塊化開(kāi)發(fā),使得系統(tǒng)更加靈活,易于擴(kuò)展。

        下圖為基于Ajax 的艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)工作流程:

        系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化,然后進(jìn)行SQL Azure 服務(wù)器的初始化,系統(tǒng)自動(dòng)判斷數(shù)據(jù)傳輸需求,然后調(diào)用Ajax 程序調(diào)用,經(jīng)過(guò)B/S 架構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)整個(gè)艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng)的工作。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        為了提高船舶航行數(shù)據(jù)的采集、分析和處理水平,本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了艦船航行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份系統(tǒng),該系統(tǒng)充分采用Hadoop 云計(jì)算技術(shù)和SQL Azure 數(shù)據(jù)技術(shù),采用B/S 架構(gòu)搭建,能夠滿足船舶終端用戶對(duì)數(shù)據(jù)采集、訪問(wèn)、上傳、請(qǐng)求等不同使用場(chǎng)景的需求,具有十分重要的價(jià)值。

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