方偉華，周藍(lán)捷，汪 豪，林鴻杰

(廈門地震勘測研究中心，福建 廈門 361021)

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基于Vsphere的高可用性方案在地震業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

方偉華，周藍(lán)捷，汪 豪，林鴻杰

(廈門地震勘測研究中心，福建 廈門 361021)

以福建省簡易烈度計(jì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為例，介紹了福建省簡易烈度計(jì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的體系流程，引用Vsphere的高可用性解決方案，重點(diǎn)闡述了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中服務(wù)端的高可用性體系架構(gòu)與配置，對(duì)當(dāng)前業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的5個(gè)主要功能，有效地保障地震業(yè)務(wù)系統(tǒng)高可連續(xù)性。

Vsphere ；高可用性方案；地震簡易烈度臺(tái)網(wǎng)；業(yè)務(wù)連續(xù)性

0 引言

近年來，隨著地震行業(yè)面向公眾的業(yè)務(wù)增多以及自身業(yè)務(wù)提出的需求，要求地震業(yè)務(wù)具有高可連續(xù)性。以福建省地震預(yù)警項(xiàng)目中簡易烈度計(jì)臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)部署為例，項(xiàng)目按照每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)布置一個(gè)臺(tái)站，評(píng)估地震對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的影響；按平均臺(tái)間距10 km左右設(shè)置；單臺(tái)平均定位精度小于5 km，最大不超過8 km；首臺(tái)觸發(fā)3～5 s發(fā)布首報(bào)預(yù)警信息；運(yùn)行維護(hù)率≥90%?？傮w計(jì)劃分2期實(shí)施，1期在地震活動(dòng)性較強(qiáng)或者地震影響較大的區(qū)域，選擇人口較多和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域進(jìn)行設(shè)備安裝。在完成第1期較高密度建設(shè)以后，開展第2期建設(shè)，在部分城市稀疏布點(diǎn)。對(duì)于這套由1 000臺(tái)站點(diǎn)組建的臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器將面臨巨大的數(shù)據(jù)交換訪問壓力，需要研究如何更好地提高系統(tǒng)運(yùn)行的高可用性與業(yè)務(wù)的連續(xù)性。本文將引用系統(tǒng)運(yùn)維中的高可用技術(shù)，來提高系統(tǒng)業(yè)務(wù)可靠性、維護(hù)率、時(shí)效性，并通過部署與試運(yùn)行，解決業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)維中存在的以下各種問題[1]：

1)業(yè)務(wù)系統(tǒng)服務(wù)器出現(xiàn)日常維護(hù)時(shí)(計(jì)劃宕機(jī)、硬件升級(jí))，停機(jī)時(shí)間較長，如何縮短維護(hù)時(shí)間，提高業(yè)務(wù)連續(xù)性是我們所面臨的挑戰(zhàn)。

2)出現(xiàn)突發(fā)故障時(shí)(如硬件宕機(jī)、中毒、黑客攻擊)需手動(dòng)檢測故障發(fā)生點(diǎn)，無自動(dòng)檢測機(jī)制來實(shí)現(xiàn)平滑過渡，需提高業(yè)務(wù)自動(dòng)恢復(fù)能力。

3)傳統(tǒng)系統(tǒng)備份繁雜，且不易操作，無可靠的系統(tǒng)容災(zāi)機(jī)制對(duì)當(dāng)前業(yè)務(wù)做冗余保障。

高可用性技術(shù)以解決數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連續(xù)性為目的，是一項(xiàng)集虛擬化、集群、數(shù)據(jù)容災(zāi)、虛擬機(jī)遷移、容錯(cuò)、負(fù)載均衡等多項(xiàng)功能為一體的綜合體系架構(gòu)方案。本文介紹采用基于Vsphere整體高可用性解決方案，搭建基于B/S方式可視化的福建省簡易烈度計(jì)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心高可連續(xù)性系統(tǒng)，旨在提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)連續(xù)性[2]。

1 架構(gòu)工具選擇

1.1 高可用性技術(shù)介紹

高可用性已成為未來IT的發(fā)展方向之一，實(shí)現(xiàn)高可用性的有效方法就是虛擬化整體解決方案，是指通過盡量縮短因日常維護(hù)操作(計(jì)劃內(nèi))和突發(fā)的系統(tǒng)崩潰(計(jì)劃外)所導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，以提高系統(tǒng)和應(yīng)用的可用性。高可用性系統(tǒng)是目前行業(yè)內(nèi)防止核心數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)系統(tǒng)因故障停機(jī)的最有效手段。

1.2 工具平臺(tái)選擇

目前國內(nèi)外公司高可用性解決方案很多，比如有微軟的Hyper-V，VMware的vSphere，紅帽的KVM。VMware Vsphere因其產(chǎn)品相對(duì)其它產(chǎn)品資源更豐富，國內(nèi)外網(wǎng)站相關(guān)學(xué)術(shù)交流平臺(tái)多，問題更易得到解決[3]。

應(yīng)用VMware Vsphere自身的vSphere HA功能可提供中斷快速恢復(fù)和連續(xù)可用性，以最小化或消除非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，從而輕松提高為應(yīng)用程序提供的基準(zhǔn)級(jí)別，且以更低成本和更簡單的操作來實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的可用性。使用vSphere可以實(shí)現(xiàn)：

1)獨(dú)立于硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，提供更高可用性；

2)減少常見維護(hù)操作的計(jì)劃停機(jī)時(shí)間；

3)在出現(xiàn)故障時(shí)提供自動(dòng)恢復(fù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

福建省簡易烈度臺(tái)網(wǎng)設(shè)備規(guī)模為1 000臺(tái)左右，通過中國電信的MPLS VPN組網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳輸至廈門地震勘測研究中心與福建省地震局。每個(gè)觀測臺(tái)站提供2 M SDH鏈路帶寬供烈度計(jì)記錄數(shù)據(jù)上報(bào)使用，省局與廈門地震勘測研究中心分別采用一條10 M光纖匯聚專線接入中國電信VPN平臺(tái)，用于收集各觀測臺(tái)站數(shù)據(jù)。對(duì)于部分未輔設(shè)SDH鏈路的區(qū)域，采用3G信號(hào)進(jìn)行輔助接入數(shù)據(jù)處理中心采用基于Earthworm的地震報(bào)警軟件框架系統(tǒng)(圖1)。

圖1 福建省簡易烈度計(jì)臺(tái)網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

提高數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)連續(xù)性，采用Vsphere HA的高可用性方案，需要在7臺(tái)高性能的服務(wù)器上進(jìn)行實(shí)施部署。DC域服務(wù)器主要用于系統(tǒng)環(huán)境中用戶權(quán)限的統(tǒng)一管理；Vcenter服務(wù)器主要用于ESXI虛擬主機(jī)的統(tǒng)一管理，對(duì)資源層做資源動(dòng)態(tài)分配管理，應(yīng)用Vsphere的HA，VMOTION，F(xiàn)T組件等功能來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的高可用和業(yè)務(wù)連續(xù)性；SQLserver數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲(chǔ)Vcenter統(tǒng)一管理中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；2臺(tái)ESXI主機(jī)實(shí)現(xiàn)集群功能；基于Openfiler搭建的NAS共享存儲(chǔ)用于實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的存儲(chǔ)備份功能。我們通過使用VMware Data Recovery組件來實(shí)現(xiàn)異地備份虛擬機(jī)的功能[4](圖2)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3 軟件需求設(shè)計(jì)

重要硬件配置見表1：

表1 軟硬件配置及功能說明

4 功能與實(shí)現(xiàn)

為了保證簡易烈度臺(tái)網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定性，我們采用基于Vsphere平臺(tái)高可用性方案，對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的高可用性。系統(tǒng)部署在福建省地震行業(yè)網(wǎng)，部署后系統(tǒng)的主要功能主要包括以下5個(gè)方面(圖3):

圖3 基于Vsphere HA功能規(guī)劃圖

1)HA(高可性)功能模塊：主要解決在系統(tǒng)遇到計(jì)劃停機(jī)時(shí)，縮短維護(hù)時(shí)間，提高業(yè)務(wù)連續(xù)性作用。

HA的主要目的是在日常維護(hù)中，讓業(yè)務(wù)中斷時(shí)間盡可能短的功能。它是將多臺(tái)主機(jī)組建成一個(gè)故障轉(zhuǎn)移集群(Cluster)，運(yùn)行在集群上的服務(wù)(或VM)不會(huì)因?yàn)閱闻_(tái)主機(jī)的故障而停止。vSphere HA 利用配置為群集的多臺(tái) ESXi 主機(jī)，為虛擬機(jī)中運(yùn)行的應(yīng)用程序提供快速中斷恢復(fù)和具有成本效益的高可用性[5-6]。vSphere HA通過在群集內(nèi)的其他主機(jī)上重新啟動(dòng)虛擬機(jī)，防止服務(wù)器故障。持續(xù)監(jiān)控虛擬機(jī)并在檢測到故障時(shí)對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)置，防止應(yīng)用程序故障。

2)容錯(cuò)(FT)功能模塊：主要解決在系統(tǒng)遇到突發(fā)故障時(shí)，起到對(duì)系統(tǒng)的熱備作用，使得備用系統(tǒng)可平滑過渡，保障業(yè)務(wù)連續(xù)性作用。

FT是在業(yè)務(wù)出現(xiàn)突發(fā)故障時(shí)所采取的保障措施，使得業(yè)務(wù)平滑過渡，無中斷現(xiàn)象， Fault Tolerance 通過確保在虛擬機(jī)的指令執(zhí)行的任何時(shí)間點(diǎn)，主虛擬機(jī)和輔助虛擬機(jī)的狀態(tài)均相同來提供連續(xù)可用性。主機(jī)容錯(cuò)FT業(yè)務(wù)是使用 ESXi 主機(jī)平臺(tái)上的 VMware vLockstep 技術(shù)來完成系統(tǒng)連續(xù)可用。通過vLockstep使主虛擬機(jī)和輔助虛擬機(jī)執(zhí)行相同順序的 x86 指令來完成此過程。主虛擬機(jī)捕獲所有輸入和事件(從處理器到虛擬 I/O 設(shè)備)，并在輔助虛擬機(jī)上進(jìn)行重放。輔助虛擬機(jī)執(zhí)行與主虛擬機(jī)相同的指令序列，而僅單個(gè)虛擬機(jī)映像(主虛擬機(jī))執(zhí)行工作負(fù)載。如果運(yùn)行主虛擬機(jī)的主機(jī)或運(yùn)行輔助虛擬機(jī)的主機(jī)發(fā)生故障，則會(huì)發(fā)生即時(shí)且透明的故障切換。正常運(yùn)行的ESXi 主機(jī)將無縫變成主虛擬機(jī)的主機(jī)，而不會(huì)斷開網(wǎng)絡(luò)連接或中斷正在處理的事務(wù)。使用透明故障切換，不會(huì)有數(shù)據(jù)損失，并且可以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接。

3)數(shù)據(jù)備份功能模塊：主要解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)容災(zāi)備份作用，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

VMware Data Recovery軟件是運(yùn)行在Esxi主機(jī)上的一個(gè)虛擬機(jī)，實(shí)現(xiàn)VM周期異地備份，不僅能起到數(shù)據(jù)備份作用，同時(shí)起到了地震業(yè)務(wù)功能的備份，可以在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)地震業(yè)務(wù)功能，并將其信息收集在還原點(diǎn)中。如果發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或損壞，它可以將單個(gè)虛擬文件或整個(gè)虛擬機(jī)還原到前一狀態(tài)。

4)業(yè)務(wù)快速恢復(fù)：主要實(shí)現(xiàn)主業(yè)務(wù)系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，業(yè)務(wù)能夠快速恢復(fù)，減少了傳統(tǒng)系統(tǒng)部署費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的情況，只需要一個(gè)模板即可輕松恢復(fù)原有的業(yè)務(wù)。

通過配置一臺(tái)Earthworm數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，常規(guī)做法需經(jīng)過安裝系統(tǒng)、配置相關(guān)參數(shù)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，通過該模塊功能，僅需將一臺(tái)部署好的系統(tǒng)配置成模板即可。

5 系統(tǒng)部署關(guān)鍵配置與說明

實(shí)現(xiàn)Vsphpere高可用性的前提，是在系統(tǒng)環(huán)境中搭建Vcerter，才可以實(shí)現(xiàn)HA、FT、Vmotion、負(fù)載均衡等高級(jí)功能。Vcenter的作用是對(duì)所有ESXi主機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的管理與調(diào)度的工具，如果只是單一ESXi主機(jī)，它的功能就相當(dāng)一臺(tái)Vmware workstation一樣，無任何高可用性功能。它的搭建需建立在DC(域環(huán)境)、SQL Server 2008、DNS環(huán)境下進(jìn)行。

5.1 HA高可用性的實(shí)現(xiàn)

與其他群集解決方案不同，vSphere HA 提供基礎(chǔ)架構(gòu)并使用該基礎(chǔ)架構(gòu)保護(hù)所有工作負(fù)載，無需在應(yīng)用程序或虛擬機(jī)內(nèi)安裝特殊軟件，所有工作負(fù)載均受 vSphere HA 保護(hù)。配置 vSphere HA 之后，不需要執(zhí)行操作即可保護(hù)新虛擬機(jī)，它們會(huì)自動(dòng)受到保護(hù)。建立HA的關(guān)鍵配置：①相同的共享存儲(chǔ)；②相同的虛擬網(wǎng)絡(luò)配置；③DNS正確的解析。

HA配置中接入控制為參數(shù)設(shè)置的的重要環(huán)節(jié)。在福建省簡易烈度臺(tái)網(wǎng)環(huán)境中共有1 000個(gè)簡易烈度計(jì)觀測站點(diǎn)。一般1臺(tái)Earthworm服務(wù)器可以接收400左右個(gè)數(shù)據(jù)通道的匯聚數(shù)據(jù)。2016年福建省預(yù)計(jì)先布設(shè)300臺(tái)烈度計(jì)，1臺(tái)設(shè)備有3個(gè)通道數(shù)據(jù)，總計(jì)900個(gè)數(shù)據(jù)通道，因此需在1臺(tái)Esxi主機(jī)上搭建3個(gè)VM，分別接收閩南、閩西、閩北3個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，2臺(tái)Esxi主機(jī)搭建成一個(gè)簇，實(shí)現(xiàn)HA功能，每臺(tái)主機(jī)有36G內(nèi)存，單個(gè)VM Earthworm接收站消耗5G內(nèi)存，系統(tǒng)消耗1GB，主機(jī)閑置18G。當(dāng)其中1臺(tái)主機(jī)宕機(jī)或常規(guī)維護(hù)時(shí)，啟用群集允許的主機(jī)故障數(shù)目為3臺(tái)，即可在不斷記的情況下實(shí)現(xiàn)3臺(tái)接收站同時(shí)維護(hù)(圖4～5)。

圖4 HA功能規(guī)劃與設(shè)計(jì)圖

圖5 集群的故障恢復(fù)參數(shù)配置圖

5.2 主機(jī)容錯(cuò)FT的實(shí)現(xiàn)

主機(jī)容錯(cuò)FT業(yè)務(wù)是使用 ESXi 主機(jī)平臺(tái)上的 VMware vLockstep 技術(shù)來完成系統(tǒng)連續(xù)可用，在進(jìn)行透明故障切換之后，將重新生成新的輔助虛擬機(jī)，并將重新建立冗余。整個(gè)過程是透明且全自動(dòng)的，并且即使 vCenter Server 不可用，仍能保證工作。建立FT關(guān)鍵配置(圖6)：

1)在建立FT雙機(jī)熱備之前，要確保虛擬機(jī)的虛擬CPU是1顆1核心。

2)其次是要建立FT功能的主機(jī)必須有VMlernel網(wǎng)絡(luò)用于FT。

3)在群集設(shè)置中，滿足FT的群集要求，創(chuàng)建并啟用vSphere HA 群集，在群集設(shè)置中勾選“打開vSphere HA”。

4)檢查ESXi主機(jī)的CPU是否支持FT指令，如果不支持，會(huì)在打開FT時(shí)報(bào)錯(cuò)。

5)右擊一個(gè)虛擬機(jī)，并在彈出的快捷菜單中選擇 Fault Tolerance > ，打開 Fault Tolerance。

6)開啟FT需要使用精簡置備的磁盤，所以在開啟FT前，vCenter會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換虛擬機(jī)磁盤。

7)轉(zhuǎn)換之后，特定的虛擬機(jī)將指定為主虛擬機(jī)，并在另一臺(tái)主機(jī)上運(yùn)行輔助虛擬機(jī)?，F(xiàn)在，主虛擬機(jī)已啟用了容錯(cuò)功能。虛擬機(jī)運(yùn)行在esxi01上，F(xiàn)T保護(hù)副本運(yùn)行在esxi02上。

圖6 Vsphere架構(gòu)FT功能配置圖

5.3 數(shù)據(jù)備份的實(shí)現(xiàn)

利用VMware Data Recovery軟件，用戶可自行決定何時(shí)運(yùn)行VMware Data Recovery任務(wù)及還原點(diǎn)的保存時(shí)間，方便恢復(fù)數(shù)據(jù)。例如，用戶可以調(diào)度備份在凌晨進(jìn)行，得到的還原點(diǎn)可以保留數(shù)周、數(shù)月或數(shù)年(圖7)。

5.4 業(yè)務(wù)快速恢復(fù)功能實(shí)現(xiàn)

通過在新機(jī)器中部署Earthworm數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，不用任何配置，只需將模板轉(zhuǎn)換成新的虛擬機(jī)即可，相當(dāng)于電腦中的復(fù)制粘貼功能，方便高效，整個(gè)恢復(fù)過程只需10分鐘(圖8)。

圖7 系統(tǒng)備份配置示意圖

圖8 模板部署業(yè)務(wù)系統(tǒng)示意圖

6 結(jié)束語

6.1 應(yīng)用效果比對(duì)分析

經(jīng)過一段時(shí)間的測試，系統(tǒng)運(yùn)行良好，穩(wěn)定性與可連續(xù)性較高，對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)維過程中所面臨的計(jì)劃宕機(jī)、非計(jì)劃宕機(jī)、數(shù)據(jù)容災(zāi)的問題都能得到有效的保障,各項(xiàng)測試任務(wù)如表2所示。

表2 各項(xiàng)功能比測

6.2 總結(jié)

地震行業(yè)內(nèi)存在大量的業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)維工作，十三五規(guī)劃以來，地震系統(tǒng)的重點(diǎn)工作是地震預(yù)警，直接面臨社會(huì)服務(wù)效力的問題。地震系統(tǒng)業(yè)務(wù)連續(xù)性需要得到有效保證，解決傳統(tǒng)的運(yùn)維模式存在的諸多問題，如業(yè)務(wù)連續(xù)性差、系統(tǒng)恢復(fù)工作效率低下、數(shù)據(jù)災(zāi)備費(fèi)時(shí)費(fèi)力、統(tǒng)一監(jiān)控難等。本文通過在福建省簡易烈度計(jì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中應(yīng)用Vsphere 高可性解決方案，具有高效便捷經(jīng)濟(jì)的特性，使得地震行業(yè)內(nèi)的業(yè)務(wù)運(yùn)維連續(xù)性問題得到有效解決，適于在整個(gè)地震行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣與借鑒。

[1] 許高攀,曾文華.高可用性系統(tǒng)技術(shù)研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,26(15):6-7,5.

[2] 孫曉蓉,牛忠賓.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高可用性解決方案[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2004(10):53-54,59.

[3] 李琳，祁天.服務(wù)器虛擬化技術(shù)探討-Hyper-V與VMware的分析與比較[J].科技傳播,2010(11):114,118.

[4] 李剛，周利霞，宋軍，等.基于 VMware Esxi 軟件的服務(wù)器虛擬化技術(shù)在天津地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].震災(zāi)防御技術(shù),2011,6(3):311-318.

[5] 劉震宇.基于 VMware vSphere4.0的PC服務(wù)器資源池構(gòu)建[D].大連:大連海事大學(xué),2010.

[6] 楊斌，馬朝暉，郝志勇.虛擬技術(shù)在地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].震災(zāi)防御技術(shù),2012,7(3):313-321.

Design and Implementation of Seismological Business System Based on the High Availability Scheme of Vsphere

FANG Wei-hua,ZHOU Lan-jie,WANG Hao,LIN Hong-jie

(Xiamen Research Center of Seismic Exploration,Xiamen 361021,China)

In this paper,the flow of the data processing system of facile seismic intensity meter in Fujian Province is introduced.On basis of the high availability scheme of Vsphere,according to the architecture and configuration of the high availability server in the data processing system,we optimize the current business system,implements the five major functions of a data processing system to ensure the comprehensive high availability and business continuity of the seismological business system in Fujian Province.

Vsphere; high availability; facile seismic intensity reporting network; business continuity

方偉華，周藍(lán)捷，汪豪，等．基于Vsphere的高可用性方案在地震業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(4):28-33.

2016-04-14

福建省簡易烈度計(jì)地震預(yù)警項(xiàng)目(2015DZLDY004)

方偉華(1982—)，男，工程師，主要從事的工作地震業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)維工作．E-mail：258279496@qq.com

P315-391

A

1003-1375(2016)04-0028-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.04.005