張亮　喻鑫　高攀宇

摘要：為使信息化技術(shù)更好服務(wù)于水文事業(yè)，建立了“水文信息化7層功能模型”。介紹了通過(guò)融合多臺(tái)物理服務(wù)器，運(yùn)用虛擬機(jī)監(jiān)視軟件，建立服務(wù)器虛擬化集群的技術(shù)原理，研究了服務(wù)器虛擬化技術(shù)提高資源利用率、提升穩(wěn)定性、簡(jiǎn)化部署和管理的技術(shù)特點(diǎn)。結(jié)合實(shí)例，闡述了服務(wù)器虛擬化技術(shù)在業(yè)務(wù)辦公、水情報(bào)汛、軟件研發(fā)中的多項(xiàng)應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用有利于進(jìn)一步促進(jìn)“智慧水文”建設(shè)，并可為水文行業(yè)的科學(xué)發(fā)展提供支撐。

關(guān)鍵詞：服務(wù)器虛擬化集群;7層功能模型;水文虛擬化應(yīng)用;水文信息化;智慧水文

中圖法分類(lèi)號(hào)：P33-39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.sIsdkb.2020.07.013

1概述

水文信息化是水文行業(yè)走向現(xiàn)代化的工具，也是水文現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志，對(duì)新形勢(shì)下水文行業(yè)的發(fā)展有著重要意義。水文信息化從業(yè)者結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)多年的研究和實(shí)踐，建立了“水文信息化7層功能模型”，分別為硬件下3層的物理層、網(wǎng)絡(luò)層、虛擬層，軟件中間層的數(shù)據(jù)層、軟件層，以及頂部的應(yīng)用層和管理層（見(jiàn)圖1）。模型的最大優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)用模塊化理念，明確區(qū)分硬件、軟件、服務(wù)和管理，并融入精細(xì)化管理理念，使模型中的不同功能模塊分擔(dān)不同職責(zé)"。

在該模型中，虛擬層是承上啟下的關(guān)鍵層，即采用服務(wù)器虛擬化集群技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水文行業(yè)現(xiàn)有服務(wù)器資源整合與利用，從而構(gòu)建一個(gè)功能相對(duì)強(qiáng)大、性能相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理中心，可為水文業(yè)務(wù)提供應(yīng)用支撐平臺(tái)。以長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上游局”）為例，上游局從2012年開(kāi)始嘗試使用該項(xiàng)技術(shù)，從最開(kāi)始的幾臺(tái)PC機(jī)組建測(cè)試環(huán)境，到現(xiàn)在十幾臺(tái)服務(wù)器、交換機(jī)、存儲(chǔ)的聯(lián)合運(yùn)行。目前，虛擬化集群承載了上游局95%以上的應(yīng)用，涉及面從單一的水情報(bào)汛工作擴(kuò)展到各部門(mén)的綜合應(yīng)用服務(wù)，甚至還延伸到了合作單位與下屬水文機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)服務(wù)應(yīng)用。

2虛擬化技術(shù)原理

在計(jì)算機(jī)中，CPU以非連續(xù)的線性方式工作，各個(gè)計(jì)算元件通過(guò)排隊(duì)占用CPU的計(jì)算資源，而這種微觀下的線性工作在宏觀現(xiàn)實(shí)中表現(xiàn)出并行的工作狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算元件并行到軟件應(yīng)用并行，再到系統(tǒng)并行，產(chǎn)生虛擬化（Virtualization）技術(shù)。虛擬化是一種資源管理技術(shù)，是將計(jì)算機(jī)的各種實(shí)體資源，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)及存儲(chǔ)等予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來(lái)，打破實(shí)體結(jié)構(gòu)間不可切割的障礙，使用戶(hù)可以采用比原本組態(tài)更好的方式來(lái)應(yīng)用這些資源。一般所指的虛擬化資源包括計(jì)算能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)路由，而虛擬化技術(shù)則是用來(lái)創(chuàng)建這些虛擬硬件的技術(shù)[2]。

2.1服務(wù)器虛擬化集群

服務(wù)器虛擬化是將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，可將IT環(huán)境改造成為更加強(qiáng)大、更具彈性、更富有活力的架構(gòu)。通過(guò)把多個(gè)操作系統(tǒng)整合到一臺(tái)高性能服務(wù)器，上，最大化利用硬件平臺(tái)的所有資源，用更少投入實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用，還可簡(jiǎn)化IT架構(gòu)，降低資源管理難度，避免IT架構(gòu)的非必要擴(kuò)張。

服務(wù)器虛擬化集群是指通過(guò)服務(wù)器虛擬化技術(shù)，將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，使多個(gè)邏輯資源相互關(guān)聯(lián)，不再受限于物理。上的界限，讓CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)、/0等硬件變成可動(dòng)態(tài)管理的“資源池”，從而提高資源的綜合利用率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器整合，讓IT對(duì)業(yè)務(wù)的變化更具適應(yīng)性。目前，現(xiàn)代水文行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)多樣化，水文信，息化應(yīng)滿(mǎn)足各方面的需求，因此服務(wù)器虛擬化集群可選擇“多虛多”的方式，即采用虛擬化軟件，將多臺(tái)物理服務(wù)器虛擬成一個(gè)邏輯服務(wù)器集群，再按需將其劃分為多個(gè)虛擬環(huán)境，即多個(gè)業(yè)務(wù)在多臺(tái)虛擬服務(wù)器上運(yùn)行，見(jiàn)圖2。虛擬化架構(gòu)通過(guò)存儲(chǔ)區(qū)域（SAN）網(wǎng)絡(luò)讓前端的服務(wù)器與后端的存儲(chǔ)建立穩(wěn)定的高速連接，存儲(chǔ)提供虛擬系統(tǒng)的硬盤(pán)，SAN網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸通道，服務(wù)器提供CPU、內(nèi)存和各種接口，共同虛擬出多套邏輯意義的服務(wù)器操作系統(tǒng)，使用者僅需通過(guò)專(zhuān)用軟件正常操作即可。

2.2優(yōu)勢(shì)

較傳統(tǒng)服務(wù)器技術(shù)而言，服務(wù)器虛擬化集群技術(shù)已相對(duì)成熟，優(yōu)勢(shì)明顯。

（1）充分挖掘資源，降低成本。虛擬化技術(shù)通過(guò)建立資源池，從而高效利用每一種資源，并針對(duì)每種不同的使用環(huán)境來(lái)合理劃分所需資源，充分提高資源利用率。整個(gè)集群的全部硬件設(shè)備共同承載對(duì)外的軟件服務(wù)，使用者只需關(guān)注整體的供給能力，性能不足時(shí)有針對(duì)性地購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)資源即可。例如上游局運(yùn)用服務(wù)器虛擬化集群技術(shù)，使其內(nèi)存、CPU與硬盤(pán)的資源利用率達(dá)70%以上，充分利用了硬件資源，整體節(jié)約90%的經(jīng)費(fèi)支出。

（2）實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)的在線遷移（onlinemigration）技術(shù)，又稱(chēng)為實(shí)時(shí)遷移（livemigration）技術(shù)。在保證虛擬機(jī)上服務(wù)正常運(yùn)行的同時(shí)，虛擬機(jī)在不同物理主機(jī)之間進(jìn)行遷移，為保證遷移過(guò)程中虛擬機(jī)服務(wù)可用，遷移過(guò)程停機(jī)時(shí)間非常短。遷移初期，服務(wù)在源主機(jī)運(yùn)行，當(dāng)遷移進(jìn)行到一定階段，目的主機(jī)已具備了運(yùn)行系統(tǒng)的必須資源，經(jīng)過(guò)短暫切換，源主機(jī)將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到目的主機(jī)，繼續(xù)在目的主機(jī)上運(yùn)行。對(duì)服務(wù)本身而言，由于切換時(shí)間短，用戶(hù)感覺(jué)不到服務(wù)中斷，因而遷移過(guò)程對(duì)用戶(hù)是透明的。在線遷移適用于對(duì)服務(wù)可用性要求很高的場(chǎng)景，有效避免了因單臺(tái)物理服務(wù)器故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷運(yùn)行的情況發(fā)生。

（3）簡(jiǎn)化服務(wù)器的部署、管理和維護(hù)工作，降低管理難度。虛擬化集群減少了必須進(jìn)行管理的物理資源數(shù)量，隱藏物理資源的部分復(fù)雜性，通過(guò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、獲得更好的信息和實(shí)現(xiàn)中央管理來(lái)簡(jiǎn)化公共管理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理自動(dòng)化。在日常管理方面，虛擬化中心管理平臺(tái)還可以將硬件故障進(jìn)行集中顯示和定向推送，是更高效和精準(zhǔn)的硬件管理式。虛擬機(jī)操作系統(tǒng)支持多人同時(shí)登錄平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，便于在該平臺(tái)被多人同時(shí)登錄維護(hù)，以前在現(xiàn)場(chǎng)才能完成的軟硬件巡視任務(wù)，現(xiàn)在在一套虛擬化中心管理平臺(tái)中便可輕松完成。最大限度優(yōu)化了執(zhí)行任務(wù)過(guò)程，提升了信息化管理制度的質(zhì)量。

3劣勢(shì)

虛擬化仍存在一些實(shí)施和管理上的缺點(diǎn)：①前期建立集群、后期管理主機(jī)、配置共享存儲(chǔ)的技術(shù)難度較大，使用單位需要組織團(tuán)隊(duì)協(xié)同操作，在不斷運(yùn)用中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)才能發(fā)揮其功效，并伴隨一定試錯(cuò)成本;②虛擬化集群的更新升級(jí)存在不利因素，當(dāng)需要升級(jí)到更新版本的產(chǎn)品和硬件組件時(shí)可能存在困難，在集群環(huán)境中，需要同時(shí)協(xié)調(diào)多個(gè)虛擬主機(jī)服務(wù)器升級(jí)，這是具有技術(shù)挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一;③虛擬化不能解決所有問(wèn)題，那些數(shù)據(jù)中心里不可或缺的資源必須部署在物理服務(wù)器上，進(jìn)而合理的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，為對(duì)外提供更穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)資源服務(wù)。例如，上游局核心數(shù)據(jù)資源則采用物理雙機(jī)實(shí)時(shí)熱備模式進(jìn)行架構(gòu)并對(duì)外提供服務(wù)。

2.4信息安全提升

在網(wǎng)絡(luò)安全方面，在一臺(tái)物理設(shè)備上運(yùn)行多個(gè)虛擬操作系統(tǒng)是虛擬化技術(shù)的主要應(yīng)用之一，這些虛擬操作系統(tǒng)之間、與主機(jī)操作系統(tǒng)之間相互隔離，盡管在同一臺(tái)物理設(shè)備。上運(yùn)行共享外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)，但是它們之間不能直接通信。虛擬化技術(shù)的隔離效果可以有效應(yīng)對(duì)黑客攻擊和應(yīng)用程序的不穩(wěn)定性，降低主機(jī)系統(tǒng)崩潰以及重要信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。利用虛擬系統(tǒng)掩護(hù)主機(jī)操作系統(tǒng)，為主機(jī)資源提供保護(hù)。

在數(shù)據(jù)安全方面，利用虛擬化模板技術(shù)、快照技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)備份和系統(tǒng)恢復(fù)，可有效減小恢復(fù)代價(jià)，縮短恢復(fù)周期。建立虛擬機(jī)映像文件對(duì)整個(gè)虛擬環(huán)境進(jìn)行備份，實(shí)質(zhì)是備份幾個(gè)映像文件，只需要恢復(fù)文件時(shí)加載映像文件，幾分鐘之內(nèi)即可完成。而且，在不同物理設(shè)備和操作系統(tǒng)下進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，可大大降低傳統(tǒng)備份方式對(duì)軟硬件的要求和恢復(fù)周期。傳統(tǒng)的人工備份技術(shù)需要兩個(gè)以上的物理設(shè)備同時(shí)運(yùn)行才能保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性，虛擬化技術(shù)的應(yīng)用只需在同一臺(tái)物理設(shè)備上建立虛擬節(jié)點(diǎn)或虛擬拷貝，便可提供熱備份服務(wù)，在主節(jié)點(diǎn)沒(méi)有業(yè)務(wù)需要處理時(shí)可以建立多個(gè)虛擬備份節(jié)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)提供備份服務(wù)。

3水文虛擬化應(yīng)用

隨著近幾年水文行業(yè)各項(xiàng)業(yè)務(wù)對(duì)信息化依賴(lài)程度的逐步提高，信息化設(shè)備的需求也快速增加。如應(yīng)用原始單機(jī)服務(wù)器，將產(chǎn)生大量的設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用，水文經(jīng)濟(jì)支出也將帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān);單機(jī)的離散型管理給水文信息化從業(yè)者帶來(lái)巨大的維護(hù)工作量;當(dāng)單機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)造成業(yè)務(wù)暫停和重要水文數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。按照“水文信息化7層功能模型”的定義，虛擬層是硬件層的最上層，直接銜接軟件層中的數(shù)據(jù)層，為數(shù)據(jù)資源提供運(yùn)行平臺(tái)。在傳統(tǒng)的服務(wù)器單機(jī)模式下，不僅要考慮數(shù)據(jù)層軟件安全，還要考慮硬件設(shè)備故障帶來(lái)數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，虛擬層可為數(shù)據(jù)層提供完備的硬件支撐，免去了硬件設(shè)備故障的擔(dān)憂(yōu)，數(shù)據(jù)層則只需關(guān)注軟件層面的數(shù)據(jù)安全即可。

以上游局為例，2014年上游局便開(kāi)始籌劃構(gòu)建一套完整的服務(wù)器虛擬化集群來(lái)應(yīng)對(duì)今后的需求。經(jīng)過(guò)幾年的摸索與實(shí)踐，上游局的服務(wù)器虛擬化集群已初具規(guī)模，由12臺(tái)物理服務(wù)器、1臺(tái)專(zhuān)業(yè)存儲(chǔ)設(shè)備和多臺(tái)千兆口交換機(jī)（包括SAN交換機(jī)）共同組建。該集群包含接近1TB內(nèi)存空間，18TB硬盤(pán)空間，共運(yùn)行包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境在內(nèi)的180套虛擬化操作系統(tǒng)，為上游局機(jī)關(guān)全體部門(mén)提供工作業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)、測(cè)試研發(fā)的系統(tǒng)支撐，保證了上游局全部信息化相關(guān)業(yè)務(wù)的正常開(kāi)展。在虛擬化集群中心端的控制下，當(dāng)單臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障或性能下降時(shí)，應(yīng)用系統(tǒng)可自動(dòng)遷移至性能優(yōu)良的環(huán)境中運(yùn)行，不影響業(yè)務(wù)的正常開(kāi)展。網(wǎng)絡(luò)管理員可在統(tǒng)一管理平臺(tái)中對(duì)多臺(tái)虛擬操作系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，隨時(shí)調(diào)整系統(tǒng)資源。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理員需要檢修硬件時(shí)，也可通過(guò)遷移清空該設(shè)備的對(duì)外服務(wù)，做到安全維護(hù)。如果集群中內(nèi)存、硬盤(pán)或者CPU用量不足時(shí)可合理添加相應(yīng)耗材。整體滿(mǎn)足安全性、可維護(hù)性及經(jīng)濟(jì)性需求，避免了資源浪費(fèi)。

3.1部門(mén)服務(wù)應(yīng)用

水文行業(yè)建立的服務(wù)器虛擬化集群不僅可用于水文相關(guān)應(yīng)用服務(wù)，還可為其他部門(mén)提供一體化的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用。各部門(mén)不必單建機(jī)房采購(gòu)物理服務(wù)器和維護(hù)操作系統(tǒng)，減少了各業(yè)務(wù)部門(mén)工作量，降低了技術(shù)難度，僅需核算應(yīng)用需求，提出CPU、內(nèi)存和硬盤(pán)的預(yù)估使用量，經(jīng)行政部門(mén)審批后，將需求形成報(bào)告提交給網(wǎng)絡(luò)管理員。管理員根據(jù)需求在虛擬化集群資源池中分配相應(yīng)資源給業(yè)務(wù)部門(mén)。網(wǎng)絡(luò)管理員統(tǒng)籌運(yùn)維整體網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全訪問(wèn)控制和接口服務(wù)等工作，因此可更好地對(duì)外提供一體化信息服務(wù)，將全面兼顧應(yīng)用的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，如外網(wǎng)映射需求、串口設(shè)備連接需求、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)隔離需求和數(shù)據(jù)庫(kù)備份需求等。業(yè)務(wù)部門(mén)可將工作重點(diǎn)放在業(yè)務(wù)應(yīng)用研究與實(shí)踐上。這樣明確的精細(xì)化分工與管理可有效加強(qiáng)水文行業(yè)各部門(mén)的合作，從而提高整體工作效率。

經(jīng)過(guò)近年來(lái)的發(fā)展，上游局服務(wù)器虛擬化集群已完全替代了各部門(mén)單獨(dú)的物理服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)管理人員每天對(duì)虛擬化集群環(huán)境運(yùn)維管理，確保軟硬件正常運(yùn)行和業(yè)務(wù)正常開(kāi)展。目前，虛擬化集群已對(duì)外提供服務(wù)項(xiàng)目，除水情報(bào)汛與水文預(yù)報(bào)服務(wù)之外，還包括財(cái)務(wù)軟件的服務(wù)支持、河道地形資料及數(shù)據(jù)庫(kù)管理、檔案系統(tǒng)與門(mén)戶(hù)網(wǎng)站的運(yùn)維管理、水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、新設(shè)備新儀器應(yīng)用技術(shù)支持以及部分特殊的如虛擬化桌面和虛擬化軟件等應(yīng)用。因此，水文信息化從業(yè)者可采用虛擬化技術(shù)結(jié)合精細(xì)化管理，制定規(guī)范流程，加強(qiáng)前期溝通、中期檢查和后期總結(jié)，形成統(tǒng)一的信息化戰(zhàn)略部署。

3.2水情分中心報(bào)汛應(yīng)用

水情分中心在水文行業(yè)中承擔(dān)重要的水情報(bào)汛任務(wù)，水情報(bào)汛流程包含原始數(shù)據(jù)接收、中間過(guò)程處理和成果數(shù)據(jù)發(fā)送。為保證水情報(bào)汛時(shí)效，各水情分中心工作人員應(yīng)采用多種防護(hù)措施，包括數(shù)據(jù)處理流程中各項(xiàng)軟、硬件的主備功能、多信道冗余等，使水情報(bào)汛過(guò)程涉及多套專(zhuān)用軟件。如果全部采用傳統(tǒng)軟、硬件主備方案將會(huì)耗費(fèi)大量的服務(wù)器資源，增加水情報(bào)汛人員的維護(hù)工作量。此外，當(dāng)出現(xiàn)故障需要主備切換時(shí)，操作流程繁瑣，不利于快速恢復(fù)報(bào)汛工作，報(bào)汛時(shí)效更不能得到保證。理論。上采用服務(wù)器虛擬化集群技術(shù)可解決上述問(wèn)題，但多數(shù)水情分中心報(bào)汛人員為非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員，如采用技術(shù)含量較高的方案應(yīng)對(duì)水情報(bào)汛工作將難以推廣。因此，推薦采用單機(jī)服務(wù)器虛擬化技術(shù)，即“一虛多”方案進(jìn)行部署。

每個(gè)水情分中心最多只需2臺(tái)高性能服務(wù)器即可完成全部軟硬件的主備工作。在一臺(tái)物理服務(wù)器上安裝虛擬化平臺(tái)，虛擬多套操作系統(tǒng)，分別承載不同的水情報(bào)汛軟件，包括原始數(shù)據(jù)接收軟件、中間數(shù)據(jù)處理軟件、成果數(shù)據(jù)發(fā)送軟件、水情值班軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、網(wǎng)絡(luò)管理軟件及臨時(shí)測(cè)試軟件等，在另一臺(tái)物理服務(wù)器上建立一套完全相同的虛擬化應(yīng)用，并作為備機(jī)使用，兩臺(tái)物理服務(wù)器采用心跳線連接通信，主服務(wù)器上所有虛擬化系統(tǒng)的操作全部利用心跳信道鏡像同步，使備用服務(wù)器上的虛擬化環(huán)境與主服務(wù)器實(shí)時(shí)同步，包括數(shù)據(jù)庫(kù)文件資料和配置信息等，全部備用系統(tǒng)始終為熱機(jī)狀態(tài)。一旦主服務(wù)器出現(xiàn)故障，操作人員只需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)線拔插操作和簡(jiǎn)單的IP地址配置，即可完成主備切換。以圖3中的核心數(shù)據(jù)庫(kù)為例，當(dāng)主服務(wù)器上的核心數(shù)據(jù)庫(kù)所在虛擬化系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，只需拔掉主服務(wù)器上對(duì)應(yīng)的網(wǎng)線，插上備服務(wù)器對(duì)應(yīng)的網(wǎng)線，再在備用核心數(shù)據(jù)庫(kù)虛擬化系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)鏡像同步，停用操作就可正常使用，過(guò)程簡(jiǎn)單方便。虛擬化還可根據(jù)需求定制操作系統(tǒng)，以便水情分中心網(wǎng)絡(luò)管理員切換實(shí)驗(yàn)和新舊操作系統(tǒng)，并釋放舊系統(tǒng)資源。