虛擬技術(shù)在地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用1

楊 斌 馬朝暉 郝志勇

1）山西省地震局，太原 030021

2）山西農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心，太原030021

虛擬技術(shù)在地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用1

楊 斌1）馬朝暉1）郝志勇2）

1）山西省地震局，太原 030021

2）山西農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心，太原030021

利用虛擬技術(shù)，可將原來在多臺服務(wù)器上部署的地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)在一臺高性能服務(wù)器上實現(xiàn)容災(zāi)備份，在節(jié)約硬件資源的同時，虛擬機靈活部署、快速恢復(fù)的特性也能提高整個系統(tǒng)的靈活性、可靠性。本文對什么樣的服務(wù)器可作為地震應(yīng)急指揮系統(tǒng)的虛擬服務(wù)器，如何規(guī)劃虛擬應(yīng)用，虛擬部署后的系統(tǒng)與原系統(tǒng)比較有何差異等進行了研究。本文的研究結(jié)果可為全國各省區(qū)域應(yīng)急指揮中心的容災(zāi)備份提供參考依據(jù)。

地震 應(yīng)急 虛擬機 應(yīng)用

前言

在地震系統(tǒng)“十五”項目建設(shè)完成后，全國地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)已基本建成并投入使用。目前地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)運行在2臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和5—6臺應(yīng)用服務(wù)器上，它包含了ORACLE數(shù)據(jù)庫、ARCSDE數(shù)據(jù)引擎、WEBLOGIC中間件服務(wù)軟件、評估系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)等眾多基礎(chǔ)軟件及業(yè)務(wù)軟件。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來了穩(wěn)定性的問題，但地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的特殊性又要求整個系統(tǒng)必須具有高可靠性和高穩(wěn)定性。鑒于這樣的要求，簡單照搬常規(guī)的容災(zāi)備份不但耗資巨大、費時費力，而且不利于推廣應(yīng)用。利用虛擬技術(shù)，可將原來在多臺服務(wù)器上部署的地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)，在1臺高性能服務(wù)器上實現(xiàn)容災(zāi)備份，在節(jié)約硬件資源的同時，虛擬機靈活部署、快速恢復(fù)的特性，也能提高整個系統(tǒng)的靈活性和可靠性。而什么樣的服務(wù)器可作為地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的虛擬服務(wù)器，如何在虛擬服務(wù)器上規(guī)劃虛擬應(yīng)用，虛擬部署后的地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)與原系統(tǒng)比較又有何差異，這就是本文主要研究的內(nèi)容。本文的研究結(jié)果可為全國各省區(qū)域應(yīng)急指揮中心的容災(zāi)備份提供參考依據(jù)，提高各省應(yīng)急指揮中心的靈活性、穩(wěn)定性和可靠性。

1 虛擬機的選擇

虛擬機，即為由虛擬機軟件模擬出來的計算機或稱為邏輯上的計算機。通過虛擬機軟件，可以在1臺物理計算機上模擬出1臺或多臺虛擬的計算機，這些虛擬機完全就像真正的計算機那樣進行工作。對于使用者來說，虛擬機只是計算機上的一個應(yīng)用程序，但是對于在虛擬機中運行的應(yīng)用程序而言，它就像是在真正的計算機中進行工作（王興波，2009）。

目前流行的虛擬機軟件有VMware、Virtual PC和Oracle VM VirtualBox等，它們都能在Windows系統(tǒng)上虛擬出多個計算機，用于安裝Linux、OS/2、FreeBSD等其他操作系統(tǒng)。

VMware Work Station 是VMware公司出品的一款虛擬機軟件。利用它可以在1臺電腦上模擬出若干臺機器，這些虛擬機如同真實機一樣各自擁有自己獨立的操作系統(tǒng)、CPU、硬盤、內(nèi)存及其他硬件，你可以像使用普通機器一樣對它們進行分區(qū)、格式化、安裝系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等操作，所有的這些操作都不會對真實主機的硬盤分區(qū)和數(shù)據(jù)造成任何影響和破壞。VMware虛擬機的最大特點是不需要重新開機，就能在1臺電腦上同時運行多個操作系統(tǒng)，這跟在同1臺PC機上安裝多操作系統(tǒng)是不同的。PC機上的多操作系統(tǒng)安裝，在任一時刻只能運行其中的一個系統(tǒng)，如果想切換到其它系統(tǒng)，必須重新啟動機器。而在虛擬機環(huán)境下，多個操作系統(tǒng)可以同時運行，人們可以與對待標準的Windows應(yīng)用程序那樣，在多個操作系統(tǒng)之間來回切換，而不需要重新啟動機器。最值得關(guān)注的是VMware強大的網(wǎng)絡(luò)功能，它可將多個虛擬機聯(lián)接在一起，組建一個局域網(wǎng)，這個網(wǎng)絡(luò)的行為與真實的網(wǎng)絡(luò)完全一致，而且不用擔心損壞虛擬網(wǎng)卡和虛擬交換機（梁誠等，2007）。

考慮到VMware虛擬機強大的網(wǎng)絡(luò)功能、快照恢復(fù)功能及用戶界面友好等特點，本文采用VMware作為虛擬機軟件。

2 硬件配置對比分析

現(xiàn)有的地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)部署在2臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和4—5臺應(yīng)用服務(wù)器上，2臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器做RAC配置，以保障數(shù)據(jù)庫正常運轉(zhuǎn)，而業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要部署在4—5臺應(yīng)用服務(wù)器上。業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件按照功能及所占物理資源不同，部署在不同應(yīng)用服務(wù)器上，一般按照表1部署。

表1 系統(tǒng)部署表Table 1 Composition of the system

續(xù)表

每個業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件部署后，都需要占用一定的內(nèi)存及物理空間，虛擬地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用部署，首先需要明確虛擬化后業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要的物理資源，如表2和表3所示。

表2 物理需求對照表Table 2 Physical requirements for virtual technology

表3 系統(tǒng)計算所占資源表Table 3 Resources occupied by the system for calculating

由表2與表3的對比分析可以看出，虛擬化部署后的系統(tǒng)在待機內(nèi)存及硬盤的需求上與真實系統(tǒng)相差無幾。在進行系統(tǒng)業(yè)務(wù)計算時，現(xiàn)有系統(tǒng)內(nèi)存變化不大，CPU使用率較高；在進行虛擬應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)計算時，內(nèi)存及CPU使用變化都較大，尤其是CPU的使用率瞬時可能會達到 100%。因此，在進行虛擬化部署時，應(yīng)考慮內(nèi)存及硬盤的需求，滿足最低硬盤及內(nèi)存的需要，同時注意避免將高CPU消耗，高內(nèi)存使用的軟件及在同一時間段內(nèi)共同計算的業(yè)務(wù)軟件應(yīng)部署在同一臺服務(wù)器內(nèi)，避免CPU使用沖突?？紤]到本文計劃虛擬2臺應(yīng)用服務(wù)器，同時考慮每臺應(yīng)用服務(wù)器部署（見表 4）的軟件及虛擬系統(tǒng)自身物理配置需求，每臺虛擬服務(wù)器需2G以上內(nèi)存，15G硬盤空間。

表4 虛擬機部署軟件情況Table 4 Deployment of virtual machine software

從表5的對比可以看出，虛擬服務(wù)系統(tǒng)在節(jié)約物理資源、節(jié)約部署空間的同時，還節(jié)約了經(jīng)費開支，而且相對原有6臺服務(wù)器的運行維護，虛擬服務(wù)系統(tǒng)還可節(jié)約人力資源。

表5 服務(wù)器硬件配置、價格對比Table 5 Server hardware configuration and price comparison

3 虛擬地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵點

完成虛擬地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的硬件配置后，虛擬地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵點主要包含虛擬地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的建立及系統(tǒng)快速恢復(fù)等方面。

3.1 虛擬地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的建立

虛擬地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的建立首先應(yīng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺的搭建。目前地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)安裝部署在2臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和5—6臺應(yīng)用服務(wù)器上，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of system network

各個服務(wù)器通過物理網(wǎng)絡(luò)連接，一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，會造成整個系統(tǒng)的運行不暢。且物理網(wǎng)絡(luò)的連接使整個系統(tǒng)的容災(zāi)備份、異地移植等變得復(fù)雜、困難。利用虛擬機技術(shù)，可在1臺服務(wù)器上搭建包含多個不同操作系統(tǒng)的虛擬服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)平臺。每臺虛擬服務(wù)器添加雙虛擬網(wǎng)卡，一個網(wǎng)卡采用Host-Only網(wǎng)絡(luò)模式；另一個網(wǎng)卡采用Bridge網(wǎng)絡(luò)模式。各虛擬服務(wù)器之間即可通過Host-Only網(wǎng)絡(luò)模式，實現(xiàn)同一臺主機的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信連接，完全避免外部物理網(wǎng)絡(luò)故障給整個系統(tǒng)帶來的影響；也可通過Bridge網(wǎng)絡(luò)模式，實現(xiàn)通過外部網(wǎng)絡(luò)外界訪問系統(tǒng)的目的。

在搭建好包含不同操作系統(tǒng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺后，在虛擬系統(tǒng)中建立1臺虛擬數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及ARCSDE空間數(shù)據(jù)引擎的安裝。2—3臺虛擬應(yīng)用服務(wù)器用于ARCIMS空間數(shù)據(jù)服務(wù)軟件、WEBLOGIC中間件等基礎(chǔ)軟件及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的部署。最后在整個系統(tǒng)部署完成后，通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，可進行整個系統(tǒng)的綜合調(diào)試。

3.2 虛擬地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的快速恢復(fù)

虛擬應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)可利用VMware虛擬機自帶的“鏡像”管理功能隨時對整個系統(tǒng)進行備份。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可方便的利用虛擬機“鏡像”管理功能中的快照“閃回”功能，實現(xiàn)整個應(yīng)急系統(tǒng)的快速恢復(fù)。避免了整個系統(tǒng)的重新部署，大大降低了系統(tǒng)運行的風(fēng)險性，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

4 效能測試對比分析

虛擬地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)部署完成后，可通過與現(xiàn)有系統(tǒng)分別計算同一地震、改變虛擬機軟件部署情況下計算同一地震、改變虛擬服務(wù)器內(nèi)存配置情況下計算同一地震、改變虛擬服務(wù)器CPU配置情況下計算同一地震，來對比分析虛擬系統(tǒng)的計算效能。

4.1 虛擬系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)分別計算同一地震

本文選取山西北部、中部、南部三個歷史地震發(fā)生點，選取同一震級作為測試地震，在現(xiàn)有系統(tǒng)及虛擬系統(tǒng)中分別對其進行計算，結(jié)果對比如表6所示。

表6 同一震級、不同地點兩個系統(tǒng)計算時間對比Table 6 Comparison of calculating time between different systems for earthquakes with same magnitude by different location

由表6可以看出，在計算速度上，虛擬系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢，其主要原因是：

原有系統(tǒng)部署在不同的服務(wù)器上，服務(wù)器之間通過物理網(wǎng)絡(luò)連接，物理網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為100M/s，而虛擬服務(wù)系統(tǒng)部署在1臺物理服務(wù)器上，通過服務(wù)器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信，速度可達1G/s。

虛擬系統(tǒng)虛擬的服務(wù)器較少，軟件部署集中。例如震害評估與輔助決策兩個系統(tǒng)，在現(xiàn)有系統(tǒng)中是在兩個不同的服務(wù)器上分別部署，而在虛擬系統(tǒng)中是部署在同一虛擬服務(wù)器上，與網(wǎng)線物理傳輸速度比較，1臺虛擬服務(wù)器內(nèi)的交換速度會大大提升。

為進一步對比分析兩個系統(tǒng)的計算性能，在現(xiàn)有系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)（虛擬系統(tǒng)虛擬3個虛擬服務(wù)器，其中1個為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，另外2個為應(yīng)用服務(wù)器，軟件部署情況如表4所示）間進行同一地點、不同震級的計算測試，結(jié)果如下表7所示。

表7 同一地點、不同震級兩系統(tǒng)測試結(jié)果Table 7 Comparison of calculating time between different systems for earthquakes with same location by different magnitude

由表7可以看出，同一地點、不同震級的計算，虛擬系統(tǒng)計算時間仍比現(xiàn)有系統(tǒng)要少，計算速度快，但隨著震級的加大，計算數(shù)據(jù)量的增多，這種優(yōu)勢在逐步縮小。其主要原因是隨著震級的增大和數(shù)據(jù)量的加大，系統(tǒng)需求的內(nèi)存及CPU也越多，相對現(xiàn)有系統(tǒng)將幾個主要計算軟件的分別部署，虛擬系統(tǒng)部署較為集中，計算時對資源需求較大，通過監(jiān)控虛擬服務(wù)器的CPU使用率可發(fā)現(xiàn)，瞬時若干次達到100%，這可能是導(dǎo)致虛擬系統(tǒng)在計算大震級時速度減慢的原因。

通過以上的分析可以看出，虛擬系統(tǒng)在計算時，物力資源的配置將極大影響系統(tǒng)運算速度。

4.2 改變虛擬機軟件部署情況下計算同一地震

前面與現(xiàn)有系統(tǒng)運算結(jié)果對比時，虛擬系統(tǒng)是虛擬了3臺虛擬服務(wù)器，其中1臺作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，另外2臺為應(yīng)用服務(wù)器，軟件部署情況如表4所示。下面將通過增加1臺虛擬服務(wù)器，測試增加虛擬服務(wù)器，減少同一虛擬服務(wù)器內(nèi)部署系統(tǒng)數(shù)量對虛擬系統(tǒng)計算性能的影響，計算結(jié)果如下表8所示。

表8 不同軟件部署情況測試結(jié)果Table 8 Test results of different software deployment

從表8可以看出，將大CPU、內(nèi)存的業(yè)務(wù)軟件分別部署，可適當提高運算速度，其主要原因是：大CPU、內(nèi)存的業(yè)務(wù)軟件分別部署，可減緩?fù)惶摂M服務(wù)器內(nèi)的CPU、內(nèi)存壓力。

4.3 改變虛擬服務(wù)器內(nèi)存配置計算同一地震

在虛擬機軟件部署情況不變的情況下，可通過改變虛擬服務(wù)器內(nèi)存配置來測試虛擬服務(wù)器內(nèi)存對虛擬系統(tǒng)運行性能的影響。增加虛擬服務(wù)器配置內(nèi)存測試結(jié)果如表9所示

表9 增加虛擬服務(wù)器配置內(nèi)存測試Table 9 Memory test after increasing the virtual server configuration

從表9可以看出，當虛擬機的內(nèi)存配置滿足部署軟件的運行需求時，增加額外的內(nèi)存不會帶來運行性能的提高。減少虛擬服務(wù)器配置內(nèi)存測試結(jié)果如表10所示。

表10 減少虛擬服務(wù)器配置內(nèi)存測試Table 10 Memory test after reducing the virtual server configuration

從表 10可以看出，當虛擬機的內(nèi)存配置無法滿足部署軟件運行的最低需求時，虛擬系統(tǒng)運行會出現(xiàn)計算失敗的結(jié)果。

4.4 改變虛擬服務(wù)器CPU配置計算同一地震

在虛擬機軟件部署情況不變的情況下，可通過改變虛擬服務(wù)器CPU配置來測試虛擬服務(wù)器CPU對虛擬系統(tǒng)運行性能的影響。增加虛擬服務(wù)器CPU測試結(jié)果如表11所示。

表11 改變虛擬服務(wù)器配置CPU測試Table 11 CPU test after changing the virtual server configuration

從表11可以看出，當虛擬機的內(nèi)存配置滿足部署軟件的運行需求時，增加虛擬CPU性能，可適當提高虛擬系統(tǒng)的運行速度。其主要原因可能是：CPU性能的增加，滿足了大CPU軟件的運行需要。

通過以上一系列的性能測試可以看出，虛擬服務(wù)器應(yīng)根據(jù)其部署軟件的規(guī)劃，滿足其所部屬軟件系統(tǒng)運行的最低要求。當虛擬機配置無法滿足其部署軟件的最低運行需求時，將導(dǎo)致系統(tǒng)的運行錯誤；當虛擬機配置滿足需求時，額外增加物理資源不會顯著提高系統(tǒng)性能，但增加虛擬應(yīng)用服務(wù)器所欠缺的配置時，對系統(tǒng)運算性能有顯著提高。根據(jù)本文的軟件部署情況（表4），通過一系列測試最終可認為，每臺虛擬服務(wù)器最低配置應(yīng)滿足2G內(nèi)存，雙核CPU，且不建議再減少虛擬服務(wù)器的數(shù)量，即最少應(yīng)虛擬2臺應(yīng)用服務(wù)器部署業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

5 結(jié)語

將虛擬機技術(shù)與地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)相結(jié)合，可將原來在多臺服務(wù)器上部署的地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)在一臺高性能服務(wù)器上實現(xiàn)容災(zāi)備份，在節(jié)約硬件資源的同時，虛擬機靈活部署、快速恢復(fù)的特性也能提高整個系統(tǒng)的靈活性、可靠性。本文通過對虛擬機選擇的研究、虛擬機服務(wù)器硬件配置需求的研究、虛擬系統(tǒng)與原有系統(tǒng)的對比分析研究、影響虛擬機運行性能的各因素對比分析研究，探討了虛擬機軟件的選擇、虛擬機服務(wù)器硬件配置的最低需求、虛擬系統(tǒng)與原系統(tǒng)的差異、提升優(yōu)化虛擬系統(tǒng)的因素等。本文的研究結(jié)果可為全國各省區(qū)域應(yīng)急指揮中心的容災(zāi)備份提供參考依據(jù)，提高各省應(yīng)急指揮中心的靈活性、穩(wěn)定性、可靠性。

梁誠，李瓊，夏建波，2007. VMware虛擬機技術(shù)在計算機實踐教學(xué)中的應(yīng)用. 電腦開發(fā)與應(yīng)用，20（8）：34—35.

王興波，2009. 有關(guān)虛擬機及虛擬化技術(shù)的幾點詮注. 信息化縱橫，（7）：76—78.

Application of Virtual Technology in Earthquake Emergency Command System

Yang Bin1), Ma Zhaohui1)and Hao Zhiyong2)
1）Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030021, China
2）Shanxi Agricultural Products Quality Safety Center, Taiyuan 030021, China

The virtual technology is characterized by saving hardware resources, flexible deployment fast recovery,which can improve the flexibility and reliability of the earthquake emergency command systems in a high-performance server. In this paper, we discuss the type of server being used as earthquake emergency command system of the virtual server, planning a virtual application, the difference with and without the application of virtual technology.

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

地震行業(yè)科研專項（201208018）；地震應(yīng)急青年課題CEA_EDEM-201003

2012-02-12

楊斌，男，生于1981年。碩士，工程師。主要從事地震應(yīng)急技術(shù)的研究。E-mail：ybsuning@163.com

Κey words: Earthquake; Emergency; Virtual machine; Application