基于VMware的應(yīng)急指揮系統(tǒng)軟件平臺(tái)虛擬化研究

李金香， 周 文， 劉 軍， 溫少妍， 張琳琳， 郭 寅

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局， 新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

隨著21 世紀(jì)信息技術(shù)的高速發(fā)展以及信息化進(jìn)程的不斷深入， 由系統(tǒng)軟件、 支撐軟件和應(yīng)用軟件組成的大型軟件系統(tǒng)在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用， 服務(wù)器的數(shù)量也不斷上升，IT 資源基礎(chǔ)構(gòu)架日益增長的復(fù)雜性和不斷變化的應(yīng)用使得軟件系統(tǒng)功能大幅提升， 但系統(tǒng)軟件平臺(tái)的穩(wěn)定性卻逐漸下降。 整體的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及編程的細(xì)節(jié)都是影響軟件穩(wěn)定性的因素， 正所謂“千里之堤， 潰于蟻穴”， 一旦考慮不周， 會(huì)造成整體軟件系統(tǒng)的崩潰。 軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性提升方法研究是計(jì)算機(jī)科研人員及系統(tǒng)應(yīng)用人員的重要研究方向。 同時(shí)隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)展和功能的增加， 機(jī)房中放置了不同時(shí)期采購的不同的基礎(chǔ)設(shè)施， 而系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)往往采用單獨(dú)的服務(wù)器部署， 一旦服務(wù)器出現(xiàn)問題也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用癱瘓； 同時(shí)服務(wù)器的利用率也不高， 大量利用率很低的獨(dú)立服務(wù)器造成了資源閑置， 卻又無法投入其他應(yīng)用。服務(wù)器數(shù)量日益增加， 導(dǎo)致故障節(jié)點(diǎn)比較多， 機(jī)房每年所支付的電費(fèi)和維護(hù)成本也急速上升， 電力和冷卻問題也逐步成為阻擾機(jī)房持續(xù)發(fā)展的一大障礙， 如何提高服務(wù)器的利用率、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、 合理配置軟硬件資源以及如何有效節(jié)能、 構(gòu)建綠色機(jī)房等是大型系統(tǒng)軟件平臺(tái)開發(fā)者和應(yīng)用者亟需解決的問題。

虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)技術(shù)的又一次創(chuàng)新， 虛擬化技術(shù)由來已久， 早在上世紀(jì)60年代， 美國就開始了虛擬技術(shù)的研究， 進(jìn)而應(yīng)用于商業(yè)市場， 微軟、 VMware 等軟件巨頭的虛擬化軟件的推出， 促進(jìn)了虛擬技術(shù)的推廣應(yīng)用[1]。 虛擬機(jī)(VirtualMachine) 指通過軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、 運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[2]。 虛擬機(jī)軟件不需要重新開機(jī)， 就能在同一臺(tái)電腦使用多個(gè)操作系統(tǒng)， 不但方便， 而且安全[3]。 在虛擬系統(tǒng)崩潰之后可直接刪除， 不影響本機(jī)系統(tǒng)， 同樣本機(jī)系統(tǒng)崩潰后也不影響虛擬系統(tǒng)， 可以下次重裝后再加入以前的虛擬系統(tǒng)[4]。

虛擬系統(tǒng)有著強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能， 并且具有提高計(jì)算機(jī)資源利用率、 降低總體擁有成本、 系統(tǒng)環(huán)境隔離、 服務(wù)器整合、 快速、 動(dòng)態(tài)的業(yè)務(wù)調(diào)度、 資源動(dòng)態(tài)分配、 零宕機(jī)遷移、災(zāi)備和快速恢復(fù)、 維持老系統(tǒng)業(yè)務(wù)持續(xù)運(yùn)行等多種優(yōu)點(diǎn)。 目前虛擬化技術(shù)在金融業(yè)、 制造業(yè)、 政府部門、 科研領(lǐng)域、 高校、 計(jì)算中心以及眾多中小企業(yè)的IT 部署中均得到了廣泛應(yīng)用。 沈奎林等[5]基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建圖書館云服務(wù)平臺(tái)， 包敬海等[6]進(jìn)行了基于虛擬機(jī)的輕量級(jí)醫(yī)療診斷系統(tǒng)的應(yīng)用研究； 蔣煒超等[7]進(jìn)行了虛擬化技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用研究， 楊斌[8、9]將地震應(yīng)急虛擬系統(tǒng)與原始系統(tǒng)的資源利用率進(jìn)行了對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)虛擬系統(tǒng)在降低總體擁有成本、 進(jìn)行服務(wù)器整合的同時(shí)運(yùn)行效率大幅提升。

本文以新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)為例， 首先介紹了新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺(tái)的架構(gòu)方法及服務(wù)器部署情況， 隨后基于VMware 虛擬服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)軟件平臺(tái)虛擬化部署， 節(jié)約資源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的容災(zāi)備份， 同時(shí)虛擬化服務(wù)器可對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)， 增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性， 在出現(xiàn)故障時(shí)可應(yīng)用快照功能迅速恢復(fù)任一保存時(shí)段的系統(tǒng)功能， 提升了新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺(tái)的穩(wěn)定性， 提高了新疆地震應(yīng)急能力。 最后對(duì)虛擬系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證， 經(jīng)過對(duì)虛擬系統(tǒng)性能的測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)通過該方法確實(shí)可以有效的對(duì)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)整合。

1 系統(tǒng)簡介

新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)軟件系統(tǒng)是一個(gè)龐大的異構(gòu)系統(tǒng)[10]， 其中涉及海量空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用、 基于空間信息的地震專業(yè)模型計(jì)算、 各類信息的綜合展示等， 該系統(tǒng)是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)多層架構(gòu)服務(wù)系統(tǒng)[11]， 系統(tǒng)主體功能模塊包括區(qū)域地震應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)(企業(yè)服務(wù)總線)、 用戶安全和日志管理平臺(tái)、 地震快速觸發(fā)響應(yīng)系統(tǒng)、 區(qū)域震害動(dòng)態(tài)評(píng)估系統(tǒng)、 區(qū)域應(yīng)急指揮輔助決策支持系統(tǒng)、 區(qū)域指揮終端及信息服務(wù)軟件系統(tǒng)、 區(qū)域地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用與管理軟件、 區(qū)域地震應(yīng)急指揮綜合查詢系統(tǒng)、 區(qū)域地震應(yīng)急指揮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 區(qū)域應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)、 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)管理軟件、 分布式數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、 區(qū)域指揮大廳監(jiān)控系統(tǒng)、 地震現(xiàn)場數(shù)據(jù)接收和整理軟件、 區(qū)域應(yīng)急指揮信息通告系統(tǒng)、 區(qū)域地震應(yīng)急指揮反饋與記錄系統(tǒng)。 系統(tǒng)軟件平臺(tái)總體架構(gòu)及數(shù)據(jù)流程如圖1。

新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件眾多， 部署方法復(fù)雜， 原始系統(tǒng)應(yīng)用配備了7 臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器， 2 臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器， 8 臺(tái)工作站， 系統(tǒng)龐大復(fù)雜， 業(yè)務(wù)部署情況如表1。

圖1 應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)流程圖Fig.1 Data flow diagram of the emergency command system software platform

表1 新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件部署情況表Table 1 Deployment table of Xinjiang earthquake emergency command system

新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺(tái)將眾多專業(yè)軟件模塊化， 通過ESB (Enterprise Serv ice Bus 企業(yè)服務(wù)總線) 進(jìn)行系統(tǒng)集成使系統(tǒng)功能大幅提升， 然而異構(gòu)環(huán)境中的各種技術(shù)、 協(xié)議和應(yīng)用的集成極其復(fù)雜， 需要硬件設(shè)備分別支持， 造成設(shè)備浪費(fèi)， 且系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)太多， 使得單點(diǎn)故障難以判斷， 在實(shí)際使用中自主開發(fā)招標(biāo)的專業(yè)軟件的可靠性， 以及計(jì)算模型都有待改進(jìn)， 同時(shí)公共軟件的維護(hù)問題也是個(gè)大問題。 故而在系統(tǒng)容災(zāi)備份、 穩(wěn)定性、靈活性提升和維護(hù)方面仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

2 系統(tǒng)軟件平臺(tái)虛擬化

2.1 VMware 虛擬服務(wù)器的創(chuàng)建

在兩臺(tái)物理服務(wù)器上進(jìn)行VMware Workstation 虛擬服務(wù)器的創(chuàng)建， 首先， 在服務(wù)器上按照VMware Workstation 8 軟件提示， 進(jìn)行程序安裝， VMware 虛擬機(jī)安裝完成后， 點(diǎn)擊“New Virtual Mechine” 新建虛擬機(jī)， 為虛擬機(jī)安裝Windows Sever 2003 操作系統(tǒng)， 虛擬機(jī)其他設(shè)置如虛擬的內(nèi)存大小、 硬盤大小及分區(qū)、 CPU 數(shù)等等， 需根據(jù)需要部署的系統(tǒng)軟件平臺(tái)的配置需求進(jìn)行操作， 為使系統(tǒng)運(yùn)行更加快速高效， 各配置的參數(shù)需要尋求物理機(jī)硬件資源和虛擬機(jī)應(yīng)用需求間的平衡， 不可一味增加虛擬機(jī)內(nèi)存和硬盤空間的大小而影響主機(jī)的運(yùn)作。 同時(shí)， 網(wǎng)絡(luò)模式的設(shè)置也十分重要， 網(wǎng)絡(luò)模式主要有Bridged (橋接)、 Network(NAT 網(wǎng)絡(luò))、 Host-Only (主機(jī)網(wǎng)絡(luò)) 三種， 不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置對(duì)于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接及訪問權(quán)限有一定的限制， 其中多網(wǎng)卡的虛擬機(jī)可以設(shè)置多種網(wǎng)絡(luò)連接， 本研究利用虛擬機(jī)技術(shù)， 在每臺(tái)虛擬服務(wù)器上添加雙網(wǎng)卡， 分別采用Host-Only 和Bridged 網(wǎng)絡(luò)模式， 同一臺(tái)主機(jī)的內(nèi)部通過Host-Only 網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行通信連接， 外部網(wǎng)絡(luò)也可通過Bridged 網(wǎng)絡(luò)模式訪問系統(tǒng)， 便于對(duì)Oracle Net 組件、 ArcSDE 連接及配置使用。 虛擬機(jī)內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)連接的屬性意義如表2所示。

表2 虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接屬性意義Table 2 Network connection properties of the virtual machine

2.2 系統(tǒng)軟件平臺(tái)虛擬化部署

VMware 虛擬服務(wù)器的硬件配置及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的搭建完成后， 根據(jù)需要按照上述方法建立4 臺(tái)虛擬機(jī)部署整個(gè)新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)。 把十余種專業(yè)軟件匯同大型Oracle 數(shù)據(jù)庫整合到2個(gè)物理服務(wù)器上， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺(tái)的功能， 在每臺(tái)物理服務(wù)器上分別建立2個(gè)Windows Sever 2003 虛擬機(jī)， 首先， 在虛擬機(jī)上安裝部署大型Oracle數(shù)據(jù)庫和ArcSDE 數(shù)據(jù)引擎， 建立用戶及表空間， 導(dǎo)入新疆地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的部署。 其次， 在地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的支持下， 部署業(yè)務(wù)系統(tǒng)， 根據(jù)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)日常運(yùn)維情況， 分析系統(tǒng)各軟件的使用率及故障率， 在進(jìn)行系統(tǒng)虛擬化時(shí)，對(duì)于平時(shí)使用率低的軟件及基本不用的服務(wù)不進(jìn)行部署， 精簡系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)配置，減輕因系統(tǒng)臃腫導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。 新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)虛擬化實(shí)施方案如表3所示。

表3 虛擬系統(tǒng)部署表Table 3 Deployment table of the virtual system

2.3 虛擬系統(tǒng)的快速恢復(fù)

在系統(tǒng)安裝調(diào)試過程中， 可根據(jù)需要， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行備份， 系統(tǒng)可以同時(shí)保存多個(gè) “鏡像”， 使用者還可通過鏡像點(diǎn)管理器， 來完成對(duì)鏡像點(diǎn)的刪除、 恢復(fù)等管理。 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)， 利用虛擬機(jī)快照 “閃回” 功能， 實(shí)現(xiàn)整個(gè)應(yīng)急系統(tǒng)的快速恢復(fù)， 也可通過異地拷貝虛擬機(jī)文件， 在其他虛擬機(jī)上植入已經(jīng)部署好的虛擬機(jī)系統(tǒng)， 完成虛擬機(jī)系統(tǒng)的恢復(fù)。避免了故障時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的重新部署， 大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)性， 提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性， 虛擬系統(tǒng)快照備份圖如圖2 所示。

圖2 虛擬系統(tǒng)快照備份示意圖Fig.2 Snapshot backup diagram of the virtual system

2.4 虛擬系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用效果分析

在VMware 虛擬服務(wù)器上， 部署好Oracle 數(shù)據(jù)庫、 ArcSDE 空間數(shù)據(jù)引擎、 Weblogic 中間件及各業(yè)務(wù)軟件， 導(dǎo)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息后， 對(duì)虛擬系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行測(cè)試。 在日常運(yùn)維中逐漸應(yīng)用虛擬系統(tǒng)， 通過觸發(fā)測(cè)試地震來測(cè)試整個(gè)虛擬地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的性能，檢驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性， 并及時(shí)做好備份工作。 系統(tǒng)測(cè)試圖如圖3 所示。

圖3 虛擬系統(tǒng)測(cè)試圖Fig.3 Test map of the virtual system

經(jīng)過一段時(shí)間的測(cè)試， 系統(tǒng)運(yùn)行良好， 速率較高， 對(duì)于每日運(yùn)維中觸發(fā)的測(cè)試地震，系統(tǒng)根據(jù)本地化專家模型計(jì)算地震影響場， 調(diào)用影響場內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)庫信息， 進(jìn)行災(zāi)害損失評(píng)估， 提供輔助決策各類信息， 最終將結(jié)果在指揮終端中進(jìn)行展示， 指揮終端提供了下載功能， 用戶可下載打開各類輔助決策報(bào)告， 為地震應(yīng)急指揮決策者提供科學(xué)依據(jù)， 系統(tǒng)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按要求迅速生成各類圖件及報(bào)告， 滿足了新疆地震應(yīng)急的需求。

在故障排除、 運(yùn)行效率及服務(wù)器整合方面， 現(xiàn)有系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)的對(duì)比如表4 所示，由表可知， 虛擬系統(tǒng)用2 臺(tái)服務(wù)器整合了現(xiàn)有9 臺(tái)服務(wù)器上部署的系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容災(zāi)備份的同時(shí)， 計(jì)算速度及運(yùn)行效率均有所提升， 對(duì)于7 級(jí)以下的地震， 運(yùn)算速率略快于現(xiàn)有系統(tǒng)， 7 級(jí)以上的地震兩系統(tǒng)運(yùn)行效率基本相同； 而系統(tǒng)重啟等一般性故障排除方面， 虛擬系統(tǒng)速度較快； 在整體系統(tǒng)恢復(fù)方面， 虛擬系統(tǒng)可快速恢復(fù)、 異地移植部署整個(gè)系統(tǒng)。

表4 兩系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)比表Table 4 Comparison table of the two systems

新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)虛擬化的應(yīng)用解決了系統(tǒng)的容災(zāi)備份， 提升了穩(wěn)定性， 同時(shí)減少因備份帶來的總體擁有成本， 實(shí)現(xiàn)了資源合理配置， 減輕了技術(shù)人員工作強(qiáng)度與難度， 實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用快速部署， 主要體現(xiàn)在： 虛擬系統(tǒng)使得軟件運(yùn)行環(huán)境的隔離性、 安全性得到有效保證， 系統(tǒng)得到精簡， 服務(wù)器利用率也大幅提高， 減少了技術(shù)人員維護(hù)設(shè)備的工作量及難度， 虛擬系統(tǒng)的快速閃回功能及異地移植功能使得應(yīng)用部署速度有了質(zhì)的飛躍， 以上這些均大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 同時(shí)備份系統(tǒng)時(shí)大大減少了所占用的服務(wù)器數(shù)量， 隨著硬件的升級(jí)及軟件整合， 系統(tǒng)占用的服務(wù)器由原來7 臺(tái)減少到2 臺(tái)， IT 架構(gòu)總體擁有成本得到有效縮減， 包括： 硬件采購成本、 運(yùn)營電力成本， 運(yùn)行機(jī)柜空間成本、 網(wǎng)絡(luò)成本、網(wǎng)絡(luò)端口成本、 機(jī)房制冷成本以及運(yùn)維管理等成本。

3 結(jié)論

虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)技術(shù)的又一次創(chuàng)新， 它改變了計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)之間的層次關(guān)系。 虛擬化技術(shù)提高了計(jì)算機(jī)硬件資源的利用率， 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的快速遷移、 備份，且易于管理與維護(hù)， 在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

本文以新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)為例， 進(jìn)行了基于VMware 虛擬服務(wù)器的系統(tǒng)軟件平臺(tái)虛擬化研究， 文中簡要介紹了新疆地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)軟件平臺(tái)的整體架構(gòu)， 并根據(jù)需要在2 臺(tái)物理服務(wù)器上進(jìn)行VMware 虛擬服務(wù)器的創(chuàng)建， 最終虛擬出4 臺(tái)虛擬服務(wù)器進(jìn)行大型Oracle 數(shù)據(jù)庫、 ArcSDE 空間數(shù)據(jù)引擎、 Weblogic 中間件及各業(yè)務(wù)軟件的部署， 完成地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的導(dǎo)入， 并在平時(shí)的日運(yùn)維中進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試， 結(jié)果表明， 系統(tǒng)運(yùn)行良好， 速率較高， 可根據(jù)本地化專家模型計(jì)算地震影響場， 進(jìn)行災(zāi)害損失評(píng)估， 提供輔助決策信息， 并將結(jié)果通過指揮終端進(jìn)行展示， 系統(tǒng)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按要求迅速生成各類圖件及報(bào)告， 為地震應(yīng)急指揮決策者提供科學(xué)依據(jù)， 同時(shí)虛擬化技術(shù)使得軟件運(yùn)行環(huán)境的隔離性、 安全性得到有效保證， 穩(wěn)定性大幅提升， 服務(wù)器利用率也大幅提高， 軟硬件資源得到合理配置， 減少了技術(shù)人員維護(hù)設(shè)備的工作量及難度， IT 架構(gòu)總體擁有成本得到有效縮減， 有效節(jié)能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了綠色機(jī)房的構(gòu)建。

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