基于虛擬化技術(shù)的海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)研究＊

東韓，楊揚(yáng)

（國家海洋信息中心 天津 300171）

隨著我國海洋信息化工作的不斷深入，國內(nèi)建成了大量的海洋專業(yè)信息數(shù)據(jù)庫，其服務(wù)模式從普通的資源共享集成模式，正在逐漸向交互性更高的知識(shí)服務(wù)形態(tài)轉(zhuǎn)變。然而在知識(shí)服務(wù)數(shù)字化的進(jìn)程中，這些各自獨(dú)立且內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似的系統(tǒng)中所存在的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)資源管理模式滯后、系統(tǒng)維護(hù)成本高、使用效率低等問題逐漸顯現(xiàn)。這就需要提出適合于知識(shí)服務(wù)的海洋專業(yè)信息管理模式，為海洋科學(xué)研究提供技術(shù)支撐。

本文研究一種基于虛擬化技術(shù)的海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)解決方案，通過利用虛擬化技術(shù)對(duì)信息資源進(jìn)行整合利用，以分析解決上述系統(tǒng)建設(shè)中存在的問題。通過研究，探索建設(shè)海洋專業(yè)知識(shí)整合體，匯聚打通傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫資源，構(gòu)建海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)框架的可能性，進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)彈性和靈活性、提高資源使用效率、降低運(yùn)維成本，為海洋專業(yè)知識(shí)建設(shè)與管理提供保障。

1 海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于海洋領(lǐng)域來說，知識(shí)服務(wù)的主體是信息資源豐富、應(yīng)用范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)的海洋專業(yè)信息整合體；知識(shí)服務(wù)的客體是接受知識(shí)服務(wù)來滿足其知識(shí)需求的海洋研究專家和相關(guān)科技人員。而海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)是通過梳理、標(biāo)準(zhǔn)化整合改造后的海洋信息資源，高效深入地滿足技術(shù)人員的知識(shí)需求，進(jìn)而建立海洋專業(yè)知識(shí)體系和柔性服務(wù)機(jī)制［1］。

隨著國家對(duì)海洋領(lǐng)域投入力度的加大，海洋信息資源量呈幾何倍數(shù)增長，各地也建成了許多海洋信息數(shù)據(jù)庫和知識(shí)服務(wù)系統(tǒng)。然而這些數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)由于各自獨(dú)立、資源異構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)不一，導(dǎo)致了不同節(jié)點(diǎn)間信息資源共享困難，片段知識(shí)難以及時(shí)有效地進(jìn)行組織整合，嚴(yán)重影響了知識(shí)服務(wù)質(zhì)量。具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

1．1 數(shù)據(jù)資源形式異構(gòu)

在海洋信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的建設(shè)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)為滿足自身系統(tǒng)建設(shè)和信息需求，獨(dú)立地完成各自的內(nèi)容，形成各自為政，單位分割。通過各自質(zhì)控后的數(shù)據(jù)形式各異，標(biāo)準(zhǔn)不一，嚴(yán)重影響了使用效率，造成了資源浪費(fèi)，數(shù)據(jù)不能得到有效共享。

1．2 傳統(tǒng)信息資源管理模式落后

目前傳統(tǒng)的信息資源管理大多采用分布式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)部署一套信息系統(tǒng)，各節(jié)點(diǎn)間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。這種部署方式會(huì)造成本地系統(tǒng)硬件配置成本增加，同時(shí)各節(jié)點(diǎn)間硬件資源不能充分共享，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性低、分布式管理復(fù)雜、運(yùn)維成本增加、維護(hù)難度大。

1．3 用戶需求響應(yīng)滯后

海洋信息資源豐富，品類眾多，知識(shí)需求也日趨多元化和個(gè)性化，面對(duì)龐大的海洋專業(yè)數(shù)據(jù)資源，專業(yè)背景各異的海洋科技人員難以在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確獲取自己所需的知識(shí)信息。隨著海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)需求的急劇增長，這些信息分類模糊、內(nèi)容相近的知識(shí)服務(wù)系統(tǒng)就不能有效地提供全面及時(shí)的數(shù)據(jù)服務(wù)，系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)性資源建設(shè)沒有形成，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃。

2 虛擬化

為能高效地使用日益強(qiáng)大的計(jì)算資源，維護(hù)不斷增加的存儲(chǔ)空間，同時(shí)滿足需求的靈活性和多樣性，作為云計(jì)算系統(tǒng)的核心組成部分，虛擬化技術(shù)得到了快速發(fā)展。虛擬化［2］是云計(jì)算的基礎(chǔ)，是將各種計(jì)算及存儲(chǔ)資源充分整合并高效利用的關(guān)鍵技術(shù)。它通過在底層上加入一個(gè)中間層將硬件資源虛擬化，用與訪問抽象前資源一致的方法來訪問抽象后的資源，為一組類似資源提供一個(gè)通用的抽象接口集，從而隱藏屬性和操作間的差異，實(shí)現(xiàn)為某些對(duì)象創(chuàng)造虛擬的版本，且可隨時(shí)動(dòng)態(tài)變化。虛擬化技術(shù)消除了底層物理設(shè)備與上層操作系統(tǒng)、軟件之間的耦合，實(shí)現(xiàn)了資源的高效靈活使用［3］，還可根據(jù)用戶需要?jiǎng)討B(tài)的構(gòu)建虛擬鏡像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的可伸縮性、透明性和高效性［4］。由于海洋專業(yè)信息系統(tǒng)大部分使用的是海量分布式存儲(chǔ)，深入研究并利用虛擬化技術(shù)，能有效整合現(xiàn)有軟硬件資源，降低云計(jì)算平臺(tái)的構(gòu)建、運(yùn)營和維護(hù)成本，簡化資源管理步驟，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。

虛擬化可分為軟件和硬件兩個(gè)層面。軟件虛擬化主要是指操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序虛擬化；硬件虛擬化主要包括存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化。由于在海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)中，獨(dú)立異構(gòu)的海洋專業(yè)數(shù)據(jù)庫主要影響了服務(wù)質(zhì)量，所以下面簡要介紹下存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)。

存儲(chǔ)技術(shù)經(jīng)歷了從單個(gè)磁盤、磁帶到SAN和NAS存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的歷程，對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境和資源共享的迫切需求推動(dòng)著存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)成為主流技術(shù)。存儲(chǔ)虛擬化［5］是將存儲(chǔ)資源統(tǒng)一集中到一個(gè)大容量的資源池，通過建立虛擬機(jī)監(jiān)視器［6］在硬件設(shè)備上提供了一個(gè)模擬的硬件環(huán)境，能夠同時(shí)為多個(gè)操作系統(tǒng)服務(wù)，無需中斷數(shù)據(jù)應(yīng)用即可改變存儲(chǔ)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)單點(diǎn)統(tǒng)一管理。存儲(chǔ)虛擬化主要有基于主機(jī)的虛擬化和基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化：基于主機(jī)的虛擬化是在操作系統(tǒng)級(jí)別上完成虛擬化工作，不需要任何硬件支持，也不影響現(xiàn)有存儲(chǔ)系統(tǒng)的基本架構(gòu)，該方法最容易實(shí)現(xiàn)，成本最低，但可擴(kuò)充性較差；基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化是在存儲(chǔ)設(shè)備的適配器、控制器上實(shí)現(xiàn)虛擬化功能，目前很多存儲(chǔ)設(shè)備（如磁盤陣列等）內(nèi)部都有功能較強(qiáng)的處理器，并帶有專門的嵌入式系統(tǒng)，可以在存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)虛擬化的工作，對(duì)外提供已經(jīng)完成虛擬化的磁盤空間。

3 基于虛擬化技術(shù)的海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)

結(jié)合海洋信息多源、異構(gòu)且離散分布的特點(diǎn)，通過利用虛擬化技術(shù)可以將系統(tǒng)中的各種異構(gòu)的海洋信息資源轉(zhuǎn)換成為靈活統(tǒng)一的虛擬海洋信息資源池，從而為相關(guān)科技人員提供海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)提供相應(yīng)支撐。

在基于虛擬化技術(shù)的海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)框架中，數(shù)據(jù)的匯聚打通是建設(shè)核心。整個(gè)架構(gòu)以海洋專業(yè)數(shù)據(jù)庫為支撐，通過提供統(tǒng)一的虛擬資源目錄，將底層異構(gòu)的各種海洋信息資源，映射成為靈活統(tǒng)一的虛擬海洋信息數(shù)據(jù)資源池，為上層知識(shí)服務(wù)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口，簡化訪問海洋信息數(shù)據(jù)資源的復(fù)雜性。其框架如圖1所示。

圖1 基于虛擬化技術(shù)的海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)框架

3．1 框架設(shè)計(jì)

從具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)來說，基于虛擬化技術(shù)的海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)框架可以分成3個(gè)層面：基礎(chǔ)硬件層、管理控制層和用戶應(yīng)用層。

3．1．1 基礎(chǔ)硬件層

服務(wù)框架設(shè)計(jì)中的最底層是基礎(chǔ)硬件層，由各單位節(jié)點(diǎn)中大量分布式的異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備組成，主要有各個(gè)節(jié)點(diǎn)中計(jì)算資源自身所擁有的IDE或SATA 硬盤，以及存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等，彼此之間通過高速以太網(wǎng)相連，形成一個(gè)整體，構(gòu)成海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)框架的物理基礎(chǔ)設(shè)施。

3．1．2 管理控制層

管理控制層是整個(gè)知識(shí)服務(wù)框架支持運(yùn)作的核心。在硬件資源整合方面，通過虛擬機(jī)監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)物理基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化，在軟件級(jí)別上將大量資源異構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)映射轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的虛擬數(shù)據(jù)資源池。虛擬機(jī)監(jiān)視器是一個(gè)虛擬機(jī)平臺(tái)軟件，它運(yùn)行于各個(gè)單位節(jié)點(diǎn)上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)資源的虛擬化?；诔杀究紤]，可在采用開源虛擬化平臺(tái)軟件Xen［7］的基礎(chǔ)上通過二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)資源虛擬化過程；在管理控制方面，主要對(duì)虛擬化之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度，為知識(shí)管理、知識(shí)挖掘和全文檢索提供透明訪問，同時(shí)協(xié)同安全管控，在保障系統(tǒng)安全的同時(shí)，建立并運(yùn)行維護(hù)機(jī)制，從技術(shù)和機(jī)制兩個(gè)方面進(jìn)行保護(hù)，維護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3．1．3 用戶應(yīng)用層

用戶應(yīng)用層是海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)的門戶，也是展現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)和信息的表現(xiàn)形式，由知識(shí)分類、知識(shí)檢索、知識(shí)地圖和知識(shí)模版功能組成。針對(duì)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遗c研究人員，通過交流互動(dòng)及時(shí)了解不同知識(shí)需求，提供個(gè)性化服務(wù)，建立知識(shí)豐富、交互性強(qiáng)、研究成果交流迅捷、簡便的服務(wù)平臺(tái)。

3．2 服務(wù)模型

基于上述框架設(shè)計(jì)，虛擬化的海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)模型主要包括海洋專業(yè)信息數(shù)據(jù)庫、海洋專業(yè)知識(shí)庫和管理工具3個(gè)部分（圖2）。

3．2．1 海洋專業(yè)信息數(shù)據(jù)庫

由分散在各節(jié)點(diǎn)上的多層次海洋專業(yè)數(shù)據(jù)庫及相關(guān)海洋知識(shí)系統(tǒng)構(gòu)成。

圖2 基于虛擬化技術(shù)的海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)模型

3．2．2 海洋專業(yè)知識(shí)庫

依照海洋專業(yè)知識(shí)分類，在虛擬化技術(shù)的支撐下，對(duì)海洋專業(yè)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行重新組織與整合，通過提供虛擬信息與物理信息之間的資源映射和轉(zhuǎn)換，利用知識(shí)關(guān)聯(lián)技術(shù)存儲(chǔ)多維度的數(shù)據(jù)索引與知識(shí)關(guān)聯(lián)規(guī)則，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)主體，為海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)提供數(shù)據(jù)支持。

3．2．3 管理工具

主要提供知識(shí)內(nèi)容的更新管理和虛擬信息資源與物理信息資源之間的映射轉(zhuǎn)換功能。根據(jù)知識(shí)內(nèi)容的擴(kuò)充與變化情況，及時(shí)更新信息資源映射信息表中的信息，將對(duì)虛擬資源的操作映射到相應(yīng)的物理資源上，進(jìn)而形成虛擬目錄，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理海洋環(huán)境信息資源的透明訪問。

4 小結(jié)

通過引入虛擬化技術(shù)來解決當(dāng)前海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)中存在的資源異構(gòu)、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模式落后、用戶需求響應(yīng)不及時(shí)等問題，從框架設(shè)計(jì)和服務(wù)模型兩方面分析了提供基于虛擬化技術(shù)的海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)的可能，提供了匯聚打通節(jié)點(diǎn)間海量數(shù)據(jù)，構(gòu)建信息資源豐富、應(yīng)用范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)的海洋專業(yè)知識(shí)整合體的研究思路，為理清海洋信息資源，開展全方位、多層次的海洋專業(yè)知識(shí)服務(wù)做出了探索。

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