用虛擬技術(shù)構(gòu)建機場行李處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心

昆明船舶設(shè)備集團有限公司 / 曾學(xué)

用虛擬技術(shù)構(gòu)建機場行李處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心

昆明船舶設(shè)備集團有限公司 / 曾學(xué)

隨著國內(nèi)機場基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進、旅客流量的增加，機場行李處理系統(tǒng)基本按照“峰值”流量設(shè)計，以致在系統(tǒng)建設(shè)初期出現(xiàn)了IT資源閑置的狀況，造成極大的資金浪費。本文通過虛擬化技術(shù)的使用，使得系統(tǒng)在建設(shè)時可以滿足初期的使用要求，系統(tǒng)的可擴展性能夠滿足行李處理系統(tǒng)達(dá)到“峰值”流量時對數(shù)據(jù)中心的能力要求，并保證了行李處理IT系統(tǒng)運行時的高度可靠性以及在硬件擴展和軟件升級時業(yè)務(wù)的持續(xù)性，由此給機場的日常運營帶來了成本的節(jié)省和效率的提升。

虛擬技術(shù)、機場行李處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、冷備系統(tǒng)

按照國家“十三五”規(guī)劃，到2020年，全國運輸機場總數(shù)將達(dá)到260個以上，100公里范圍內(nèi)覆蓋全國91%的人口，并建成20個以上的大型機場為核心的綜合交通樞紐。屆時，全國居民的年均乘機次數(shù)有望從目前的0.3次增長為0.5次；出入境人次達(dá)到7.5億，其中航空出行人次在1.5億以上。

如此龐大規(guī)模的出行需求對機場三大系統(tǒng)（離港系統(tǒng)、航班信息系統(tǒng)、行李處理系統(tǒng)）之一的行李處理系統(tǒng)提出了更高的要求，諸如行李再確認(rèn)系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、備件倉庫管理系統(tǒng)、維護信息系統(tǒng)等多個系統(tǒng)將被應(yīng)用到行李處理系統(tǒng)中，用于支撐行李系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行，隨之帶來的是軟硬件的不斷投入、運營費用的不斷增加以及能耗的不斷增長。以一臺PC服務(wù)器350w的功率來計算，每增加一臺服務(wù)器，260個機場一年將多消耗掉797160度電。如果把為該服務(wù)器提供電源的UPS的耗電計算在內(nèi)，這個數(shù)字將超過80萬度。另一方面，行李系統(tǒng)的設(shè)計都按照行李流量的“峰值”數(shù)據(jù)設(shè)計，在達(dá)到設(shè)計時劃定的這個“峰值”之前，服務(wù)器的資源出現(xiàn)閑置，因此帶來巨大的資源和資金的浪費。如何構(gòu)建一個綠色環(huán)保的行李處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，已成為行李系統(tǒng)建設(shè)中的新課題。

一、虛擬化技術(shù)分析

虛擬化技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，最早應(yīng)用于IBM大型機硬件的分區(qū)。虛擬化是指通過向資源使用者屏蔽這些資源的物理性質(zhì)和邊界的方式將IT資源進行整合。簡單地理解，虛擬化就是對各類計算機資源進行邏輯抽象、分配、管理的過程。

經(jīng)過多年的發(fā)展，虛擬化技術(shù)日趨成熟，數(shù)據(jù)中心通過使用虛擬化，可以將各類計算機資源有機整合，集中管理，提高資源利用率，進而減少企業(yè)的采購成本、電力成本、制冷成本和管理成本，當(dāng)然也就為建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心打開了一條重要的技術(shù)通道。

虛擬化改變了傳統(tǒng)計算機的資源應(yīng)用模式，將應(yīng)用在虛擬機上，操作系統(tǒng)無法分辨虛擬機與物理機之間的差異，應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)中的其他計算機也無法分辨，即使是虛擬機本身也認(rèn)為自己是一臺“真正的”計算機。只不過虛擬機完全由軟件組成，不含任何硬件組件。虛擬機結(jié)構(gòu)如圖1。

虛擬機有如下特性：

1.兼容性：虛擬機與所有標(biāo)準(zhǔn)的x86操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序完全兼容。因此，可以使用虛擬機來運行在 x86 物理計算機上運行的所有相同軟件。

2.隔離：雖然多個虛擬機可以共享一臺計算機的物理資源，但它們彼此之間保持完全隔離狀態(tài)，就像它們是不同的物理計算機一樣。

3.封裝：虛擬機實質(zhì)上是一個軟件容器，它將一整套虛擬硬件資源與操作系統(tǒng)及其所有應(yīng)用程序捆綁或“封裝”在一個軟件包內(nèi)，每個虛擬機擁有獨立的虛擬硬件（CPU、內(nèi)存、硬盤和外設(shè)）和虛擬執(zhí)行環(huán)境。封裝特性使虛擬機具備良好的可移動性并且易于管理。

4.獨立于硬件：虛擬機完全獨立于其底層物理硬件，可將一個物理服務(wù)器虛擬化成多個虛擬機，而且各個虛擬機可以運行不同類型的操作系統(tǒng)（Windows、Unix等）。

>> 圖1 虛擬機結(jié)構(gòu)圖

>> 圖2 裸金屬架構(gòu)的行李處理IT系統(tǒng)

二、基于裸金屬構(gòu)架的生產(chǎn)運營系統(tǒng)

我們可以直接在硬件上面安裝虛擬化軟件，再在軟件上安裝操作系統(tǒng)，依賴虛擬層內(nèi)核和服務(wù)器控制臺進行管理，這種虛擬化技術(shù)的構(gòu)架被稱作裸金屬架構(gòu)，如圖2。其優(yōu)點是：虛擬機不依賴于操作系統(tǒng)，可以支持多種操作系統(tǒng)，應(yīng)用起來更加靈活。目前基于裸金屬架構(gòu)主流的虛擬化軟件有VMWare ESX Server等。

如圖2，運用裸金屬構(gòu)架建設(shè)行李系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，行李分揀計算機系統(tǒng)SAC、數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控SCADA、行李再確認(rèn)系統(tǒng)BRS、設(shè)備管理系統(tǒng)EMS、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Oracle等多個系統(tǒng)都運行在一個物理服務(wù)器上，可以明顯降低系統(tǒng)運行成本、提升設(shè)備利用率。它們之間的任何一個系統(tǒng)所運行的虛擬機出了問題，都不會影響其它虛擬機運行。但是，如果這個物理服務(wù)器的硬件出了問題，那么行李處理計算機系統(tǒng)就徹底癱瘓了，這顯然是系統(tǒng)構(gòu)架的大忌。

為了保證行李系統(tǒng)的持續(xù)運行，我們需要使用虛擬化軟件的另外一個功能——動態(tài)遷移。通常情況下，一個物理服務(wù)器上運行著一個或多個虛擬機，當(dāng)物理服務(wù)器出現(xiàn)故障或需要維護時，虛擬化軟件的動態(tài)遷移機制能將虛擬機遷移至其他的物理服務(wù)器上，以此保障業(yè)務(wù)應(yīng)用的連續(xù)性。虛擬化技術(shù)構(gòu)建的應(yīng)用集群如圖3。

反思性教學(xué)指教學(xué)主體借助行動研究，不斷探究與解決自身和教學(xué)目的，以及教學(xué)工具等方面的問題，將“學(xué)會教學(xué)（learning how to teach）”與“學(xué)會學(xué)習(xí)（learning how to learn）”結(jié)合起來，努力提升教學(xué)實踐的合理性，使自己成為學(xué)者型教師的過程[1]。理查德在其《第二語言課堂的反思性教學(xué)》一書中將反思性教學(xué)定義為：反思性教學(xué)是教師發(fā)展的一個技巧。教師通過對自己的課堂教學(xué)提問進行反思，教師收集教學(xué)的數(shù)據(jù)，審視自己的態(tài)度、觀點和教學(xué)實踐，以這些信息為基礎(chǔ)進行批判性反思[2]。

實現(xiàn)虛擬機的動態(tài)遷移有如下前提：

1.源物理服務(wù)器和目標(biāo)服務(wù)器CPU是同一廠家，因為同一廠家的CPU指令集相同，這樣才能保證遷移后的虛擬機能接著執(zhí)行源虛擬機的CPU指令。

2.源服務(wù)器和目標(biāo)服務(wù)器在同一二層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，若在二層以上的網(wǎng)絡(luò)，虛擬化軟件很難修改DNS服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)配置來對客戶端的訪問路徑做出變更，很難實現(xiàn)動態(tài)遷移。在同一二層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，僅需使用反地址解析協(xié)議就能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址重定向，讓所有連接指向遷移后的虛擬機。

3.源服務(wù)器和目標(biāo)服務(wù)器使用同一個磁盤陣列，遷移的時候無需移動虛擬機文件。

在動態(tài)遷移的過程中，虛擬化軟件完成了文件系統(tǒng)遷移、內(nèi)存遷移、I/O重定向（網(wǎng)絡(luò)地址的重定向）、將系統(tǒng)恢復(fù)到在線狀態(tài)等，因此避免了“將所有雞蛋放在一個籃子里”問題。在線遷移帶來的優(yōu)勢如下：

如果源物理機器需要進行更新、更改或重新啟動，則可以通過動態(tài)遷移將虛擬機移動到群集中的其他物理服務(wù)器上。當(dāng)源物理服務(wù)器恢復(fù)后再將虛擬機移回源服務(wù)器。

如果運行虛擬機的物理服務(wù)器發(fā)生故障（比如主板故障）或性能嚴(yán)重下降，則群集中的其他成員將接收該虛擬機的所有權(quán)并自動將其恢復(fù)到在線狀態(tài)。

如果虛擬機出現(xiàn)故障，可以在同一臺服務(wù)器重新啟動，或者移動到另一臺目標(biāo)服務(wù)器，如圖4。通過虛擬軟件自動檢測和自動恢復(fù)功能，停機時間得以降至最低。

若需將新的系統(tǒng)部署至行李系統(tǒng)中或需要增加新的物理服務(wù)器時，則無需對現(xiàn)在運行的系統(tǒng)和硬件作出任何變更，保證了業(yè)務(wù)運行的持續(xù)性。部署新系統(tǒng)如圖5，增加新服務(wù)器如圖6。

>> 圖3 虛擬化技術(shù)構(gòu)建的應(yīng)用集群

>> 圖4 服務(wù)器的維護

三、基于寄生架構(gòu)的冷備系統(tǒng)

若在操作系統(tǒng)之上安裝和運行虛擬化軟件，對資源的管理依賴于主機操作系統(tǒng)對設(shè)備的支持和物理資源的管理，這種虛擬化技術(shù)的架構(gòu)被稱作寄生架構(gòu)。其優(yōu)點是簡單、便于實現(xiàn)，缺點是安裝和運行應(yīng)用程序依賴于主機操作系統(tǒng)對設(shè)備的支持，一旦主機操作系統(tǒng)受到攻擊，該主機上所寄生的虛擬機都將面臨威脅。

由于機場行李系統(tǒng)是365×24小時運行的系統(tǒng)，不允許有服務(wù)中斷。在裸金屬架構(gòu)中，一旦磁盤陣列出現(xiàn)宕機，那么整個行李系統(tǒng)也將面臨癱瘓的風(fēng)險，因此，行李處理IT系統(tǒng)還需要另外一種備份系統(tǒng)——冷備份系統(tǒng)。

通常情況下冷備份系統(tǒng)只需備份行李系統(tǒng)的核心系統(tǒng)SAC、SCADA以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)即可。在生產(chǎn)運營服務(wù)器遭受嚴(yán)重破壞或者磁盤陣列宕機的時候，可以手動啟用冷備系統(tǒng)來接替生產(chǎn)系統(tǒng)用于快速恢復(fù)作業(yè)。寄生架構(gòu)的冷備系統(tǒng)主要優(yōu)點是：多個系統(tǒng)的虛擬機共用一個物理服務(wù)器，盡量減少資源的浪費。在正常情況下冷備份虛擬機不啟動，我們可以將此服務(wù)器用作部門OA的文件共享服務(wù)器等。這種構(gòu)架的冷備份系統(tǒng)進一步增強了行李系統(tǒng)的可靠性，又不會使服務(wù)器出現(xiàn)閑置。寄生架構(gòu)的冷備系統(tǒng)如圖7。

>> 圖5 集群中部署新系統(tǒng)

>> 圖6 集群中增加新的服務(wù)器

四、傳統(tǒng)構(gòu)架與虛擬化

行李系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)構(gòu)架如圖8。按照功能劃分的需要，我們需要購置10臺HP DL380服務(wù)器和一套磁盤陣列。同時，在項目建設(shè)初期，由于客流量/行李量還未達(dá)到設(shè)計的“峰值”，因此帶來了大量資源的閑置。

行李系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心虛擬化后，我們采用3臺高配置的HP DL580和一套磁盤陣列來構(gòu)建，如圖9，保證服務(wù)器的處理能力能滿足系統(tǒng)建成初期的需求；交換機端口、存儲區(qū)域網(wǎng)SAN端口、磁盤陣列的插槽、機房空間留有余量，保證數(shù)據(jù)中心的可擴展性，滿足行李量到達(dá)“峰值”時對數(shù)據(jù)中心的要求。這種架構(gòu)能有效節(jié)省投資，減少成本。

從傳統(tǒng)的行李系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心物理拓?fù)浜吞摂M化的拓?fù)渲?，我們可以看出虛擬化技術(shù)給機場運營管理帶來的主要優(yōu)勢如下：

1.提升利用率。通過資源整合與調(diào)度，大大提高了行李系統(tǒng)IT基礎(chǔ)設(shè)施的資源利用率。

2.整合資源。服務(wù)器整合會減少服務(wù)器數(shù)量，縮減機房的規(guī)模，節(jié)能減排，降低成本，減少維護壓力。

3.快速部署。大大提高對新上線系統(tǒng)的部署速度。

4.簡化運維。加強保障，業(yè)務(wù)持續(xù)性增強，運維工作量減少。

>> 圖7 寄生構(gòu)架的冷備系統(tǒng)

>> 圖8 傳統(tǒng)的行李系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的物理拓?fù)?/p>

>> 圖9 虛擬化后行李系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的物理拓?fù)?/p>

5.動態(tài)擴展。在目前的服務(wù)器性能不足以支撐業(yè)務(wù)運行的時候，可以根據(jù)需要動態(tài)擴展物理服務(wù)器，并實現(xiàn)不間斷的硬件擴展和業(yè)務(wù)升級。

隨著節(jié)能環(huán)保政策的深入推進，以及國家在“十三五”期間持續(xù)對機場建設(shè)投入的增加，虛擬化技術(shù)在航空領(lǐng)域特別是機場行李處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用將會得到更大的推廣和普及。