電網(wǎng)跨數(shù)據(jù)中心云資源容災(zāi)模型可靠性研究

朱磊，鐘建栩，余少鋒

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司信息通信分公司，廣州 510000）

引言

隨著電網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量不斷增多，因此，當(dāng)災(zāi)難事件發(fā)生時，導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)出現(xiàn)毀壞甚至丟失，對電網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營產(chǎn)生不可估量的損失，意味著巨大的經(jīng)濟(jì)影響。除此之外，確保電網(wǎng)數(shù)據(jù)的可靠性，提高用戶體驗(yàn)也是提高公司競爭力和占領(lǐng)市場份額的必要條件。容災(zāi)技術(shù)經(jīng)過電網(wǎng)跨數(shù)據(jù)中心的實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)儲存模式相比，存在巨大綜合優(yōu)勢，但是一些容災(zāi)模型[1]的可靠性并不能確定，為去除這些隱患，研究容災(zāi)模型的可靠性成為電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全的最后一道防線。

在過去很多年里，世界的容災(zāi)恢復(fù)系統(tǒng)經(jīng)歷了嚴(yán)峻考驗(yàn)，其中普遍存在的災(zāi)難原因是停電。通過云計(jì)算等技術(shù)在城市與城市之間構(gòu)建跨數(shù)據(jù)中心，并將多份數(shù)據(jù)儲存在該數(shù)據(jù)中心，這樣不但可以提高數(shù)據(jù)的安全性，并且還提供電網(wǎng)數(shù)據(jù)的均衡負(fù)載與應(yīng)用安全等多重保障。結(jié)合數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、安全維護(hù)以及災(zāi)難維護(hù)等方面的實(shí)現(xiàn)程度，將災(zāi)難恢復(fù)等級由低到高分為6個級別，依次為基本支持、備用支持、傳輸支持、完備實(shí)施支持、實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸支持以及數(shù)據(jù)零損失支持。完整的災(zāi)難系統(tǒng)建設(shè)同樣遵守從底層到高層發(fā)展原則。

云計(jì)算的快速發(fā)展讓社會感受到，未來將會利用云計(jì)算數(shù)據(jù)方式取代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。該技術(shù)的運(yùn)行模式[2]與設(shè)計(jì)理論和傳統(tǒng)方式相比存在巨大差異。云資源改善了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的資源分配問題，利用互聯(lián)網(wǎng)將散布在不同區(qū)域的資源傳輸?shù)綉?yīng)用系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)業(yè)務(wù)的連續(xù)性，使以往的容災(zāi)數(shù)據(jù)中心得到簡化，并降低了容災(zāi)風(fēng)險。

容災(zāi)類型按照距離大小可以分成同城容災(zāi)和異地容災(zāi)。同城容災(zāi)指利用光纖直接達(dá)到數(shù)據(jù)完全同步的目的。而異地容災(zāi)則受到距離等因素影響，一般對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行備份從而確保數(shù)據(jù)的安全性。

現(xiàn)階段，對容災(zāi)模型可靠性評價[3]的方案有很多，但是并沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致一些容災(zāi)模型的構(gòu)建并不合理，大多數(shù)存在資源浪費(fèi)或容量不足等現(xiàn)象，在發(fā)生重大災(zāi)難時，不能滿足系統(tǒng)備用的要求。為改善這一缺陷，本文提出電網(wǎng)跨數(shù)據(jù)中心云資源容災(zāi)模型可靠性研究。針對構(gòu)建的容災(zāi)模型，建立四個模型可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合該標(biāo)準(zhǔn)，確定最后的評價函數(shù)，通過該函數(shù)實(shí)現(xiàn)對模型可靠性的研究。仿真結(jié)果表明，所提方法評價準(zhǔn)確度較高，能有效減少電網(wǎng)跨數(shù)據(jù)中心的災(zāi)難損失。

1 電網(wǎng)跨數(shù)據(jù)中心云資源容災(zāi)模型構(gòu)建

1.1 容災(zāi)體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)符號定義

1.1.1 容災(zāi)結(jié)構(gòu)

容災(zāi)系統(tǒng)的組成部分為監(jiān)測體系[4]、控制體系、文件信息部分以及通信代理構(gòu)成。圖1與圖2分別為容災(zāi)體系結(jié)構(gòu)與容災(zāi)平臺示意圖。

監(jiān)測功能利用FAM實(shí)現(xiàn)對文件數(shù)據(jù)的檢測，并將容災(zāi)信息傳遞給控制系統(tǒng)?？刂撇糠值年P(guān)鍵是傳輸控制進(jìn)度，能夠用來對該系統(tǒng)中所有類型的消息進(jìn)行傳輸。文件信息部分包含的類型為重要文件、副本文件和文件列表。重要的文件通過監(jiān)測模塊對其檢測，副本文件系統(tǒng)中則保存著一些重要文件的備份。通信代理模塊能實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)中容災(zāi)結(jié)構(gòu)的副本安全與文件恢復(fù)等功能，并將所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)建為一個容災(zāi)聯(lián)盟[5]。圖3為容災(zāi)分配示意圖。

圖1 容災(zāi)體系結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 容災(zāi)平臺框架

容災(zāi)儲存需要滿足下述原則：

1）分散性原則

假設(shè)兩個不同區(qū)域發(fā)生災(zāi)難的概率分別為p1與p2，與其相對的災(zāi)難損失表示為C1和C2，因此聚集儲存時的最低損失風(fēng)險描述為，分散儲存時的最高風(fēng)險為

2）災(zāi)難概率和損失逆序性[6]原則

假設(shè)n個區(qū)域的應(yīng)用系統(tǒng)在經(jīng)歷災(zāi)難后的損失 表 示 為C1,C2,...Cn， 并 且n個區(qū)域相對的災(zāi)難概率描述為p1,p2,...,pn，且 滿 足p1≤p2≤...≤pn的 條 件。 因 此 可 以 看 出（正序積和）。

容災(zāi)儲存必須遵循上述兩條關(guān)鍵準(zhǔn)則，災(zāi)難損失最大的部分應(yīng)該選擇備用在發(fā)生災(zāi)難概率最小的區(qū)域，可以通過減少一定損失降低容災(zāi)損失函數(shù)。

1.1.2 容災(zāi)相關(guān)符號定義

假設(shè)集群服務(wù)器里的容災(zāi)結(jié)構(gòu)聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N，且任意一個成員節(jié)點(diǎn)Mi均屬于一個四元組：

則容災(zāi)結(jié)構(gòu)聯(lián)盟可定義為：

式中：

Mi,Id—節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志信息；

Mi,L—聯(lián)盟成員列表，將其定義成一個二元組形式；

FO-LIST、FB-LIST—原始文件與副本文件的列表。

則文件信息的描述定義表示為：

式中：

F—文件信息；

C—儲存文件的路徑；

H—文件的散列函數(shù)值；

M—文件數(shù)量。

1.2 容災(zāi)特征模型建立

在構(gòu)建容災(zāi)模型時，必須保證模型具有良好的兼容性和數(shù)據(jù)均衡負(fù)載的能力[7]。電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)信息較為復(fù)雜，需要結(jié)合多處理集群按照不同特性對資源進(jìn)行分配任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)對應(yīng)數(shù)據(jù)資源的格式轉(zhuǎn)化，這樣才能確保容災(zāi)模型的層次結(jié)構(gòu)具有較好的兼容性，并且擁有處理冗余數(shù)據(jù)的基本功能。本文構(gòu)建的容災(zāi)模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖4可以看出，在該模型中，設(shè)數(shù)據(jù)容災(zāi)分配任務(wù)ti具有d個特點(diǎn)，則存在ti(ti1,ti2,...,tid)，將并把大量的網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)引入到多源數(shù)據(jù)設(shè)備中。如果電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)符合泊松分布[8]規(guī)律，第i個資源處理的任務(wù)量傳輸?shù)疥?duì)列的響應(yīng)時間表示為λi，第i個資源到達(dá)該隊(duì)列的時間是pim，通過下述公式得出執(zhí)行一個服務(wù)m時耗費(fèi)的容災(zāi)系數(shù)表示為：

圖3 容災(zāi)流程分配圖

圖4 容災(zāi)模型結(jié)構(gòu)示意圖

將公式（4）獲取的λSRm值帶入，通過公式（5）獲取在任意分布狀態(tài)下，容災(zāi)模型執(zhí)行分配任務(wù)m需要的最高融合概率：

公式（5）中，μim表示數(shù)據(jù)容災(zāi)在執(zhí)行任務(wù)時m的預(yù)期值，結(jié)合最高融合概率，獲取任務(wù)ti與tj的距離，通過下述公式進(jìn)行描述：

在公式（6）基礎(chǔ)上構(gòu)建容災(zāi)特征模型，設(shè)有閾值存在，并且該閾值大于距離值d，表明這兩個數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)兼容性，反之，兼容性較低。假設(shè)兼容兼容特征模型用li代表，則該模型表達(dá)式可描述為：

式中：

Sdj—沒有剔除的樣本信息。

2 容災(zāi)模型的可靠性分析

2.1 容災(zāi)模型可靠性判斷條件

對容災(zāi)模型進(jìn)行可靠性研究是評判系統(tǒng)可行性的關(guān)鍵內(nèi)容。對于容災(zāi)模型，下述四個方面為模型可靠性的評價標(biāo)準(zhǔn)。

1）備用容量

容災(zāi)系統(tǒng)的兩個主要特征為數(shù)據(jù)量與計(jì)算量都很大，因此擴(kuò)大備用容量成為當(dāng)前急需解決的問題，測試模型備用容量的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)為服務(wù)器數(shù)量，把系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量當(dāng)做區(qū)域i的備用容量Qi。

2）設(shè)備投入

假設(shè)區(qū)域i的設(shè)別投入表示為Pi，則容災(zāi)模型和備用容量存在的關(guān)系式為：

式中：

Cpri—儲存成本[9]，

a—備用強(qiáng)度。

3）區(qū)域?yàn)?zāi)難發(fā)生概率

如果區(qū)域i發(fā)生災(zāi)難的概率是pi，全部認(rèn)為與自然災(zāi)害對電網(wǎng)跨數(shù)據(jù)中心造成的危害形似表現(xiàn)為：硬件方面問題，主要有傳輸與儲存故障；服務(wù)方面故障，有操縱和應(yīng)用故障。

如果圖5中最底層自然災(zāi)害在i區(qū)域發(fā)生的概率分別表示為pf火災(zāi)、pt臺風(fēng)、pe地震、ps雷擊、pn為網(wǎng)絡(luò)安全情況，pv表示病毒入侵[10]概率。這些事件之間沒有關(guān)聯(lián)性，為相互獨(dú)立存在，因此在容災(zāi)模型中i區(qū)域最底層事件出現(xiàn)的概率表示為：

4）災(zāi)難損失

災(zāi)難帶來的損失表示為Ci，包括以下幾個部分：直接損失：代表設(shè)施遭到破壞帶來的損失，是固定的；間接損失：表示由于電網(wǎng)跨數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)損壞對電力造成的潛在影響，該損失和恢復(fù)時間t有密切關(guān)聯(lián)。

假設(shè)在任意地區(qū)i建設(shè)一座工作站，所需的設(shè)備投資是Ii，災(zāi)難帶來的影響系數(shù)表示為λi，此系數(shù)不但表示災(zāi)難給設(shè)備造成的損失程度，并且也反映數(shù)據(jù)破壞程度，通常意義上講，數(shù)據(jù)遭到的破壞程度越高，投入到正常工作所需時間越長，λi此時也可表示恢復(fù)正常工作需要的時間。

假設(shè)電網(wǎng)設(shè)備平時動力及維護(hù)耗費(fèi)為常值v，在不通地區(qū)出現(xiàn)同樣等級災(zāi)害的恢復(fù)速度相等，災(zāi)害發(fā)生情況滿足T分布，因此任意災(zāi)害第一次發(fā)生機(jī)率和重新構(gòu)建后再次發(fā)生的機(jī)率相等。則在區(qū)域i從原始設(shè)備投入到發(fā)生災(zāi)害需要耗費(fèi)的代價表達(dá)公式為：

圖5 災(zāi)難層次示意圖

上述公式中，災(zāi)難損失等級系數(shù)λi必須滿足正態(tài)分布，pi和所選擇的區(qū)域關(guān)系密切，即不是同一區(qū)域?yàn)?zāi)難發(fā)生概率不同，這將為容災(zāi)模型中的選址環(huán)節(jié)[11]奠定基礎(chǔ)。通常情況下要求同樣災(zāi)難類型在主要設(shè)備與備用設(shè)備同時遭到損壞的概率較小，災(zāi)難同時出現(xiàn)的概率也較低。

另外一方面，災(zāi)難情況發(fā)生使電網(wǎng)數(shù)據(jù)遭到的損失表示為：假設(shè)某主要設(shè)備的存儲容量為R，在某次災(zāi)難中遭到破壞的數(shù)據(jù)為r=λiR。

災(zāi)難時的損失數(shù)據(jù)評價了容災(zāi)模型可靠性的高低。發(fā)生極端現(xiàn)象時，主要設(shè)備全部數(shù)據(jù)信息有可能全部損毀，為確保絕對安全，備用設(shè)備保險容量不能低于主要設(shè)備。

2.2 評價函數(shù)確定

結(jié)合上述4個判斷容災(zāi)模型可靠性的條件，一個容災(zāi)模型的可靠性主要根據(jù)投資與災(zāi)難損失對其進(jìn)行評價（模型可靠性分析流程圖見圖6），在保證容災(zāi)模型可靠性的前提下，耗費(fèi)越少，災(zāi)難損失越低，容災(zāi)模型就越可靠，所以容災(zāi)模型的可靠性評價函數(shù)表示為：

圖6 模型可靠性分析流程圖

上述公式中，F(xiàn)值越小，表明容災(zāi)模型可靠性更高。

3 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與研究

為測試本文方法分析容災(zāi)模型可靠性時的性能，需要仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Intel Corei5-530的PC機(jī)。在實(shí)驗(yàn)過程中，假設(shè)云提供商CPi的最高內(nèi)存容量是800 G，有三個云提供商(CP2-CP4)能夠提供電網(wǎng)跨數(shù)據(jù)中心的容災(zāi)模型，并且提供商將對全部數(shù)據(jù)做三次備份，全部備份節(jié)點(diǎn)的鏈路數(shù)量是1，每個備份節(jié)點(diǎn)的平均帶寬必須高于40 MB/s。電網(wǎng)數(shù)據(jù)容災(zāi)模型在分配過程中的最高迭代次數(shù)為80，數(shù)據(jù)信息的權(quán)衡調(diào)度任務(wù)數(shù)量為50，開銷適應(yīng)度系數(shù)范圍為[0.5，1]。

仿真實(shí)驗(yàn)中，將本文方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。并在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置兩個評價指標(biāo)，分別為電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息容災(zāi)模型的最終成本RPO[12]與恢復(fù)目標(biāo)所耗費(fèi)的時間RTO（見圖7）。利用這兩個指標(biāo)判斷兩種對比方法的可行性。圖8為本文方法與傳統(tǒng)方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果可以看出本文方法對容災(zāi)模型可靠性分析精準(zhǔn)度較高，能夠有效減少電網(wǎng)跨數(shù)據(jù)中心云資源災(zāi)難的發(fā)生。

圖7 容災(zāi)模型中的RTO與RPO

圖8 不同方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)容災(zāi)模型可靠性分析準(zhǔn)確度較低造成的災(zāi)難事故。本文對電網(wǎng)跨數(shù)據(jù)中心云資源容災(zāi)模型可靠性進(jìn)行研究。結(jié)合容災(zāi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立容災(zāi)模型，并從備用容量、設(shè)備投入、災(zāi)難發(fā)生概率以及災(zāi)難損失方面對該模型的可靠性進(jìn)行評估，確定評價函數(shù)。最后通過仿真對比實(shí)驗(yàn)證明所提方法對電網(wǎng)跨數(shù)據(jù)中心云資源容災(zāi)模型可靠性的分析更為準(zhǔn)確，通過對容災(zāi)模型可靠性的精準(zhǔn)分析，使電網(wǎng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，減少災(zāi)難發(fā)生概率，彌補(bǔ)數(shù)據(jù)遭到損失的不足。