基于超融合基礎(chǔ)架構(gòu)的鐵路云數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案

李 斌

(佳訊飛鴻（北京）智能科技研究院有限公司，北京 100044)

1 現(xiàn)狀與需求分析

在國內(nèi)鐵路“客運(yùn)高速化、貨運(yùn)重載化、運(yùn)輸生產(chǎn)智能化”的發(fā)展背景下，新技術(shù)如何將鐵路既有業(yè)務(wù)深入融合提升到一個(gè)新的高度，對于新技術(shù)與鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)緊密關(guān)聯(lián)提出更高的要求和發(fā)展目標(biāo)。

傳統(tǒng)IT 發(fā)展困境與面臨的痛點(diǎn)如下。

1）傳統(tǒng)IT 建設(shè)模式導(dǎo)致設(shè)備供應(yīng)商和設(shè)備種類繁多，用戶需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力準(zhǔn)備大量復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施，各種設(shè)備的配置相互獨(dú)立，管理割裂，缺少統(tǒng)一的集中化 IT 構(gòu)建策略，無法對數(shù)據(jù)中心內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控、管理、報(bào)告和遠(yuǎn)程訪問，后期維護(hù)技術(shù)門檻高。

2）數(shù)據(jù)中心空間資源有限，而且傳統(tǒng)存儲(chǔ)在擴(kuò)展性上受限，無法適應(yīng)虛擬化數(shù)據(jù)中心彈性可擴(kuò)展的未來要求，如：SAN/NAS 存儲(chǔ)擴(kuò)展性差，無法支撐新業(yè)務(wù)的性能需求；鐵路新業(yè)務(wù)服務(wù)化轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)架構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)線性擴(kuò)展能力，從而造成了存儲(chǔ)和應(yīng)用割裂及豎井化。

3）投資成本和運(yùn)維成本高。傳統(tǒng)的存儲(chǔ)與計(jì)算分離架構(gòu)，需要配置獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)。為了提高系統(tǒng)整體高可用性，需要通過資源冗余的方式達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，包括存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的冗余、存儲(chǔ)控制器的冗余、存儲(chǔ)鏈路的冗余等，增加了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)投資成本。

4）業(yè)務(wù)部署開通周期長。新的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的部署周期較長，整個(gè)過程包括方案設(shè)計(jì)、硬件選型、多廠商采購、分批到貨、上架安裝、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)配置、綜合調(diào)試、業(yè)務(wù)部署等環(huán)節(jié)。一般情況下，這個(gè)過程需要的工作量約20～40 h，交付周期約 2～5 個(gè)月，IT 系統(tǒng)從提交業(yè)務(wù)變更請求到進(jìn)行運(yùn)營變更之間存在較長的延遲，初期部署效率低。

中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱國鐵集團(tuán)）2017 年頒布《鐵路信息化總體規(guī)劃》文件，規(guī)劃了中國鐵路信息化IT 建設(shè)的4 項(xiàng)要求，既是明確發(fā)展方向，又是對傳統(tǒng)IT 面臨困境的有效回應(yīng)。

1）建設(shè)高性能多業(yè)務(wù)承載網(wǎng)。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)資源應(yīng)綜合使用，除國家法律法規(guī)有明確規(guī)定和國家有關(guān)部門有特殊要求的，原則上不再單獨(dú)建設(shè)專網(wǎng)，現(xiàn)有各業(yè)務(wù)專網(wǎng)應(yīng)逐步整合，提高網(wǎng)絡(luò)利用效率和運(yùn)行質(zhì)量，避免網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)。

2）IT 資源大集中，降低邊緣站點(diǎn)維護(hù)工作量。為適應(yīng)信息技術(shù)發(fā)展和信息系統(tǒng)運(yùn)維工作特點(diǎn)，應(yīng)積極推進(jìn)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源配置和部署集中化，最大限度地減少沿線和地區(qū)計(jì)算機(jī)設(shè)備，盡可能實(shí)行集中維護(hù)管理，減少基層站段維護(hù)工作量。

3）國鐵集團(tuán)及路局兩級(jí)數(shù)據(jù)中心建設(shè)。以總公司、路局兩級(jí)數(shù)據(jù)中心和鐵路信息網(wǎng)建設(shè)為重點(diǎn)，建成國鐵集團(tuán)、鐵路局兩級(jí)現(xiàn)代化數(shù)據(jù)中心和先進(jìn)高效的信息處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息資源和網(wǎng)絡(luò)資源的集中配置與管理，提高鐵路信息資源、網(wǎng)絡(luò)資源共享程度和綜合利用水平，滿足信息系統(tǒng)互聯(lián)互通和資源共享需要。

4）共享IT 資源池建設(shè)：建立鐵路硬件資源共享機(jī)制。原則上，新建信息系統(tǒng)所需主處理設(shè)備和運(yùn)行環(huán)境統(tǒng)一配置，不再隨具體系統(tǒng)單獨(dú)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)硬件資源的共享共用。

2 鐵路云數(shù)據(jù)中心總體技術(shù)架構(gòu)

2.1 鐵路云數(shù)據(jù)中心技術(shù)架構(gòu)

云平臺(tái)基于云計(jì)算理論及軟件定義，通過整合硬件、應(yīng)用軟件、業(yè)務(wù)系統(tǒng)等各類IT 資源，為系統(tǒng)提供具有按需分配、彈性伸縮、自動(dòng)化、可計(jì)量等云計(jì)算特性的信息化資源交付服務(wù)。在硬件資源基礎(chǔ)上通過虛擬化技術(shù)和超融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)包括服務(wù)器、計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)資源的池化，將資源與物理設(shè)備解耦，并通過云管理平臺(tái)對資源按需分配、靈活調(diào)度、運(yùn)維監(jiān)控，提高資源利用率，改善服務(wù)模式。

基于云架構(gòu)的鐵路數(shù)據(jù)中心架構(gòu)從上至下分為3 個(gè)層次：1）應(yīng)用層；2）平臺(tái)服務(wù)層；3）基礎(chǔ)設(shè)施層。架構(gòu)如圖1 所示。

1）應(yīng)用服務(wù)層：主要是各專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)及服務(wù)，如調(diào)度、車務(wù)、機(jī)務(wù)、車輛、工務(wù)、供電、電務(wù)等專業(yè)應(yīng)用，還包括云平臺(tái)傳統(tǒng)應(yīng)用及SaaS 云服務(wù)的部署及實(shí)現(xiàn)。

圖1 鐵路云數(shù)據(jù)中心技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technology architecture of railway cloud data center

2）平臺(tái)服務(wù)層（PaaS）：除提供應(yīng)用中間件、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、消息中間件、基礎(chǔ)軟件等軟件服務(wù)的部署和實(shí)現(xiàn)外，還提供如云主機(jī)、云存儲(chǔ)、容器服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入、大數(shù)據(jù)平臺(tái)接入、人工智能平臺(tái)接入。

3）基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS）：主要提供網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、服務(wù)器等基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的部署和實(shí)現(xiàn)。

2.2 超融合基礎(chǔ)架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

超融合基礎(chǔ)架構(gòu)（Hyper-Converged Infrastructure，HCI）也被稱為超融合架構(gòu)，是指在同一套單元設(shè)備(X86 服務(wù)器)中不僅僅具備計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和服務(wù)器虛擬化等資源和技術(shù)，而且還包括緩存加速、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除、在線數(shù)據(jù)壓縮、備份軟件、快照技術(shù)等元素，而多節(jié)點(diǎn)可以通過網(wǎng)絡(luò)聚合起來，實(shí)現(xiàn)模塊化的無縫橫向擴(kuò)展(scale-out)，形成統(tǒng)一的資源池。

超融合基礎(chǔ)架構(gòu)如圖2 所示。

超融合從技術(shù)架構(gòu)維度可分為 4 個(gè)層級(jí)，從下至上包括：硬件資源層、技術(shù)實(shí)現(xiàn)層、虛擬資源層、集中管理層。

硬件資源層：以通用的 X86 服務(wù)器為標(biāo)準(zhǔn)載體，包含 CPU、內(nèi)存、固態(tài)硬盤、機(jī)械硬盤等基本配件，為上層技術(shù)實(shí)現(xiàn)層提供硬件資源。整個(gè)數(shù)據(jù)中心只需要通用的 X86 服務(wù)器和二/三層交換機(jī)硬件，通過計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安全和管理的完全軟件定義，即可替代復(fù)雜的傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的極簡化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)層：將服務(wù)器虛擬化、分布式存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等幾大主流虛擬化技術(shù)進(jìn)行深度融合，利用超融合技術(shù)對底層硬件進(jìn)行全虛擬化，從而將服務(wù)器集群所包含的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行池化,形成虛擬資源池。

虛擬資源層：從虛擬資源池獲取相應(yīng)的資源進(jìn)行實(shí)例化，為應(yīng)用提供豐富的虛擬化實(shí)例，從而大幅減少專有硬件采購數(shù)量，降低總體投資成本，提高了業(yè)務(wù)部署、調(diào)整的速度和整體運(yùn)維效率。

圖2 超融合基礎(chǔ)架構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of hyper-converged infrastructure

集中管理層：通過集中式資源管理軟件，對底層硬件資源、虛擬資源池和虛擬實(shí)例進(jìn)行統(tǒng)一管理、監(jiān)控，并支持為不同類型應(yīng)用靈活分配資源。

3 鐵路云數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案

鐵路數(shù)據(jù)中心的建設(shè)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，涉及到前期的規(guī)劃和設(shè)計(jì)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)、IT 基礎(chǔ)設(shè)施的整合虛擬化等方方面面。鐵路云數(shù)據(jù)中心建設(shè)也是一個(gè)逐步實(shí)施和開展的過程。

以下將針對鐵路云數(shù)據(jù)中心建設(shè)過程中幾個(gè)重點(diǎn)的環(huán)節(jié)展開研究和探討。

3.1 鐵路云數(shù)據(jù)中心IaaS層資源池規(guī)劃

IaaS 層資源池規(guī)劃如圖3 所示，關(guān)鍵考慮點(diǎn)如下。

從技術(shù)角度分析：技術(shù)平臺(tái)要求相同的應(yīng)用系統(tǒng)放在一起。不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)由于具有不同的業(yè)務(wù)特征，運(yùn)行在不同的平臺(tái)（Linux，Windows）不同的數(shù)據(jù)庫（Oracle，MySQL）上，具有相同技術(shù)平臺(tái)需求的業(yè)務(wù)可以放在同一資源池進(jìn)行資源共享。

從安全等級(jí)角度分析：系統(tǒng)安全相同等級(jí)的應(yīng)用系統(tǒng)放在一起。具有相同安全等級(jí)（對外服務(wù)區(qū)低安全等級(jí)，核心應(yīng)用服務(wù)區(qū)高安全等級(jí)等）要求的系統(tǒng)（例如門戶服務(wù)器、郵件服務(wù)器）可以放在同一共享資源池。

圖3 鐵路云數(shù)據(jù)中心資源池規(guī)劃Fig.3 Plan of resource pool of railway cloud data center

從保證核心業(yè)務(wù)角度分析：核心業(yè)務(wù)分配固定比例的CPU、內(nèi)存資源。對于核心應(yīng)用，例如電商系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)等分配固定比例的CPU、內(nèi)存資源。

3.2 鐵路云數(shù)據(jù)中心云管平臺(tái)建設(shè)

為構(gòu)建較為完整云支撐能力，實(shí)現(xiàn)服務(wù)管理、服務(wù)交付、服務(wù)保障和客戶交互功能，鐵路運(yùn)輸企業(yè)云需要構(gòu)建完整的云管理平臺(tái)。

云管理平臺(tái)各個(gè)部分功能如下。

1）門戶展示層：是云管理平臺(tái)與用戶的交互層，以可視的方式將管理平臺(tái)的功能提供給各級(jí)用戶。

2）服務(wù)管理能力：實(shí)現(xiàn)云管理平臺(tái)對服務(wù)的集中管理，包括服務(wù)目錄的設(shè)計(jì)、組合與發(fā)布；服務(wù)需求管理與流程審批；服務(wù)計(jì)量與安全。

3）運(yùn)維支撐能力：為云平臺(tái)的服務(wù)提供持續(xù)保障，并支撐運(yùn)維團(tuán)隊(duì)完成對資源的日常運(yùn)行維護(hù)。通過外部接口，實(shí)現(xiàn)云與既有系統(tǒng)的集成，如現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)有ITSM 系統(tǒng)。

4）服務(wù)交付能力：通過云管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源池分區(qū)、分域、分組管理。同時(shí)對資源操控層以及介質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并可以通過自動(dòng)工作流引擎進(jìn)行作業(yè)調(diào)度，完成服務(wù)的實(shí)際交付。

3.3 鐵路云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4 所示，云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)可分為基于傳統(tǒng)二/三層網(wǎng)絡(luò)（VLAN）、基于硬件Overlay 網(wǎng)絡(luò)、基于軟件Overlay 網(wǎng)絡(luò)、基于混合Overlay 網(wǎng)絡(luò)等多種方式進(jìn)行組網(wǎng)，目前業(yè)界主流Overlay 技術(shù)一般采用VxLAN協(xié)議。

從云平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)角度看，基于外部服務(wù)網(wǎng)、內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)和安全生產(chǎn)網(wǎng)的3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以稱之為基礎(chǔ)設(shè)施云平臺(tái)的底層網(wǎng)絡(luò)。從縱向上看，Underlay 網(wǎng)絡(luò)可劃分為接入層、匯聚層、核心層；從橫向上可劃分為多個(gè)不同功能或用途的區(qū)域，不同區(qū)域之間通過匯聚層或直接與核心層相連?；A(chǔ)設(shè)施云平臺(tái)需要基于Underlay 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域并以模塊化方式搭建，基于多個(gè)Underlay 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域互聯(lián)來擴(kuò)展以形成更大規(guī)模的云平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。

圖4 鐵路云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of network architecture of railway cloud data center

4 結(jié)束語

結(jié)合鐵路IT 和信息化發(fā)展的現(xiàn)狀描述，通過對鐵路云數(shù)據(jù)中心的總體技術(shù)架構(gòu)以及平臺(tái)優(yōu)勢的重點(diǎn)說明，對云數(shù)據(jù)中心規(guī)劃建設(shè)中的幾個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域和環(huán)節(jié)進(jìn)行了闡述，為鐵路云數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供了新思路，提供了實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)支持和理論支撐。后續(xù)研究工作將繼續(xù)聚焦于云計(jì)算技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)，深入研究云計(jì)算領(lǐng)域新技術(shù)如何與鐵路既有業(yè)務(wù)深入融合，進(jìn)一步研究鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)各專業(yè)對于云平臺(tái)和數(shù)據(jù)中心的需求，挖掘鐵路生產(chǎn)數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。