鐵路信息網(wǎng)絡(luò)云管邊端訪問協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)研究

周翔豪 王昆 李赟 魏曉燕

摘要：為推動(dòng)鐵路信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展，滿足鐵路邊緣計(jì)算和云計(jì)算對(duì)網(wǎng)絡(luò)日益增長(zhǎng)的訪問需求，通過分析鐵路信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)及需求，對(duì)DNS（域名系統(tǒng)）、全局負(fù)載均衡和CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析，提出相應(yīng)部署方案，可有效提高用戶訪問鐵路應(yīng)用的響應(yīng)速度與可靠性，實(shí)現(xiàn)鐵路信息網(wǎng)絡(luò)“云—管—邊—端”機(jī)制下的訪問協(xié)同。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；邊緣計(jì)算；CDN技術(shù)；全局負(fù)載均衡技術(shù)；DNS技術(shù)

1. 需求分析

隨著萬物感知、萬物互聯(lián)、萬物智能，信息爆炸時(shí)代的到來，以及對(duì)業(yè)務(wù)運(yùn)用毫秒級(jí)低時(shí)延的要求，給傳統(tǒng)云數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)處理模式帶來巨大挑戰(zhàn)。

從鐵路發(fā)展趨勢(shì)來看，對(duì)數(shù)據(jù)信息的匯集、融合、分析、處理等需求越來越大。傳統(tǒng)云計(jì)算具有豐富的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源，鐵路利用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬化，以動(dòng)態(tài)靈活分配資源，提升運(yùn)營(yíng)效率。由于鐵路采用“線路—站場(chǎng)—數(shù)據(jù)中心”業(yè)務(wù)模式，中心云部署的形式遠(yuǎn)離終端用戶[1]，針對(duì)諸多對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用場(chǎng)景，會(huì)造成端到端時(shí)延較長(zhǎng)等問題。由于鐵路數(shù)據(jù)中心訪問量巨大，中心云部署方式有限的計(jì)算能力難以滿足日益增加的訪問需求。因此，通過使用更靠近用戶側(cè)的邊緣計(jì)算，能夠有效彌補(bǔ)中心側(cè)距離較遠(yuǎn)、計(jì)算能力不足的問題，保證應(yīng)用的時(shí)延要求。

云計(jì)算與邊緣計(jì)算相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)，形成“云—管—邊—端”網(wǎng)絡(luò)協(xié)同聯(lián)動(dòng)機(jī)制[2]，更好地為鐵路信息業(yè)務(wù)提供服務(wù)。為構(gòu)建可管、可控、可靠、可視、可測(cè)、可信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為鐵路行業(yè)提供全業(yè)務(wù)、全場(chǎng)景、全連接、強(qiáng)安全的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，構(gòu)建鐵路新一代信息網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫。如何實(shí)現(xiàn)鐵路各個(gè)層級(jí)間網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)同，成為鐵路“云—管—邊—端”網(wǎng)絡(luò)協(xié)同聯(lián)動(dòng)機(jī)制發(fā)展的重要待解決問題。

根據(jù)前期調(diào)研，國(guó)內(nèi)的大型企業(yè)大多使用DNS、全局負(fù)載均衡和CDN等主流技術(shù)來實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)各個(gè)層級(jí)間云邊訪問協(xié)同。由于上述技術(shù)在實(shí)現(xiàn)原理上互有交叉，且存在遞進(jìn)關(guān)系，因此本文逐一對(duì)DNS、全局負(fù)載均衡和CDN的技術(shù)原理、實(shí)現(xiàn)方案和工作流程進(jìn)行分析和介紹。

2. 訪問協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 DNS技術(shù)

2.1.1 技術(shù)原理

由于鐵路采用“線路—站場(chǎng)—數(shù)據(jù)中心”業(yè)務(wù)模式，域名系統(tǒng)DNS可以通過域名的解析實(shí)現(xiàn)鐵路端到邊緣、邊緣到云中心的訪問協(xié)同。鐵路DNS系統(tǒng)可以在云中心部署控制中心，在邊緣端部署訪問解析節(jié)點(diǎn)。控制中心統(tǒng)一管理和控制訪問解析節(jié)點(diǎn)，同時(shí)為訪問節(jié)點(diǎn)的需求提供訪問策略，控制訪問解析節(jié)點(diǎn)為對(duì)終端用戶提供可靠的、多樣化的解析服務(wù)。邊緣訪問解析節(jié)點(diǎn)可以探測(cè)用戶要訪問的應(yīng)用狀態(tài)，對(duì)于非單一部署的應(yīng)用能夠?qū)⒂脩舻脑L問請(qǐng)求切換到狀態(tài)健康的應(yīng)用，提高用戶的訪問體驗(yàn)。

2.1.2 實(shí)現(xiàn)方案

域名系統(tǒng)使用的服務(wù)器主要包括權(quán)威域名服務(wù)器、遞歸域名服務(wù)器，權(quán)威DNS是經(jīng)過上一級(jí)授權(quán)對(duì)域名進(jìn)行解析的服務(wù)器，同時(shí)它可以把解析授權(quán)轉(zhuǎn)授給其他人；遞歸域名服務(wù)器負(fù)責(zé)接收用戶對(duì)任意域名查詢，并返回結(jié)果給用戶。遞歸DNS可以緩存結(jié)果以避免重復(fù)[3]。

（1）國(guó)鐵集團(tuán)本級(jí)：為實(shí)現(xiàn)全路DNS統(tǒng)一數(shù)據(jù)配置、狀態(tài)監(jiān)控和業(yè)務(wù)分析的工作，應(yīng)在國(guó)鐵集團(tuán)本級(jí)主環(huán)境部署管理平臺(tái)，管理平臺(tái)作為統(tǒng)一平臺(tái)管理鐵路網(wǎng)絡(luò)的DNS服務(wù)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)需要在國(guó)鐵集團(tuán)本級(jí)備環(huán)境部署一套管理平臺(tái)作為備份節(jié)點(diǎn)。

分別在主環(huán)境和備環(huán)境部署權(quán)威服務(wù)節(jié)點(diǎn)作為鐵路根DNS，全網(wǎng)客戶端配置兩條DNS地址，首選DNS配置為主環(huán)境權(quán)威服務(wù)節(jié)點(diǎn)，備選DNS配置為備環(huán)境權(quán)威服務(wù)節(jié)點(diǎn)，另外也可根據(jù)路局規(guī)模進(jìn)行交叉指向，一部分終端首選DNS配置為主環(huán)境權(quán)威服務(wù)節(jié)點(diǎn)，一部分終端設(shè)備環(huán)境權(quán)威服務(wù)節(jié)點(diǎn)。本組設(shè)備主要為客戶端提升鐵路權(quán)威DNS解析服務(wù)，單個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)部署基于HA機(jī)制的兩臺(tái)DNS設(shè)備，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的高可用機(jī)制[4]。鐵路權(quán)威DNS節(jié)點(diǎn)向國(guó)鐵集團(tuán)終端提供鐵路內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的權(quán)威解析，并向國(guó)鐵集團(tuán)級(jí)客戶端提供鐵路內(nèi)外域名解析，不直接面向各路局客戶端提供域名解析，如圖1所示。

（2）路局側(cè)本地DNS節(jié)點(diǎn)：因各路局鐵路內(nèi)網(wǎng)均存在應(yīng)用及業(yè)務(wù)系統(tǒng)，各路局需在鐵路內(nèi)網(wǎng)部署一組本地DNS服務(wù)節(jié)點(diǎn)，路局本地DNS服務(wù)節(jié)點(diǎn)，直接為本地路局及下屬站端提供鐵路內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用解析，所有DNS數(shù)據(jù)均由國(guó)鐵集團(tuán)管理平臺(tái)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一推送，各路局管理員可通過集中管理平臺(tái)登錄進(jìn)行本區(qū)域所屬域名相關(guān)的增、刪、改操作。

2.2 全局負(fù)載均衡技術(shù)

通過在鐵路內(nèi)網(wǎng)自建DNS系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)DNS智能解析功能，但由于DNS服務(wù)器工作基于網(wǎng)絡(luò)層面，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心承載的各類鐵路重要業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行基于應(yīng)用層面的流量訪問控制，特別是在如今各類業(yè)務(wù)應(yīng)用都使用雙活架構(gòu)的背景下，在建立DNS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用全局負(fù)載均衡技術(shù)顯得尤為必要。

2.2.1 技術(shù)原理

全局負(fù)載均衡技術(shù)主要是依靠既有的域名服務(wù)進(jìn)行應(yīng)用，當(dāng)用戶訪問部署于國(guó)鐵集團(tuán)機(jī)關(guān)機(jī)房和主數(shù)據(jù)中心的雙中心業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)，用戶通過域名來訪問目標(biāo)業(yè)務(wù)應(yīng)用。部署于國(guó)鐵集團(tuán)機(jī)關(guān)機(jī)房和主數(shù)據(jù)中心機(jī)房的兩組全局負(fù)載均衡設(shè)備具備智能DNS解析的功能，全局負(fù)載均衡設(shè)備起到權(quán)威DNS服務(wù)器的作用，當(dāng)路局和站段等端側(cè)用戶訪問國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)，路局側(cè)本地DNS設(shè)備以遞歸的方式向全局負(fù)載均衡發(fā)起請(qǐng)求，最后將返回的結(jié)果回給用戶，用戶收到解析結(jié)果后，正常訪問業(yè)務(wù)應(yīng)用。全局負(fù)載均衡設(shè)備可以和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用負(fù)載均衡形成聯(lián)動(dòng)機(jī)制，同時(shí)不同中心的全局負(fù)載設(shè)備也會(huì)實(shí)時(shí)交互，全局負(fù)載設(shè)備可以實(shí)時(shí)獲得各業(yè)務(wù)區(qū)的故障情況和負(fù)荷情況，最終為用戶返回最優(yōu)數(shù)據(jù)中心的IP地址，保證用戶快速穩(wěn)定地訪問，合理分擔(dān)數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)壓力。相比自建DNS系統(tǒng)，全局負(fù)載均衡技術(shù)在鐵路的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)承載的各類鐵路重要業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行基于應(yīng)用層面的流量訪問控制。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)方案

在部署DNS設(shè)備的基礎(chǔ)上，路局側(cè)的設(shè)備保持不變，在國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)，使用全局負(fù)載均衡設(shè)備替換原有的權(quán)威DNS服務(wù)器，分別在國(guó)鐵集團(tuán)機(jī)關(guān)機(jī)房和主數(shù)據(jù)中心出口各旁掛部署兩臺(tái)負(fù)載做GSLB，采用主備部署，兩臺(tái)負(fù)載起到智能DNS作用，共享本地資源狀態(tài)和本地DNS信息，形成一個(gè)負(fù)載集群，同時(shí)在兩個(gè)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器應(yīng)用區(qū)域交換機(jī)旁掛兩臺(tái)負(fù)載均衡，采用主備部署，兩臺(tái)負(fù)載起到應(yīng)用負(fù)載的作用，同時(shí)將應(yīng)用負(fù)載上的配置信息傳遞給GSLB，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)效果[5]。將之前國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)權(quán)威DNS的記錄刪去，全部改為設(shè)置成兩條NS記錄指向部署的全局負(fù)載均衡設(shè)備。國(guó)鐵集團(tuán)機(jī)關(guān)機(jī)房和主數(shù)據(jù)中心主備部署GSLB，配置全局同步并設(shè)置全局負(fù)載策略。

2.3 CDN技術(shù)

通過應(yīng)用DNS技術(shù)和全局負(fù)載均衡技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)和鐵路局側(cè)用戶的基于應(yīng)用層面的流量訪問控制，特別是當(dāng)某路出現(xiàn)故障時(shí)，可以自動(dòng)將流量切換到其他健康的服務(wù)器，提高系統(tǒng)的可用性。但是考慮到鐵路用戶地理分布廣泛，同時(shí)由于用戶數(shù)量眾多，訪問量巨大，特別是當(dāng)用戶在全國(guó)范圍內(nèi)訪問鐵路網(wǎng)站的動(dòng)靜態(tài)文件以及進(jìn)行流媒體點(diǎn)播時(shí)，當(dāng)前的訪問控制機(jī)制難以滿足短時(shí)間的巨大訪問需求。通過在鐵路使用CDN技術(shù)，具體是在鐵路局和站段側(cè)部署大量緩存服務(wù)器，通過結(jié)合全局負(fù)載均衡技術(shù)，使用戶的訪問指向距離其最近的緩存服務(wù)器，提升訪問速度，盡可能地避免網(wǎng)絡(luò)擁堵狀況，使傳輸?shù)膬?nèi)容更加迅速和穩(wěn)定。

2.3.1 技術(shù)原理

CDN技術(shù)的應(yīng)用基于DNS實(shí)現(xiàn)，通過在國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)部署CDN源服務(wù)器，并在各個(gè)鐵路局側(cè)部署CDN緩存服務(wù)器，當(dāng)用戶發(fā)起訪問請(qǐng)求時(shí)，本地DNS在解析后，會(huì)通過CNAME把解析域名的權(quán)力交給CDN中專用的DNS設(shè)備，該設(shè)備通過全局負(fù)載均衡設(shè)備分析，將距離用戶最近的CDN緩存服務(wù)器的地址返回用戶，用戶根據(jù)得到的IP地址對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行訪問。

2.3.2 實(shí)現(xiàn)方案

（1）國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)：在國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)主數(shù)據(jù)中心部署CDN內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)包含一套專用的DNS設(shè)備以及局負(fù)載均衡設(shè)備。

（2）鐵路局側(cè)：在各個(gè)鐵路局機(jī)房建設(shè)邊緣節(jié)點(diǎn)，形成二級(jí)架構(gòu)部署，每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)包含CDN緩存服務(wù)器和應(yīng)用負(fù)載均衡，和國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)的CDN內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)動(dòng)為用戶提供服務(wù)。

2.3.3 工作流程

路局及站段用戶訪問國(guó)鐵集團(tuán)云中心：

（1）位于路局的客戶端或站段客戶端，首先向部署于各路局的本地DNS服務(wù)節(jié)點(diǎn)DNS發(fā)起請(qǐng)求。

（2）路局內(nèi)網(wǎng)本地DNS服務(wù)節(jié)點(diǎn)將解析域名的權(quán)力交給CDN中專用的DNS設(shè)備。

（3）全局負(fù)載均衡設(shè)備與本地負(fù)載均衡設(shè)備聯(lián)動(dòng)，根據(jù)服務(wù)器的負(fù)載情況和地理位置選擇合適的CDN緩存服務(wù)器，CDN專用DNS根據(jù)全局負(fù)載均衡設(shè)備選擇結(jié)果最終為用戶返回最優(yōu)IP地址。

（4）用戶向邊緣緩存節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，若用戶請(qǐng)求的內(nèi)容在該節(jié)點(diǎn)上命中，則直接將內(nèi)容返回給用戶。若用戶請(qǐng)求的內(nèi)容在該節(jié)點(diǎn)中不存在，則該節(jié)點(diǎn)通過智能路由和私有傳輸協(xié)議從離源服務(wù)器最近的高速緩存節(jié)點(diǎn)獲取，若請(qǐng)求的內(nèi)容在該節(jié)點(diǎn)也不存在，則回源獲取內(nèi)容并返回，同時(shí)將內(nèi)容緩存在該節(jié)點(diǎn)上。

CDN技術(shù)特別是在用戶下載大文件和視頻等靜態(tài)資源的場(chǎng)景中，極大提升了用戶的體驗(yàn)，同時(shí)符合當(dāng)前鐵路云邊協(xié)同的發(fā)展趨勢(shì)，將部分任務(wù)從中心服務(wù)器遷移到離用戶更近的邊緣節(jié)點(diǎn)上。這樣可以減輕中心服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，降低延遲，提高用戶體驗(yàn)。

3. 應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 DNS技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

以鐵路局側(cè)用戶訪問國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)某業(yè)務(wù)應(yīng)用為例。

正常情況下，當(dāng)路局及站段用戶訪問國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)某業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)，首先向路局側(cè)本地的DNS設(shè)備發(fā)起域名解析請(qǐng)求，當(dāng)本地DNS設(shè)備發(fā)現(xiàn)本次緩存中并沒有該域名的對(duì)應(yīng)IP地址記錄，隨即向位于國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)的權(quán)威DNS設(shè)備發(fā)起請(qǐng)求，由于國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)分別在兩個(gè)數(shù)據(jù)中心使用了互為主備的兩套DNS設(shè)備，路局側(cè)的本地DNS配置了兩條指向國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)權(quán)威DNS的地址，其中一條地址為主地址，默認(rèn)優(yōu)先由國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)的主DNS設(shè)備返回對(duì)應(yīng)IP地址。

3.2 全局負(fù)載均衡技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

以鐵路局側(cè)用戶訪問國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)某業(yè)務(wù)應(yīng)用為例。

正常情況下，首先向路局側(cè)本地的DNS設(shè)備發(fā)起域名解析請(qǐng)求，當(dāng)本地DNS設(shè)備發(fā)現(xiàn)本地緩存中并沒有該域名的對(duì)應(yīng)IP地址記錄，隨即向位于國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)的全局負(fù)載均衡設(shè)備發(fā)起請(qǐng)求，全局負(fù)載均衡根據(jù)本地負(fù)載均衡承載的服務(wù)器狀態(tài)以及流量情況計(jì)算出應(yīng)用系統(tǒng)最佳訪問路徑，將最佳的IP地址返回用戶，用戶完成對(duì)目標(biāo)業(yè)務(wù)應(yīng)用的正常訪問。

當(dāng)國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)其中一個(gè)數(shù)據(jù)中心全局負(fù)載設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，將會(huì)由另一個(gè)數(shù)據(jù)中心的全局負(fù)載設(shè)備進(jìn)行解析，向用戶返回解析結(jié)果。

當(dāng)國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)單數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)故障時(shí)，另外一個(gè)中心可以對(duì)該中心的業(yè)務(wù)狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，用戶的解析請(qǐng)求將不會(huì)發(fā)送至該中心，保障業(yè)務(wù)應(yīng)用的連續(xù)性和用戶體驗(yàn)。

3.3 CDN技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

CDN技術(shù)的重要應(yīng)用場(chǎng)景是鐵路職工訪問集中部署于國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)網(wǎng)站中的靜態(tài)資源，當(dāng)某鐵路局職工訪問鐵路內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)站獲取靜態(tài)資料時(shí)，當(dāng)用戶發(fā)起對(duì)目標(biāo)網(wǎng)站的地址解析請(qǐng)求，CDN會(huì)最終返回用戶所屬路局的CDN高速緩存服務(wù)器的IP地址，用戶因此可以正常完成對(duì)目標(biāo)網(wǎng)站的訪問，當(dāng)路局側(cè)部署的CDN緩存服務(wù)器本地存儲(chǔ)中存在資源時(shí)，員工可直接獲取目標(biāo)資源，如果不存在該資源，正常向國(guó)鐵集團(tuán)側(cè)的CDN服務(wù)器請(qǐng)求該資源，資源在返回給用戶時(shí)，將自動(dòng)保存在路局側(cè)CDN緩存服務(wù)器中。

結(jié)語

本文通過對(duì)鐵路信息網(wǎng)絡(luò)云管邊端訪問協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合機(jī)制工作原理、工作流程和使用場(chǎng)景，對(duì)DNS、全局負(fù)載均衡、CDN等技術(shù)在鐵路的應(yīng)用部署方案進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。鐵路用戶眾多，地理位置分布廣泛，在國(guó)鐵集團(tuán)大力發(fā)展邊緣計(jì)算等技術(shù)的背景下，使用上述技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)云邊的訪問協(xié)同，提升訪問效率和速度，為構(gòu)建鐵路信息網(wǎng)絡(luò)提供了重要參考。

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作者簡(jiǎn)介：周翔豪，碩士研究生，助理工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全。

課題項(xiàng)目：中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：P2021S005）。