基于云計算的橋梁安全與健康監測數據中心基礎架構及其數據管理技術

摘 要： 橋梁安全監測數據信息以幾何級數速度增長，對數據中心海量數據存儲、管理提出了智能化、高效率化的要求。分析了橋梁安全與健康監測數據中心的數據管理技術及發展趨勢；闡述了基于云計算（Cloud Computing）的數據中心基礎架構；深入探討了關鍵設備和軟件的選型；對基于云計算的橋梁安全監測數據中心的應用前景進行了展望。

關鍵詞： 云計算； 橋梁安全與健康監測； 數據中心； 數據管理技術

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）12-18-04

Basic architecture and data management technology of bridge safety and health

monitoring data center based on cloud computing

Tu Huimin1，2， Wu Jufeng1，2

（1. Wuhan Bridge Science Research Institute（BSRI） Ltd.MBEC， Wuhan， Hubei 430034， China；

2. Key laboratory of bridge structure and health of Hubei province）

Abstract： With the development of bridge safetyhealth monitoring data center （BSHM-DC） technology， the monitoring data is increased rapidly in exponential speed， which requires the data storage and management technology of data center to be more intelligent and efficient. In this paper， the data management technology and developing trend of BSMS-DC is put forward firstly. After illustrating the basic architecture of BSHM-DC on the basis of cloud computing， the selections of key devices and related software are discussed. Lastly， its application expectation of BSHM-DC is prospected.

Key words： cloud computing； bridge safety health monitoring （BSHM）； data center（DC）； data management technology

0 引言

橋梁安全與健康監測系統是通過在橋梁的關鍵部位布置高可靠性和耐久性的各類傳感器，對結構內力、變形、動力特性、環境狀況進行實時監測，獲取橋梁在營運期內受各種荷載作用下的結構響應，通過理論計算和規范值與實測值的對比、分析，實現結構異常響應報警、結構營運安全性評估、結構損傷識別等。由于該系統7*24小時不間斷檢測，所采集的數據量飛速增長。在面對多座橋梁監測系統集成管理的情況下通常采用直聯式數據存儲方式，其數據的存儲能力、數據管理難度、數據安全，以及存儲資源的利用等，都難以滿足系統設計需求。

云計算可以滿足新一代數據中心對網絡、存儲和計算的業務需求，并能提供豐富的應用服務，是新一代數據中心的核心要素[1-2]。本文通過引入云計算的基礎架構，建立了基于云計算的橋梁安全與健康監測數據中心，將分散在全國各地的監測系統數據進行集中可靠的存儲與管理，并通過云計算數據中心向用戶提供高效、安全的服務。

1 橋梁安全與健康監測數據中心建設的現狀

隨著在役橋梁安全與健康監測建設的發展，橋梁安全與健康監測系統中海量數據的存儲與有效利用日顯重要，并成為在役系統普遍關注的一個重點。一個中等橋梁安全與健康監測系統數據日增長量在3GB/天左右，一年有1.1TB增量的數據，數據的維護管理主要依賴系統管理員定期執行，數據管理的實施方式難以統一。隨著數據量的增加，數據管理工作量、管理難度及管理成本成倍增加，數據也得不到有效利用。

橋梁安全與健康監測數據中心引入云計算，可將業務數據和應用在公有云和私有云之間同步，當數據中心構建的私有云出現故障，應用可以無縫遷移到公有云中。通過云計算將分散在全國各地的業務系統數據通過INTERNET進行集中存儲與管理，可向橋梁技術研究者提供數據共享服務分析橋梁健康監測海量數據；橋梁管理單位即使不具備橋梁專業技術知識也可以在任何地方、任何時間監測到橋梁的實際運營狀況，獲得橋梁健康監測報告及橋梁營運安全性評估等服務并實時反饋專家意見，大大提高了橋梁管養效率。

基于云計算的橋梁安全與健康監測數據中心建設分兩部分，一部分是集成中心，另一部分是分散在全國各地的分中心。集成中心的數據增長量在10GB/天，分中心的數據增長量在3GB/天左右，增長量會隨著業務量的增加而增加。集成中心利用云計算技術對服務器、存儲、網絡等IT資源進行虛擬化，將所有的IT資源放在一個資源池中并進行動態資源管理，對IT資源進行監管和云管理。當資源池中分配給某個橋梁安全與健康監測系統的資源出現故障或者該系統獲得的資源不夠用的時候，云管理平臺會自動分配給它新的資源，從而保證系統7*24小時不間斷運行。

分中心的數據通過公共Internet網絡與集成中心組成云網絡，數據進行同步，在集成中心對數據進行異地容災備份。集成中心有兩份數據，一份數據面向橋梁安全與健康監測系統（數據庫A），一份數據是完全備份數據（數據庫B）。我們主要考慮如何優化實時數據讀取和歷史數據查詢。數據庫B中保留所有數據，數據庫A只保留最近1周的數據；業務系統實時讀取的是數據庫A中的數據，而查詢一周之前的數據就讀取數據庫B中的數據。

圖1 分中心數據庫結構與操作

2 關鍵技術

云計算（Clouding Computing）由Google、Amazon等公司于2006年首先提出，它是一種利用互聯網實現隨時隨地、按需、便捷地訪問共享資源池（如計算設施、存儲設備、應用程序等）的計算模式[3]。我國政府高度重視對云計算的發展，把其列為重點發展的戰略性新興產業[4-5]，云計算技術的應用已成為國內外的熱點研究問題[6-8]。

基于云計算的橋梁安全與健康監測數據中心的建設所需專業涉及面較廣，如橋梁專業、網絡通信專業、計算機專業等。本節著重討論其在計算機領域內實現云計算數據中心的關鍵技術。

2.1 虛擬化技術

虛擬化技術能讓所有計算元件在虛擬的基礎上運行，是實現云計算數據中心不可缺少的功能。通過把有限的固定的資源根據不同需求進行重新規劃以達到最大利用率的思路，在IT領域就叫虛擬化技術[9-10]（Virtual Technology）。這種解決方案能在很大程度上優化資源、節約成本。虛擬化技術包括計算虛擬化技術、網絡虛擬化技術、存儲虛擬化技術。系統虛擬化前后的特點如表1所述。

表1 虛擬化前后特點比較

[虛擬化前＼虛擬化后＼每臺主機一個操作系統＼每臺主機上運行多個虛擬機，每個虛擬機一個操作系統

＼每臺主機上運行多個程序，可能造成沖突

＼多個程序可分別在運行在多個虛擬機上，應用程序相對獨立的運行空間，避免沖突

＼每臺主機配一個存儲，存儲資源得不到有效利用，且一旦存儲出現單點故障，數據可能丟失

＼多個虛擬機共享存儲，當一臺主機出現故障時，會自動分配其他主機上的硬件資源給故障主機的應用程序＼硬件成本高，且配置和管理困難＼虛擬機獨立于硬件運行，可動態資源分配，新程序的部署工作只需要幾分鐘，有效節約硬件和維護成本

＼]

目前虛擬化技術的產品主要有EMC的 VMware虛擬化產品，Microsoft的Virtual Server， Sun的Virtual Box，以及Ctrix公司的Xen Server和Xen，占市場份額最大的是EMC的 VMware虛擬化產品。

2.2 數據存儲技術

基于云計算的橋梁安全與健康監測數據中心需要滿足大數據管理的需求，為大量橋梁管理者提供服務并且為橋梁研究者提供大數據分析功能。數據安全可靠存儲是實現大數據管理分析的基礎。

數據存儲系統從物理結構來看，底層主要是磁盤，通過光纖、串口線等與磁盤后的板卡和控制器相連。目前最常用的存儲方式有DAS（直接連接存儲）、SAN（存儲區域網絡）和NAS（網絡附加存儲）。直連存儲（DAS）是直接通過SCSI線纜或者光纖直接連接到服務器上。存儲區域網絡（SAN）是通過網絡方式連接存儲設備和應用服務器，目前常用的SAN結構根據連接介質不同而分為FC SAN和IP SAN。網絡附加存儲（NAS）是將網絡存儲設備直接放在網絡上提供文件共享服務。這三種技術優缺點如表2所示。

表2 DAS、SAN、NAS數據存儲系統技術優缺點

[特征＼DAS＼SAN＼NAS＼安裝難易度＼較難＼較難＼很容易＼集中管理＼難＼專用軟件＼基于網絡＼擴展性＼低＼高＼中＼數據共享＼難＼通過軟件實現＼內部實現＼處理能力＼強＼強＼視網絡情況而定＼備份＼傳統方式＼服務器不參與＼多種方案＼容災＼基于服務器＼端對端及多點容災＼端對端方案＼安全＼中＼高＼低＼]

目前主要存儲廠商的FC SAN存儲可以實現8Gbit/S的傳輸速率，但費用較高，所以中大型數據中心建設中還是處于領先地位。但是隨著IP SAN技術的發展，較高的性價比使FC SAN存儲逐漸擴大了在市場的份額。

2.3 動態資源管理

云計算的資源包括存儲資源、計算資源、網絡資源、基礎設施資源以及其他資源[2]。當應用云計算時，面對大量設備和相關技術，如何有效整合各種資源并實施動態資源管理是實現云計算的關鍵。云計算動態資源管理系統的基本功能，是接受資源請求，合理地調度相應的資源并且把特定的資源分配給資源請求者，使請求資源的業務得以運行。它能跨資源池智能動態調整計算資源，使IT與業務優先級對應，動態提高系統的管理效率。

云計算的動態資源管理必須處理好存儲架構問題，解決資源部署、監控和調度策略等問題。在VMware虛擬化產品中，DRS（vsphere Distributed Resources Scheduler）可以根據每一個虛機的實際運行情況，適時地對內存、CPU、網絡的消耗進行動態調整，將其平均分配到DRS集群的每一臺主機上面。動態分配依靠VMotion實現，所以，VMotion是DRS的先決條件。

3 云計算數據中心實現

基于云計算的橋梁安全與健康監測數據中心實現了數據中心服務器、網絡、存儲虛擬化及負載均衡，其基礎架構拓撲圖如圖2所示。

整個方案通過兩路6核服務器配合后端IP SAN存儲技術，并采用云計算虛擬化技術來實現橋梁安全與健康實時監測。在云計算操作系統軟件的支持下，將3臺兩路6核服務器組建HA集群，并配合DRS及VMotion等高級功能，實現業務的連續性，減少計劃內宕機時間，有效地提高資源利用率。

3.1 計算系統設備及軟件實現

計算系統設備主要是指服務器，服務器的選擇上主要考慮的是服務器的性能，滿足五年內橋梁安全與健康監測業務的需要，主要計算能力由3臺兩路6核服務器擔任。

而計算系統虛擬化的實現主要是利用軟件將服務器虛擬化。目前主流的、最具代表性的虛擬化軟件是VMware的Vsphere軟件。

本方案采用3臺企業級兩路服務器（HP Enterprise Server）作為核心數據庫平臺。該服務器能滿足數據庫應用的高可用性、可恢復性，并具有錯誤檢測及消除單點故障的功能。采用數據庫雙機方案也增強了應用的可擴展性，滿足業務不斷增長的需要。由于該型服務器采用全新的因特爾快速互聯通道互聯架構配合因特爾志強E5系列處理器及SAS 6Gbps高性能磁盤控制器，使系統聯機處理性能提升2.5倍以上，數據庫性能提升3倍以上，更加適用于基礎架構、數據庫核心應用。

3.2 存儲設備及數據管理軟件

在保障客戶應用的前提下，存儲將成為一個必須受到關注的核心環節，因此雙控制器、多處理器和高可靠光纖8Gb存儲成為首選，這能有效保障業務的物理穩定特性。出于數據安全備份的考慮，配置大存儲容量6TB存儲空間服務器作為虛擬機的備份服務器，可以保證在光纖存儲故障時或維護時的業務連續性，并對客戶的應用數據也做到了統一備份。為了保障業務運行的高性能、可持續性和可擴展性，我們選擇了IP-SAN的存儲模式，通過串口線連接磁盤與控制器。云計算計算節點服務器通過交換機連接存儲設備，實現數據鏈路的高品質性能保障。

在數據的統一備份處理上，基于虛擬機文件駐留在共享SAN存儲上，可以使用存儲區的映像來備份虛擬機文件，這樣做不會在運行虛擬機的云計算計算節點主機上引起任何額外的負載。統一備份功能可以滿足縮短虛擬機的備份時間，移除客戶應用服務器上的備份工作負載，以及從中央服務器中執行備份的工作。其工作流程是從運作中的主機上剝離磁盤，將磁盤鏈接到專用的統一備份服務器上，然后備份磁盤中適當的文件，此時原始主機仍能看到該磁盤并能正常工作。通過有效利用虛擬機存儲區的映象文件，高效地保障客戶數據安全。

3.3 網絡設備

云計算數據中心網絡需實現雙鏈路可靠冗余連接、負載均衡，充分考慮網絡的可管理性。本方案采用兩臺DLINK交換機實現設備冗余，同時通過實現網絡虛擬化來保證網絡策略安全，使之不受虛擬機位置遷移的影響。

3.4 云平臺管理

云管理平臺是負責整個數據中心的資源池管理、是實現IAAS的關鍵環節。本方案采用VMware公司的Vcenter軟件，與其他的管理軟件相比，該軟件的使用為IT管理者大大降低了云計算虛擬環境管理的難度。

該云平臺是目前最強大的虛擬環境管理平臺，它能提高在虛擬基礎架構每個級別上的集中控制和可見性，無論是幾十臺還是幾千臺虛擬機，都能集中、簡單地管理。它可以通過使用向導或者模板，在幾分鐘內創建新的虛擬機或主機，最大限度地減少錯誤和停機；它還可以借用DRS（vsphere Distributed Resources Scheduler） 持續監控各個資源池的使用情況。此外，借助vCenter API和.NET可實現vCenter Server和其他工具的集成，并且支持在vSphere Client中嵌入自定義插件，為管理IT環境提供選擇自由。

4 結束語

目前，基于云計算的橋梁安全與健康監測數據中心建設還處在初級階段，隨著橋梁安全監測技術和云計算技術的發展，云計算數據中心會逐漸形成系統化、網絡化的全國性的橋梁安全與健康監測平臺。該平臺能面向所有橋梁行業的客戶，提供存儲空間及橋梁安全與健康監測服務；同時還能根據存儲的大量橋梁相關數據，進行數據挖掘及數據分析，在橋梁學術研究方面具有重要意義。

基于云計算的數據中心建設是一個復雜的系統工程，本文著重從橋梁安全監測數據中心的關鍵技術方面闡述了系統基礎架構，以及關鍵設備和軟件的選型，希望能為其他行業數據中心的建設提供一些參考。

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