新一代數據中心架構及其智能監控系統的研究與探討

田綿石

（中國鐵路總公司 信息技術中心，北京 100844）

新一代數據中心架構及其智能監控系統的研究與探討

田綿石

（中國鐵路總公司 信息技術中心，北京 100844）

本文對數據中心的演變與發展歷程進行了綜述，分析了新一代數據中心的內涵和屬性，提出了符合鐵路信息系統運營服務要求的新一代數據中心架構，并對數據中心智能監控系統的作用、主要特征進行了分析與研究，提出了智能監控系統的體系框架，確定了智能監控系統建設與發展的主要技術路線。

數據中心；架構；智能監控

近年來，隨著業務大集中與數據大集中的發展推進，數據中心成了IT界的熱詞，對數據中心的研究成為時下熱點。但數據中心的特征與屬性，數據中心與傳統意義上的機房的區別，以及如何發揮數據中心的核心價值，都需要進行探討與研究。本文從數據中心的演變與發展歷程入手，理清數據中心，尤其是新一代數據中心的職能、屬性和涵義，研究并提出新一代數據中心的架構，重點對新一代數據中心的智能監控系統進行研究，以其為建設好與運營好數據中心提供一些借鑒和思考。

1 數據中心的演變與發展歷程

數據中心的演變在一定程度上代表了信息技術的發展歷程。數據中心歷經單臺主機系統、計算中心、信息中心、運營服務中心等4個階段的演變，其核心屬性也相應的經歷了由物理設備、科學計算、信息支撐到現在的運營服務4個階段的演變。

近年來，新一代數據中心的概念浮現出來，新一代數據中心的研究重點不僅是運營服務的保障技術，還重點研究數據中心的節能環保，如何降低PUE（數據中心整體用電量與計算機設備用電量的比率）是新一代數據中心研究的最熱門話題。云存儲、云計算、高性能統一網絡等新技術在新一代數據中心中也將得到普遍運用。因此新一代數據中心的屬性又增加了“綠色”、“云”等標簽。

2 新一代數據中心架構

至此，不難看出數據中心與機房的區別了。在《電子信息系統機房設計規范》（GB50174-2008）中對“電子信息系統機房”的術語解釋是：“主要為電子信息設備提供運行環境的場所，可以是一幢建筑物或建筑物的一部分”。因此，機房的核心屬性是場所。數據中心的核心屬性是運營服務，數據中心是由機房物理設施、IT基礎設施、部署的業務信息系統、運維保障體系等構成的一個有機整體。機房是骨架，IT基礎設施是血肉，運維保障體系是靈魂，最終目標是為企業的業務提供高質量的IT運營服務。因此，數據中心不僅是規模更大、檔次更高的機房，而是數據中心的內涵和外延都發生了巨大變化。要想實現數據中心的運營服務功能，高水平的運維保障體系是關鍵，只有實現了高質量、全方位的運維保障，數據中心才能提供不間斷的富有效率和效益的運營服務，這是與機房的本質區別。

鐵路新一代數據中心的運營服務屬性更為顯著。上世紀七十年代，鐵路信息系統的正規化建設發軔于全路的十八點統計系統，當時的信息系統架構屬于扁平集中式，當時的數據中心具有典型的計算中心的特質。上世紀九十年代中后期，以貨票系統三級建庫和客票系統為代表的兩大信息系統的建成，標志著鐵路信息系統架構實現了分級存儲轉發式，各級數據中心具有典型的信息中心的特征。從2010年開始，隨著互聯網售票、貨運電子商務、新一代客票系統等面向社會用戶服務的高度集中式信息系統的投入運營，鐵路信息系統步入了數據大集中式的建設模式，此時的數據中心呈現出了現代意義上的數據中心屬性，即數據中心具備了運營和服務的屬性。鐵路數據中心，尤其是總公司級的數據中心，不僅承擔著鐵路運輸組織、經營管理方面的信息化支撐，還直接承擔著為社會提供客貨運服務的任務，其運營服務的屬性更為顯著。運營服務包括數據存儲、數據傳輸、數據發布、運行維護等。今天，數據中心已經成為了保持鐵路企業核心競爭力的關鍵IT資產。這一變化，決定了鐵路數據中心要以高水平的運維保障體系為核心來構建數據中心總體架構。

穩態下的數據中心架構應由物理基礎設施、IT基礎設施、運維保障體系這3個自下而上的層次構成，最終目標是為所支撐的業務系統提供精良的集中式的IT運營服務。新一代數據中心總體架構如圖1所示。

3 數據中心智能監控系統

3.1 智能監控系統的地位和作用

圖1 新一代數據中心總體架構

運維保障體系是發揮數據中心運營服務價值的關鍵和核心。只有精良的基礎設施而運維管理不到位，數據中心難以高效運行。當前建設的數據中心由于設施復雜、龐大，信息系統之間的勾連繁多且相互作用關系難以理清，當出現問題時如果沒有運作有效、精細管理、反應快速的運維保障體系，越是高檔次的數據中心往往越是問題的多發地，故障恢復時間就越長。這也正是IT運營者和IT管理者的共同困擾的問題。但是，由于研究目標的相對確定性和相關技術標準的相對成熟性，當前數據中心的研究多聚焦于物理基礎設施和IT基礎設施這兩層。能夠幫助數據中心實現高效運營服務的運維保障體系的研究相對較少。

運維保障體系中，智能監控是基礎，流程與管理是規范，人是實施主體。由于新一代數據中心在物理規模上更為龐大，在設備設施方面更為復雜，部署在IT基礎設施上的信息系統的技術環節以及各個子系統之間的關聯關系也是越來越多，因此，數據中心為業務系統提供的整體運行環境是更為復雜，甚至是多變的方向發展。在這種情形下，靠人的經驗與知識，靠傳統的分散化的監控系統是無法勝任日益復雜的運行維護與技術保障任務的。因此，更為自動化、智能化的數據中心監控系統就顯得格外重要，其在運維保障工作中將發揮關鍵作用，在運維保障體系中處于核心地位，其作用是不可替代的。

3.2 智能監控系統的特征

監控系統的發展經歷了相當長的過程，甚至早于機房的產生。隨著TCP/IP技術的發展和網絡系統在信息化領域的運用，基于信息技術的網絡監控在IT領域最先成熟起來。網絡監控是網元級的，后來出現的網絡流量監控也是對網元參數進行提取而實現的。由于網絡監控維度的限制，后來出現了面向業務的監控，監控結果的展示也更加形象化、直觀化。當前，面向業務全流程的監控應該是今后的研究重點。另外，對監控結果進行智能化的關聯以實現異常現象的快速定位，以及對監控數據的趨勢化分析與預測則是體現智能化的重要方面。

通過分析監控系統的發展變化，結合業務系統對數據中心所提供的運營服務的質量要求，智能監控系統應具備以下特征：

（1）監控范圍全面化：要涵蓋數據中心物理基礎設施、IT基礎設施、部署的信息系統等方面的監控。

（2）監控粒度精準化：要細分到板卡、模塊、接口、進程等最小監控對象。

（3）監控維度多樣化：要從設備、資源、業務全流程甚者用戶體驗等多角度進行綜合監控。

（4）監控展示直觀化：監控結果要以圖像化的、直觀的方式進行展示，要組合運用聲光電、三維立體技術進行展示。

（5）監控結果關聯化：對數據中心設備設施類的靜態數據和系統配置類的動態數據進行全生命周期管理，將監控結果自動與靜態數據、動態數據、知識庫進行關聯，以實現快速定位和排障。

（6）監控趨勢分析與預測：對監控數據進行分析，提出趨勢性預測，并根據預測進行提前防范。

智能監控系統的最終目標是要實現主動預防、準確定位、快速處置，達到自動化、智能化運維水準，為數據中心提供精良的IT運營服務。

3.3 智能監控系統的體系框架

如上節所述，智能監控系統具備6大特征：其中，前4個特征代表了監控自動化水平，后2個則是監控智能化的典型特征，是對前4個特征的提高和升華。

圍繞這6大特征，來構建智能監控系統的體系框架，確定智能監控系統的組成部分以及各個組成部分之間的相互關系。

3.3.1 監控范圍

監控范圍全面化、監控粒度精準化、監控維度多樣化從監控的廣度、深度、維度3方面對智能監控系統進行了表述。在監控廣度方面，應涵蓋物理基礎設施、IT基礎設施、各個信息系統的監控；在監控深度方面，應深入到模塊級、接口級、進程級，數據采集粒度要精準；在監控維度方面，應從設備角度、資源角度、業務流程角度、用戶體驗角度多維度監控。近年來，直接面向社會用戶的互聯網售票相關信息系統投入運營，網上售票業務涉及網站登錄、余票查詢、選票、下單、支付、出票、結果通知等多個相互關聯的步驟，每個步驟又涉及多個子步驟，任何一個環節出現問題都會直接影響售票業務，因此，對于鐵路信息系統的監控來說，面向業務全流程的監控以及面向用戶體驗的監控顯得尤為重要。

3.3.2 監控展示

監控展示直觀化從外在表現方面對智能監控系統進行了描述。由于監控系統的最終使用者是人，因此一套有效的監控系統其外在展示一定是簡單直觀的、形象的、便于觀察和易于判斷的。而簡單直觀的、圖形化的，甚至是三維立體的小、精、專的監控系統得到了業界的普遍認可。由于監控數據的類別、數量都異常龐雜，監控展示直觀化的實現難度是非常大的，要求對監控結果要有精準的提煉和展現，展示結果既不能丟失重要的監控數據，又要突出重點，運用圖形、聲光電等技術全方位形象化的展現重點監控數據。

3.3.3 監控結果

監控結果關聯化是整個監控系統的提高和升華，是最終體現智能化水平的關鍵，也是技術實現難度最大的一個環節。所謂監控結果關聯化，就是要求監控系統能將監控到的非正常數據與監控對象進行正確關聯，自動定位出異常情況在系統中的物理位置、邏輯位置、可能影響的業務系統及哪個業務流程，影響的程度，以及應該采取的處置措施。實現了這一點，才能說監控達到了智能化水準。當前的很多監控系統為運維人員提供了海量的監控結果數據以及對應的報警信息，在監控系統的協助下，運行維護工作實現了由被動補救到主動出擊的轉變。但由于沒有實現監控結果的智能關聯，運維人員面對這些海量的監控數據仍無法快速定位問題，而且隨著監控對象的增多，系統之間的勾連復雜度越來越高，定位問題的難度反倒越來越大，導致故障恢復時間過長，故障影響仍然較大。要實現監控結果的智能關聯，就要求我們要事先建立并動態維護資產類的靜態數據、配置類的動態數據、問題分類的知識庫，這樣當監控到非正常數據后才能定位出物理位置和邏輯位置。同時還要先實現全面化、精準化、多樣化的監控，如業務全流程的監控，當監控到非正常數據后才能定位出是哪個業務系統、甚至是具體哪個業務流程受到了什么程度的影響。由此可見，監控結果關聯化是實現智能監控的標志性特征。

3.3.4 監控趨勢分析與預測

關于監控趨勢分析與預測，類似于專家系統，就是監控系統能對同類的監控數據進行自動統計與分析比較，給出預警類趨勢預測，幫助數據中心運營者提早防范。

綜上所述，智能監控系統的體系框架如圖2所示。

圖2 新一代數據中心智能監控系統體系框架

3.4 智能監控系統的關鍵技術

智能監控系統的體系框架是一個整體，是由多個耦合程度不一的功能模塊（子系統）所組成。

物理基礎設施方面的監控主要采用數模轉換技術采集現場的溫濕度、電量、影像等模擬量，并進行圖形化展示。物理基礎設施監控應包括場地環境、供配電、門禁等方面的監控，并應將代表數據中心物理能力的空間、電力、冷量這3要素納入資源監控范疇，即不僅監控狀態是否正常，還要監控這些資源的占用情況，以便數據中心管理者能夠對這些資源進行管控和調配。在直觀化展示方面，應增加數據中心機房空間的三維立體展現功能，能按實際比例和實際場景進行縮放。此外，應運用熱學原理和紅外技術直觀化的展示數據中心機房空間的熱量分布。

IT基礎設施方面的監控主要采用TCP/IP技術、代理機制、輪詢機制采集被管對象的監控數據。目前，IT基礎設施監控在業界基本成型，主要包括網絡與安全、存儲與服務器、系統軟件、數據庫與中間件等方面的監控，已精細到了線路、模塊、接口、進程等顆粒度，并將帶寬、CPU、內存、連接數等納入資源管控范疇。需要注意的是，應增加用戶體驗方面的監控，尤其是面向社會服務的網站的訪問速度、響應時長等的監控。

業務信息系統方面的監控主要采用代理機制對重要進程的狀態進行監控，需進行客戶化定制。業務信息系統的監控需向業務全流程監控的方向發展，尤其是互聯網售票類的面向社會服務的業務，其全流程監控的意義更為重大。全流程監控不僅能讓運維技術人員，也能讓業務管理者全面掌握業務信息系統的運營情況，如果全流程監控做得直觀化、形象化，還能促進業務部門更為深入的使用信息技術。

要實現監控結果的自動化關聯，必須要建立并動態維護3個數據庫：資產類的靜態數據庫、配置類的動態數據庫、知識庫。其中，靜態數據庫和動態數據庫構成配置管理數據庫，這是智能監控系統對異常情況進行問題自動定位的依據和基礎。知識庫是智能監控系統對定位后的問題自動給出解決建議的依據和基礎。當然，配置管理數據庫和知識庫需要持續不斷的進行更新和完善，且這兩類數據庫要根據權限建立嚴格的訪問控制機制。

監控趨勢分析和預測主要是對海量的監控數據（包括正常數據和異常數據）進行統計分析，產生預測報告，為數據中心運維者和數據中心管理者提供預防性的建議。

智能監控系統本身其實就是一個相當龐大復雜的信息系統，且其重要性應不低于重要業務系統。因此為保證智能監控系統的可靠性和獨立性，智能監控系統在條件允許的情況下應獨立組網，帶外監控，并應按重要信息系統的等級進行容災，包括設備冗余、數據備份、應用級本地災難恢復、訪問控制安全防護。

4 結束語

數據中心的智能監控是提高數據中心運維水平的核心要素，是發揮數據中心運營服務價值的關鍵。當前，云計算、虛擬化甚至虛擬數據中心在新一代數據中心中將逐步得到運用，業務系統也要求數據中心應更加敏捷，業務部署應更加靈活，這些新的特點都會給智能監控系統帶來一定程度的挑戰，加大了技術實現難度，這都需要我們今后逐步探討。

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責任編輯 徐侃春

Architecture for new-generation data centers and its Intelligent Monitoring System

TIAN Mianshi
( Information Technology Center, China Railway, Beijing 100844, China )

This paper fi rstly addressed the evolvement and development of data centers, analyzed the attributes of new-generation data centers, raised the architecture of new-generation data centers which was suitable for railways Information Systems’ requirements, analyzed the importance and main characters of intelligent monitoring system, proposed the architecture and typical technical route of Intelligent Monitoring System.

data center; architecture; Intelligent Monitoring System

U285.4∶TP39

A

1005-8451（2014）07-0034-05

2014-01-25

田綿石，高級工程師。