區域圖書館數據中心IaaS建設研究

（深圳圖書館 廣東深圳 518036）

1 引言

2006年，我國頒布了《中華人民共和國國民經濟和社會發展十一個五年規劃綱要》與《國家“十一五”時期文化發展規劃綱要》，綱要明確提出將“覆蓋全社會的公共文化服務體系”，“基本公共文化服務普遍均等”納入本時期重要的社會發展目標。〔1〕在政府的強力引導與行業文化自覺的推動下，全國各地開始了以圖書館總分館制、圖書館聯盟、圖書館服務網絡等為代表的公共圖書館一體化服務體系建設。

在公共圖書館服務一體化建設過程中，需要有遍布本區域的基層圖書館和技術力量比較強大的中心圖書館。基層圖書館在中心圖書館搭建的統一服務技術平臺上聚焦于專業的圖書館服務；中心圖書館則通過集成本區域內各基層圖書館的計算資源、網絡資源、存儲資源、人力資源以及應用系統等，形成區域圖書館的數據中心，為各基層圖書館提供強有力的技術支撐，二者分工明確，相得益彰。

現代科技特別是云計算技術的發展，為中心圖書館數據中心建設提供了良好的技術基礎。在經歷前期的喧囂與沉淀，云計算在IT界得到了廣泛的認可，在圖書館界也得到了實際應用，它正好契合圖書館服務一體化的發展理念，也正好契合圖書館數據中心建設，并在圖書館數據中心的升級、改造和更新中得到吸收和采用。〔2〕從表現形態來看，云計算可以分為IaaS、SaaS和PaaS三種服務模式，本文主要探討IT基礎設施云IaaS的建設。

2 圖書館傳統IT系統應用現狀與對策

2.1 應用現狀

在非云架構的圖書館數據中心，一個圖書館業務應用投入運行前，IT系統管理員要根據應用系統的需求和目的準備一個固定的IT資源，過程復雜，周期較長，往往一個IT應用系統所占有的計算資源、存儲資源和網絡資源是獨立的。在這種傳統的計算機網絡應用架構和模式下，由于不可能對業務應用獨占的IT資源進行動態分配，必然造成了數據中心業務應用密度低、硬件資源利用率低，在有限的物理空間內IT系統難以滿足應用的發展變化、靈活部署和快速維護。〔3〕另外，一個區域中的所有圖書館，無論大小，為了應對服務的需求，跟上業務處理自動化、網絡化的步伐，投入不少的精力去建立自己的數據中心，部署五臟俱全的硬件基礎設備和各種應用系統，從專業技術人才力量、建設資金投入、基礎資源利用、管理維護成本等方面考慮都是值得圖書館界深思的。因此，區域中心圖書館有必要建立具有新一代智能彈性架構的數據中心，減少不必要的重復投入，降低區域圖書館IT建設、管理和維護的總成本。

2.2 對策

在區域內由中心圖書館建設云架構數據中心，并聚集相應的技術支撐力量進行IT系統的運維，而此區域的基層圖書館可以通過互聯網或其他特定的廣域網從中心圖書館數據中心按需獲取IT基礎資源，在完善的、規模化的云計算架構計算機網絡環境中，逐步得到計算服務、存儲服務和網絡服務，這種圖書館IaaS云服務模式更加注重具有較多IT資源的大中型圖書館合作，形成分布式的云計算資源。

由于圖書館重點工作在于業務應用和讀者服務，基層圖書館現有的極少數IT技術人員、較少的資金規模均無法支持IT系統的建設和維護，也談不上應用系統開發、數據庫系統的維護等高技術層面的支撐，因此建設區域性的IaaS數據中心尤為必要。雖然目前IaaS云服務在圖書館界極為少見，但是政府和圖書館的IT管理者開始認識到融合和整合本區域圖書館界的硬件資源、軟件資源和數據資源所具有的極大優點。隨著云計算的技術條件步入成熟，以及圖書館對區域性的IaaS數據中心需求開始增多，政府所提供的經濟條件開始具備，圖書館IaaS數據中心將逐漸進入規模化建設和應用階段。

3 區域圖書館數據中心IaaS構建

IaaS數據中心正經歷從整合、虛擬化到業務變化編排自動化的發展進程。

虛擬化是IaaS數據中心構建最重要的技術之一，涵蓋服務器虛擬化、存儲虛擬化和網絡虛擬化。調查顯示，全球多數的數據中心的資源利用率在15%～20%之間，通過整合、虛擬化技術可以實現50%～60%的利用率。〔4〕如圖1所示，IaaS數據中心需在邏輯上和物理上將特定區域的圖書館服務器、存儲和網絡等資源進行大規模的集中和融合，通過整合或共享物理資產來提高資源利用率，形成規模化的計算資源池、存儲資源池和網絡資源池，在統一管理平臺中實現對資源的快速部署、重組部署和業務編排自動化，以滿足圖書館IT業務變化和發展的需要，建設節能高效的圖書館和綠色數據中心，為區域基層圖書館提供高效的IaaS服務。

圖1 圖書館云計算數據中心架構圖

在圖書館IaaS數據中心建設中，基礎資源虛擬化和業務管理自動化是不可或缺的重要技術應用。

3.1 基礎資源虛擬化

區域中心圖書館要建設IaaS 數據中心，首先要分析提供圖書館IaaS云服務范圍內圖書館業務應用需要的服務器、存儲和網絡的物理IT資源需求，并將服務器、存儲和網絡等資源進行整合和重新規劃，采用虛擬化技術，形成虛擬IT資源池，簡化IT系統管理、優化IT基礎資源，再通過智能的管理和調度系統，將資源池中的資源根據不同圖書館的應用需求分配到不同的應用處理系統，靈活地為應用提供資源調配與部署，按需向區域基層圖書館提供IT資源服務，發揮IT資源的全部潛力。〔5〕

3.1.1 服務器虛擬化

服務器虛擬化也稱為計算虛擬化，就是采用虛擬化技術將服務器物理資源抽象成邏輯資源。簡單地說，就是讓一臺物理服務器變成幾臺、幾十臺乃至上百臺相互隔離的虛擬服務器。虛擬化技術使得服務器中的CPU、內存、磁盤、I/O等硬件變成可以動態管理的邏輯“計算資源池”， 通過區分資源的優先次序，隨時根據動態的變化將服務器資源分配給最需要的業務，提升單個業務承擔應用負載峰值的能力。虛擬化技術實現了區域中心圖書館服務器資源的整合，提高了資源利用率，簡化了系統管理，讓IT系統對圖書館業務云服務的變化更具適應力。

3.1.2 存儲虛擬化

存儲虛擬化的方式是將資源的邏輯映像與物理存儲分開，展現給圖書館系統管理員的是一套簡化的、虛擬的資源邏輯視圖。對圖書館IaaS數據中心來說，虛擬化的存儲資源就像是一個巨大的“存儲池”，讀者和工作人員完全看不到具體的磁盤、磁帶位置和狀況，也無需了解數據經過的路徑和保存的具體存儲設備。從存儲資源的管理方面來看，采取集中化統一管理平臺對虛擬存儲資源池進行智能調度，通過統一管理平臺進行資源分配、資源回收以及資源利用情況的監控，并根據具體的需求把存儲資源動態地分配給圖書館任何一個必要的業務應用，將使存儲空間得到更加合理的利用。

3.1.3 網絡虛擬化

網絡虛擬化是中心圖書館整合本館的網絡資源，通過多虛一模式、一虛多模式或混合模式虛擬化形成“網絡資源池”，然后重新規劃核心層和接入層，形成具有彈性架構的新一代智能網絡交換系統，并通過網絡的信息感知，聯動計算資源和存儲資源動態遷移和調整，使得中心圖書館在網絡資源的管理和利用上更加靈活地支持區域圖書館的云服務。

3.2 業務管理自動化

隨著IT 系統在圖書館應用越來越深入，其承載的圖書館業務系統將越來越復雜，面向功能的獨立管理系統由于標準不統一，很難適應圖書館IT 設施的變化或核心應用的調整。圖書館IT基礎設施虛擬化后，一個融合的IT 基礎架構管理平臺屏蔽了不同廠商、不同型號IT設備的差異和內部細節，管理對象變成了虛擬的、可靈活遷移的資源。通過面向圖書館業務的編排和調度，實現業務應用與基礎資源的合理分配，解決不同的圖書館業務應用在不同時間中對基礎資源的使用所存在的忙閑不均的問題。

圖書館IT系統管理員要完成業務應用編排自動化，首先要收集整理網絡功能、服務器能力和存儲容量等基礎資源，建立抽象的資源和功能模型，然后對它們進行參數賦值，形成可分發的服務模型。接著我們對每個具體的業務應用進行需求分析和等級定位，組合編排服務模型形成可用的圖書館業務實例，之后應用系統的建立、復制、調整、優化、部署和維護等都將由系統自動快速地完成。〔6〕圖書館IT系統管理員將因管理自動化而大大受益，他們從云計算的建立、調整、擴容、維護等繁雜的工作任務中解脫出來，將更多的精力投入到為基層圖書館提供高質量的圖書館IaaS服務中去。

3.3 圖書館數據中心IaaS構建實例

深圳圖書館作為深圳市“圖書館之城”的中心圖書館，于2013年開始整合服務器資源、網絡資源和存儲資源，至今計算虛擬化和網絡虛擬化已基本完成，緊接著計劃著手存儲資源虛擬化。

按照云計算架構重組數據中心的基礎資源，逐步淘汰獨立服務器運行單個應用的模式，深圳圖書館將在近五十臺虛擬服務器中安裝運行實時參考系統、SOLARWINDS網絡管理系統、圖書館之城中心管理系統等十多個應用系統。為了方便虛擬服務器的快速部署和維護，IT系統管理員建立了不同的應用模型實例，應用系統可以按需在不同的虛擬服務器間遷移，也可以根據應用的變化隨時調整虛擬服務器掛接的存儲空間。在網絡資源融合方面，核心網絡交換機、核心防火墻均進行多虛一的整合，網絡交換性能得到疊加，廣域網信息處理能力大大提高，網絡層次更加簡化，管理維護更加智能。

深圳圖書館數據中心已逐步向云計算架構轉型，并已向各區圖書館和分館免費提供圖書館之城中心管理系統及其BS/CS虛擬應用服務器，在統一應用和管理平臺上運行的業務系統包括采編、流通、典藏、統計、OPAC、自助服務、專題資源加工、電子閱覽室管理等。由于深圳圖書館提供的應用軟件平臺、配套的服務器資源和存儲資源涵蓋了圖書館的主要業務，因此各區圖書館逐步減少了IT系統的建設與維護投入，社區圖書館基本不需要服務器和存儲系統，具備聯網條件后就可利用深圳圖書館的計算資源和存儲資源進行全面的讀者服務。目前，深圳圖書館正在升級數據中心向云計算架構深化，IT系統具備了彈性智能的架構，形成了區域性圖書館私有云的雛形，逐步向深圳地區的基層圖書館開放IT資源，提供IaaS云服務，大大地降低了深圳市圖書館IT系統建設、管理和維護的總成本。

3.4 區域圖書館IaaS必須面對和解決的問題

3.4.1 建立一個各館聯盟的技術組織

為了使區域中心圖書館云架構數據中心更好地向中小型圖書館提供IaaS云服務，需要建立一個以中心圖書館IT技術力量為主的，聯合各中小型圖書館為輔的聯盟技術組織，共同制定和遵守IaaS日常運行維護規范。區域中小型圖書館需要有少量技術人員與中心圖書館進行技術對接與溝通，及時處理本館客戶端的應用問題，向中心圖書館數據中心反映相關應用故障現象，這是IaaS云服務質量保證的重要環節之一。

3.4.2 區域圖書館IT資源互補整合

區域中心圖書館在IaaS建設起步時，往往會遇到計算資源和存儲資源的不足問題。眾所周知，基礎資源的建設常常是需要一兩年甚至更長的時間才能得以解決。因此，不能僅看到一個圖書館的資源，而是要在區域各圖書館中去尋求整合，如有的圖書館存儲資源豐富，有的圖書館高端服務器較多，那么區域中心圖書館就可通過高帶寬廣域網，將資源納入虛擬化資源池進行統一調配和管理，形成區域分布式的資源架構。值得一提的是，整合區域圖書館基礎資源，需要兩館之間具備高Qos帶寬的廣域網連接，如MPLS VPN、光纖專線等接入。

3.4.3 應用與數據的安全保障

區域基層圖書館希望得到IaaS云服務，但往往對服務質量和數據安全心存顧慮。為了讓中小型圖書館放心地享受區域IaaS云服務，區域中心圖書館從自身職能定位出發,一方面可與基層圖書館簽訂責任協議，主動承擔IaaS服務質量責任和數據安全保障責任,并對響應與恢復時間提出明確的要求；另一方面區域中心圖書館要采取一切必要的技術措施，確保云平臺的高可用,如部署網絡入侵檢測設備應對網絡攻擊,服務器高可用性集群避免硬件單點故障,完善用戶認證機制并強化應用層安全漏洞掃描從而提升應用系統安全性，本地和遠程容災系統確保數據安全,以及嚴格執行相應的網絡管理制度等等。

4 IaaS云架構數據中心是未來圖書館發展的趨勢

從以下三個方面分析，建設和發展區域性圖書館IaaS數據中心，形成區域性圖書館IaaS云服務，將是今后圖書館IT應用的主要模式。

4.1 技術力量和基礎資源條件

基層圖書館由于人員編制少，IT系統規模較小，不具備招募和儲備高端計算機網絡人才以及缺乏建設云計算數據中心的IT技術人才。而區域中心圖書館的IT應用數量大且集中，大量的IT基礎資源和大規模的IT系統運行方式具備了云計算和云服務的基礎，這種需求和條件吸引了眾多高端計算機網絡專業人才聚集，因而在技術力量方面具備了建立IaaS數據中心的能力，在設備資源與廣域網資源方面具備了提供云服務的基礎。

4.2 建設資金保障

基層圖書館由于規模小，服務覆蓋的范圍有限，難以依靠區、縣、鎮等政府的有限撥款來建設較大規模資金投入的IaaS數據中心。區域中心圖書館一般為市、省級公共圖書館，其資金來源于市、省級財政，從減少重復投資，圖書館業務指導關聯性，以及服務覆蓋范圍等方面因素考慮，容易取得政府的支持，得到相應的建設資金以支持云計算建設和云服務的開展。

4.3 管理和維護成本

區域中心圖書館的項目經費和年度經費預算相對比較充足，后期維護的經費來源有保障，從保護現有投資角度，大幅降低區域圖書館IT系統維護投入總成本（TCO），以及擁有的系統維護能力和承擔區域中心圖書館職責等方面來看，必須要安全地、高效地維持云計算數據中心的運轉。而基層圖書館應該把有限的經費和力量投入到日常的業務應用與讀者服務中去，從IT技術管理和維護中解脫出來，將主要精力關注于圖書館軟性實力的提升和服務的增值。

1. 公共圖書館研究院. 中國公共圖書館發展藍皮書(2010). 深圳：海天出版社,2010

2. Michael Miller. 史美林 等譯. 云計算. 北京：機械工業出版社，2009

3. IBM中國研究院虛擬化與云計算小組. 虛擬化與云計算. 北京：電子工業出版社，2009

4. IBM云計算中心. 智慧的云計算：物聯網發展的基石. 北京：電子工業出版社，2010

5. IBM中國研究院虛擬化與云計算小組. 云計算實踐之道：戰略藍圖與技術架構. 北京：電子工業出版社，2011

6. 杭州華三通信技術有限公司. 新一代網絡建設理論與實踐.北京：電子工業出版社，2011