基于云計算的行業化數據中心架構分析

李晶晶，徐 丹，張永超

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

基于云計算的行業化數據中心架構分析

李晶晶，徐 丹，張永超

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

隨著云計算的發展，私有云和公有云相結合的技術對支撐和推動行業信息化的發展具有重要作用。本文通過分析行業化數據中心的必要性和需求，總結出建設行業化數據中心的意義和架構設計，提出了一個介于企業級和互聯網之間的行業化數據中心的模式，既滿足不同地域的信息資源集約化需求，又滿足行業特點的專業化業務需求。通過對基于云計算的行業數據中心發展進行分析，總結出其建設的意義和初步架構，旨在為行業信息化發展邁向新臺階，提供一個可供參考的建設方案。

云計算；數據中心；行業化；架構

1 行業化數據中心建設的必要性

1.1 數據中心現狀分析

早期的數據中心主要作為大型計算的計算機房，結構復雜、電力要求高、運行環境苛刻，需要專業的運維人員進行維護。隨著微型計算機的普及和網絡技術的發展，C/S（Client/Server）計算架構的出現，數據中心則主要承載服務器運行和計算的職責，運維人員可以通過客戶端的微型計算機進行運維工作。

互聯網時代，基于互聯網為企業提供服務器等計算機設備的托放服務，為用戶提供場地、電源、通信帶寬，系統硬件的購置、系統軟件的安裝、系統的運行維護。隨著客戶需求的不斷提高，虛擬化技術的發展和網絡帶寬的加大，IDC則又提供了計算和存儲資源的出租、網絡管理、安全管理、系統運維和數據備份等相應的服務，在提升企業IT運維的專業化的同時，又大大減少了IT運維的成本。

未來新一代數據中心則較傳統數據中心具備如下特征：虛擬化、整合、綠色節能、安全、自動化、性能優化。其中，虛擬化是新一代數據中心最重要的特征，它將打破IT用戶和IT資源之間的束縛，讓復雜的系統簡化。虛擬化是影響新一代數據中心發展的重要技術之一，其優勢在于有效地提高了數據中心的利用效率，降低了投資成本，整合、優化了現有服務器的資源和性能，可以靈活、動態地滿足業務發展的需要。虛擬化讓數據中心所承載的基礎設施資源可以像水、電一樣隨意取用。與虛擬化緊密相連的商業模式是云計算，云計算的核心就是虛擬化資源共享。

但是不難看出，數據中心的概念仍然被人們限定在支撐IT的運行環境和基礎設施的層面上，很難向上提升到信息服務和業務應用層面。即便新一代數據中心，也難滿足客戶對自身行業特性的數據中心需求。當然，廣義上的數據中心的概念不可能解決所有各行各業的實際需求，也不具備解決實際需求的專業性，因此，在廣義上的數據中心概念上，結合具體行業需求抽象出一種細分行業的“行業化數據中心”概念，從而論證其解決行業信息化方面的可行性。

1.2 行業化數據中心建設的必要性

（1）支撐和促進“智慧行業”建設的迫切要求。目前，在橫向各區域或大型企業內部，實現了許多諸如“智慧城市（企業）”的信息化系統，能夠將共享數據的集中管理與共享交換，有效支撐了區域性的智慧化建設。但在縱向各行業體系中，數據中心體系建立的少之又少，差距非常明顯。為此，亟需建立以行業數據中心為引領、國家屬地兩級數據中心聯動的行業數據中心體系，全面提升行業信息資源交換共享水平，為“智慧行業”建設提供必要的信息資源保障。

（2）推動行業數據資源高效集約交換共享的迫切需要。從業單位和企業投入大量的IT成本已建成的信息系統和數據中心，需要在行業內進行共享交換才能盤活數據資源。建立行業數據中心將提供集約、高效、安全的技術支撐和機制保障，避免基礎共享數據的重復采集，大幅減少對數據交換軟件的重復購置，提升行業信息化建設實施的整體能力和水平。

（3）支撐行業管理、宏觀決策和公共信息服務的迫切需要。從行業政府主管部門來說，為履行好行政審批、現場執法、誠信評價等涉及對跨區域流動對象的管理職能，各級主管部門普遍需要便捷、準確地獲取管理對象的基礎信息。行業宏觀決策也迫切需要有涵蓋全行業、綜合各領域的權威數據作為支撐。為此，啟動部級行業數據中心建設，建立形成“全面、及時、準確”的基礎數據庫和主題數據庫，實現一數一源、一數多用，滿足管理部門和社會公眾綜合查詢需求，并為行業宏觀決策分析應用提供數據支撐。

（4）提高基礎支撐環境利用效能的迫切需要。云計算成為信息技術發展趨勢，迫切需要結合現有行業信息化系統，采用虛擬化、硬件模塊化等新技術，實現網絡、存儲和計算資源的統一分配和調度管理，提升系統建設開發效率，降低整體能耗水平，提高基礎支撐環境利用效能。

綜上所述，在各行業內推廣行業化數據中心的建設，符合政府、從業單位在產業化發展的要求，因此，有必要進一步探索行業化數據中心的建設。

2 基于云計算技術的行業化數據中心總體框架

在我們明確了行業化數據中心的建設意義后，下面探討下行業化數據中心建設的路徑和總體框架。

2.1 行業化數據中心運營機構的選擇

既然是行業化數據中心就應該在行業內選擇數據中心承建機構。選擇的機構建議具備如下特點：

（1）行業內具有全局代表性的從業機構。所謂行業數據中心，應站在全行業的高度，能與行業各產業角色有接觸切面，運營機構應該在行業內具有代表性。如國家行業主管部門直屬的機構或行業相關協會為最宜。在交通運輸行業，我們選擇的是“國際移動衛星地面站”作為行業數據中心的運營機構，其作為交通運輸部的直屬事業單位，同時肩負著全行業的衛星通信業務，以及地面網絡的接續業務，所以具有行業全局代表性。

（2）行業內具有資質的運營機構。擁有全網互聯網數據中心（IDC）運營牌照，擁有優越的地理位置、電信級的機房環境、完備的安全防護系統、豐富的網絡資源、專業的工程師隊伍、完善的管理制度、豐富的信息通信系統運營經驗，面向全國行業內提供機房租賃、機架出租、系統租用、系統代維等信息通信系統托管代維服務。

（3）物理與數字化資源相對豐富。針對全國性行業內數據中心在未來發展過程中，未來滿足新的機構介入，節點不斷增加，擴大容量，建立災備中心等擴展需求。需要運營機構具備豐富的物理空間、電力保障和網絡及應用資源。

圖1 基于云計算的數據中心總體框架

2.2 基于“行業云”的數據中心總體框架

作者認為基于云計算的行業數據中心總體框架大致劃分為三層，第一層也是最底層是基礎設施即服務層（IaaS）層，主要解決服務器等計算資源、網絡資源、存儲資源的虛擬化。第二層是平臺即服務PaaS層，主要是構建操作系統之上的各類應用系統的平臺或中間件運行環境，方便各類應用可以快速開發和部署。第三層是最頂層的應用即服務SaaS層，它主要解決各類應用系統以SaaS模式進行軟件共享租用服務需求。整體框架如圖1所示。

2.2.1 云計算的基本特點

云計算是一種商業計算模型。它將計算任務分布在大量計算機構成的資源池上，使各種應用系統能夠根據需要獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務。

云計算是并行計算（Parallel Computing）、分布式計算（Distributed Computing）和網格計算（Grid Computing）的發展，或者說是這些計算機科學概念的商業實現。云計算是虛擬化（Virtualization）、效用計算（Utility Computing）、IaaS（基礎設施即服務）、PaaS（平臺即服務）、SaaS（軟件即服務）等概念混合演進并躍升的結果。

云計算擁有明顯的特點：一是低成本；二是虛擬機的支持，使得在網絡環境下的一些原來比較難做的事情現在比較容易處理；三是鏡象部署的執行，這樣就能夠使得過去很難處理的異構程序執行互操作變得比較容易處理；四是強調服務化，服務化有一些新的機制，特別是更適合商業運行的機制。

云計算的體系結構由5部分組成，分別為應用層、平臺層、資源層、用戶訪問層和管理層，云計算的本質是通過網絡提供服務，所以其體系結構以服務為核心。

圖2 云計算體系結構

2.2.2 構建數據中心的基礎設施即服務（IaaS）環境

如今，有許多企業級數據中心都在采用服務器虛擬化技術。這對企業有很大影響，特別是在如今困難的經濟狀況下，服務器虛擬化可以給企業在服務器硬件、機架空間、能源消耗以及冷卻等方面節省很大的開支。如果他們再進行虛擬機的部署，那就要比物理服務器整合帶來更大的效果。

服務器的虛擬化一般分為“一虛多”和“多虛一”兩種模式，適應不同的應用場景。其中，國內服務器虛擬化目前多以“一虛多”模式為主，是將一臺物理服務器虛擬成多個邏輯主機擁有獨立的操作系統，提供多主機的服務。最主要目的是為了提高效率，力爭讓所有的CPU都跑到100%，力爭讓所有的內存和帶寬都占滿。那么“多虛一”的模式則恰恰相反，是因為鮮有能夠滿足一項大型高性能計算任務的主機，而將多臺低性能的主機虛擬成一個Super Computer，完成高性能計算，此場景多以Google等互聯網應用在分布式計算方面應用居多。

那么針對常見的“一虛多”的服務器虛擬化模式來說，業界有多種成熟的虛擬化軟件可選，包括VMware和Hyper-V，以及國產的浪潮等基于開源虛擬化軟件重構的平臺等。如何使用虛擬化軟件在此文中不做詳細闡述，但無論使用什么虛擬化架構，都有以下原則需要引起注意。

⊙ 使盡可能多的主機服務器符合標準。選擇那些可以滿足虛擬機資源需求的服務器，隨著虛擬機需求的增長，這些服務器的性能也要提高。

⊙ 對虛擬工作負載進行辨別和分類，明確每一種工作負載需要哪些資源。

⊙ 在主機服務器上創建多個虛擬網絡適配器，既可以滿足性能冗余，又能將虛擬機隔離開來。

⊙ 制定相應的原則來對虛擬機進行管理，為產品虛擬機提供任何其需要的資源，如有必要，從非產品環境中調用相應的資源。

⊙ 基于各種原則來分配虛擬機的部署任務。

⊙ 針對具有大量I/O讀寫需求，以及特殊板卡需求的服務器，需要慎重選擇虛擬化，建議采用物理機以服務的而形式發布到網絡里，提供給調用的主機使用，避免特殊硬件和板卡的部署限制。

⊙ 留有空閑服務器來支持業務高峰時的總做負載，制定相應的虛擬機遷移規則，使其只支持產品虛擬機的運行。

以上會使數據中心主機服務器上的虛擬機密度實現最大化，同時也可以提高物理服務器整合比率。

2.2.3 構建數據中心平臺即服務（PaaS）環境

PaaS層實現對系統軟硬件資源的快速虛擬化封裝并按照用戶的需求在不同的層次上進行動態提供，在多用戶、多應用和多資源混合的云計算平臺中，實現動態、自適應和高效的資源與應用管理、調度和優化。

PaaS層將現有各種業務能力進行整合，可以歸類為應用服務器、業務能力接入、業務引擎、業務開放平臺，向下根據業務能力需要，測算基礎服務能力，通過IaaS提供的API，調用硬件資源，向上提供業務調度中心服務，實時監控平臺的各種資源，并將這些資源通過API開放給SaaS用戶。三層架構中，PaaS是業務核心能力的直接體現。

我們可以為數據中心PaaS層選擇一些常用的軟件平臺和常用的中間件系統作為基礎運行環境，包括J2EE和.Net運行環境、數據庫運行環境，以及一些數據交換中間件等環境。

2.2.4 構建數據中心的軟件即服務（SaaS）模式和環境

SaaS（軟件即服務）也稱為軟件運營服務，是用戶獲取軟件服務的一種新形式。它不需要用戶將軟件產品部署在用戶本地服務器上或網絡內，而是按某種服務水平協議（Service Level Agreement），直接通過網絡向專門的提供商獲取自己所需要的、帶有相應軟件功能的服務。軟件運營服務通常可以分為兩大類，即工具型軟件運營服務與管理型軟件運營服務。SaaS模式采用了按需租用的模式，通過應用網絡托管的方式，有效地降低了用戶的建設、維護成本，提供了更低的應用門檻。SaaS模式完全顛覆了傳統的軟件許可證購買的方式，以全新的按需付費的方式為SaaS用戶帶來了更有競爭力的消費模式。

那么對于行業數據中心來說，主要聚焦行業內信息化托管，因此可以抽象出一些具有共性、通用的應用系統以SaaS模式提供服務構件行業內的SaaS平臺要實施以下步驟。

（1）分析提煉共性應用系統的需求。由于SaaS模式為不同用戶提供的是一個統一的平臺，像一個大容器一樣，所以用戶租用平臺的私有軟件功能。因此，這個平臺需要業務邏輯、技術架構具有一定的共性。對于行業化的專業共性需求來說，這一點是互聯網IDC所不具備的條件。作者建議兩類應用適合進行SaaS模式搭建。一是各機構的管理和辦公通信類應用，因為各機構對辦公的需求和互聯通信的需求基本相似，具有業務無關性。諸如：OA系統、郵件系統、視頻會議和即時通信等應用需求。二是行業共性專業應用。此類應用一般站在整個行業的高度，服務全行業，各機構對其需求具有共性，所以此類應用多以行業主管政府和協會業務相關性較大。以交通運輸行業為例，交通運輸部與海事局或行業協會主導的行業數據查詢包括資質核驗、地理空間信息、從業人員管理、運輸設備與廠商查詢等，以及網上行政辦事大廳等應用都具有共性。北京國際移動衛星地面站作為交通運輸行業的數據中心，則自主運營著諸如“船岸通信”和郵件相關系統，同時也為海事用戶提供船位報等地理位置服務。

（2）選擇或研制可支撐SaaS模式的“容器”平臺。數據中心需要選擇相應的軟件平臺具有一定的成熟度，同時具有可伸縮性，隨著租賃用戶的不斷增大能夠支持分級分層縱向擴展，也支持新用戶的不斷加入的橫向擴展。

（3）定制各類用戶的私有軟件空間。平臺應具備不同用戶使用起來像是企業自身的專用軟件一樣，從UI表現到數據管理，從權限分配到報表視圖等都具有一定的“私密性”，保證用戶的數據安全和個性化需求。

（4）系統運維。SaaS平臺軟件具有統一運維、分級運維的功能，可以針對整個平臺進行全局運維，也可以對某個租賃用戶的軟件部分進行針對性的運維，保證不對其他用戶產生影響。

2.2.5 構建“大數據”的計算服務環境

隨著行業數據中心應用的增多，移動互聯數據的積累，以及行業用戶對數據消費的時效性要求增高，海量的數據計算將成為行業數據中心的一項重要服務。

圖3 基于GFS的NoSQL存儲架構

以Google為例，作為全球最大的全文檢索搜索引擎，存儲的數據量和每天管理的數據量達到了PB級。因此，Google在內部采用了有別于傳統的數據管理技術Hadoop。Hadoop是一個分布式系統基礎架構，由Apache基金會開發。用戶可以在不了解分布式底層細節的情況下，開發分布式程序，充分利用集群的威力高速運算和存儲，Hadoop實現了一個分布式文件系統HDFS。HDFS有著高容錯性的特點，并且設計用來部署在低廉的硬件上，而且它提供高傳輸率來訪問應用程序的數據，適合那些有著超大數據集的應用程序。HDFS放寬了POSIX的要求，這樣可以流的形式訪問文件系統中的數據。Google使用了HDFS，MapReduce，BigTable三項核心技術來解決數據的存儲和管理。其中，MapReduce是基于文件系統之上的并行編程模型，BigTable是Google開發的大規模非關系型數據庫（NoSQL）。那么，以HyperTable為例，我們了解下基于分布式文件系統之上的NoSQL架構是如何工作的，如圖3所示。

分布式存儲和NoSQL架構一般包括三層節點：

（1）NoSQL空間節點。NoSQL提供高可用粗粒度的鎖管理服務以及存儲小量meta數據。在客戶端創建文件或目錄時，可以通過它來獲得互斥鎖或共享鎖，在不同的服務器上分布式運行副本來實現服務的高可用，通過分布式一致協議來實現一致性。

（2）Master節點。Master負責所有的meta操作，比如創建表、刪除表；監測RangeServer的失效，并在失效后為客戶端重新分配服務的RangeServer；負責各Rangeserver之間的負載均衡。雖然是單Master提供上述服務，但是通過Standby的方式實現高可用。

（3）RangeServer。RangeServer負責表數據片段的管理，處理對表數據的讀寫請求。它能夠處理成千上萬的表數據片段。在Master的管理下，進行數據片段在Rangeserver之間遷移（比如：在新增RangeServer后，將部分數據片段遷移到新server上，實現服務的伸縮性擴展）。

以上的一個分布式存儲和計算的架構是否適合所有大數據量的應用呢？作者認為基于Google的大數據處理架構是有一定適合場景的，它適合數據量級大，但每個數據元素結構和處理邏輯相對簡單，才可以適合以Key Value的方式進行數據表達，同時，便于用MapReduce進行切片式分段并行計算處理。以交通運輸行業數據中心為例，運輸工具的實時經緯度位置數據，通信回話數據都具有結構簡單，但數據海量的特點，對齊進行分析和計算需要耗費巨大的系統資源，因此，我們建議此類數據的服務應該采用Linux系統搭建基于Hadoop的分布式存儲和運算集群環境，以供各行業用戶有次需求時，可以隨時遷移至該平臺上，滿足海量數據的存儲于計算服務。

3 結束語

行業化數據中心可以有效彌補 “企業級數據中心”和“互聯網數據中心IDC”在行業專業化服務的空缺，站在行業全局的角度可以縱向聚焦各行業的公共IT和數據服務。它為各級行業行政主管部門提供政務數據共享與交換平臺，構建行業權威的基礎數據庫，為全行業提供公共服務，為行業各從業機構提供集約化的信息化托管和運維服務，符合行業特點的數據資源服務。

采用云計算技術構建數據中心，可以降低數據中心用戶對IT資源的投入成本，最大化地利用行業共用基礎設施。采用平臺和軟件即服務模式，可以為降低用戶在使用應用系統的門檻，提高數據中心各系統的“高內聚低耦合性”。通過數據倉庫的建設可以規范行業數據的管理，建立各主題數據資源目錄，以及實現主題間數據資源的共享與交換，為數據挖掘與分析打下基礎。

建設行業化數據中心的服務對各行各業信息化的發展具有巨大的推動作用，同時采用云計算和數據倉庫技術構建行業數據中心具有科學和創新性，因此，作者建議各行各業關注建設基于“行業云”行業化數據中心的建設，以滿足各行業自身對信息化和數據資源的整合與共享服務的需求。

[1] 袁玉宇．云計算時代的數據中心．北京：電子工業出版社，2012

[2] 王克照．智慧政府之路（大數據云計算物聯網架構應用）．北京：清華大學出版社，2014

[3] 王星．大數據分析：方法與應用．北京：清華大學出版社，2013

[4] （美）黃鎧，（美）福克斯，（美）唐加拉．云計算與分布式系統：從并行處理到物聯網．北京：機械工業出版社，2013

[5] （美）埃爾．云計算：概念、技術與架構．北京：機械工業出版社，2014

[6] 鄭葉來，陳世峻．分布式云數據中心的建設與管理．北京：清華大學出版社，2013

Analysis of Cloud-based Industry Data Center Architecture

Li Jingjing, Xu Dan, Zhang Yongchao
(China Transport Telecommunications & Information Center, Beijing, 100011)

With the development of cloud computing, the combination of private and public clouds plays an important role in supporting and promoting the development of industry informatization. This article, through analyzing the necessity and demand of the data center, sums up the significance of constructing data center and its architectural design, puts forward a model which falls between enterprise-level and Internet-level. It not only satisfies the intensiveness of information resource in different areas, but also meets the special demand of professionalism. The analysis of the development on cloud-based industry data center, sums up the significance of its construction and preliminary architecture, aims at providing a referencable construction scheme for the development of industry informatization.

cloud computing; data center; Architecture

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.09.013

TN919

B

1672-7274（2015）09-0053-06

李晶晶，女，1982年生，河北滄州人，工程師，長安大學工程碩士，主要研究方向為衛星通信及網絡與信息化。