基于虛擬化技術的海洋專業知識服務研究＊

東韓，楊揚

（國家海洋信息中心 天津 300171）

隨著我國海洋信息化工作的不斷深入，國內建成了大量的海洋專業信息數據庫，其服務模式從普通的資源共享集成模式，正在逐漸向交互性更高的知識服務形態轉變。然而在知識服務數字化的進程中，這些各自獨立且內部結構相似的系統中所存在的傳統數據資源管理模式滯后、系統維護成本高、使用效率低等問題逐漸顯現。這就需要提出適合于知識服務的海洋專業信息管理模式，為海洋科學研究提供技術支撐。

本文研究一種基于虛擬化技術的海洋專業知識服務解決方案，通過利用虛擬化技術對信息資源進行整合利用，以分析解決上述系統建設中存在的問題。通過研究，探索建設海洋專業知識整合體，匯聚打通傳統數據庫資源，構建海洋專業知識服務框架的可能性，進一步加強系統結構彈性和靈活性、提高資源使用效率、降低運維成本，為海洋專業知識建設與管理提供保障。

1 海洋專業知識服務發展現狀

對于海洋領域來說，知識服務的主體是信息資源豐富、應用范圍廣、實用性強的海洋專業信息整合體；知識服務的客體是接受知識服務來滿足其知識需求的海洋研究專家和相關科技人員。而海洋專業知識服務是通過梳理、標準化整合改造后的海洋信息資源，高效深入地滿足技術人員的知識需求，進而建立海洋專業知識體系和柔性服務機制［1］。

隨著國家對海洋領域投入力度的加大，海洋信息資源量呈幾何倍數增長，各地也建成了許多海洋信息數據庫和知識服務系統。然而這些數據庫和系統由于各自獨立、資源異構、標準不一，導致了不同節點間信息資源共享困難，片段知識難以及時有效地進行組織整合，嚴重影響了知識服務質量。具體表現在以下3個方面。

1．1 數據資源形式異構

在海洋信息系統和數據庫的建設過程中，經常出現為滿足自身系統建設和信息需求，獨立地完成各自的內容，形成各自為政，單位分割。通過各自質控后的數據形式各異，標準不一，嚴重影響了使用效率，造成了資源浪費，數據不能得到有效共享。

1．2 傳統信息資源管理模式落后

目前傳統的信息資源管理大多采用分布式，每個節點單獨部署一套信息系統，各節點間通過網絡進行連接。這種部署方式會造成本地系統硬件配置成本增加，同時各節點間硬件資源不能充分共享，進而導致系統穩定性和可靠性低、分布式管理復雜、運維成本增加、維護難度大。

1．3 用戶需求響應滯后

海洋信息資源豐富，品類眾多，知識需求也日趨多元化和個性化，面對龐大的海洋專業數據資源，專業背景各異的海洋科技人員難以在短時間內準確獲取自己所需的知識信息。隨著海洋專業知識服務需求的急劇增長，這些信息分類模糊、內容相近的知識服務系統就不能有效地提供全面及時的數據服務，系統的標準性資源建設沒有形成，缺乏統一規劃。

2 虛擬化

為能高效地使用日益強大的計算資源，維護不斷增加的存儲空間，同時滿足需求的靈活性和多樣性，作為云計算系統的核心組成部分，虛擬化技術得到了快速發展。虛擬化［2］是云計算的基礎，是將各種計算及存儲資源充分整合并高效利用的關鍵技術。它通過在底層上加入一個中間層將硬件資源虛擬化，用與訪問抽象前資源一致的方法來訪問抽象后的資源，為一組類似資源提供一個通用的抽象接口集，從而隱藏屬性和操作間的差異，實現為某些對象創造虛擬的版本，且可隨時動態變化。虛擬化技術消除了底層物理設備與上層操作系統、軟件之間的耦合，實現了資源的高效靈活使用［3］，還可根據用戶需要動態的構建虛擬鏡像，進而實現計算資源的可伸縮性、透明性和高效性［4］。由于海洋專業信息系統大部分使用的是海量分布式存儲，深入研究并利用虛擬化技術，能有效整合現有軟硬件資源，降低云計算平臺的構建、運營和維護成本，簡化資源管理步驟，提升系統穩定性和擴展性。

虛擬化可分為軟件和硬件兩個層面。軟件虛擬化主要是指操作系統和應用程序虛擬化；硬件虛擬化主要包括存儲設備、服務器和網絡設備虛擬化。由于在海洋專業知識服務系統建設中，獨立異構的海洋專業數據庫主要影響了服務質量，所以下面簡要介紹下存儲虛擬化技術。

存儲技術經歷了從單個磁盤、磁帶到SAN和NAS存儲網絡系統的歷程，對存儲環境和資源共享的迫切需求推動著存儲虛擬化技術成為主流技術。存儲虛擬化［5］是將存儲資源統一集中到一個大容量的資源池，通過建立虛擬機監視器［6］在硬件設備上提供了一個模擬的硬件環境，能夠同時為多個操作系統服務，無需中斷數據應用即可改變存儲系統和數據實時移動，實現對存儲系統單點統一管理。存儲虛擬化主要有基于主機的虛擬化和基于存儲設備的虛擬化：基于主機的虛擬化是在操作系統級別上完成虛擬化工作，不需要任何硬件支持，也不影響現有存儲系統的基本架構，該方法最容易實現，成本最低，但可擴充性較差；基于存儲設備的虛擬化是在存儲設備的適配器、控制器上實現虛擬化功能，目前很多存儲設備（如磁盤陣列等）內部都有功能較強的處理器，并帶有專門的嵌入式系統，可以在存儲系統內部進行存儲虛擬化的工作，對外提供已經完成虛擬化的磁盤空間。

3 基于虛擬化技術的海洋專業知識服務

結合海洋信息多源、異構且離散分布的特點，通過利用虛擬化技術可以將系統中的各種異構的海洋信息資源轉換成為靈活統一的虛擬海洋信息資源池，從而為相關科技人員提供海洋專業知識服務提供相應支撐。

在基于虛擬化技術的海洋專業知識服務框架中，數據的匯聚打通是建設核心。整個架構以海洋專業數據庫為支撐，通過提供統一的虛擬資源目錄，將底層異構的各種海洋信息資源，映射成為靈活統一的虛擬海洋信息數據資源池，為上層知識服務提供統一的標準化接口，簡化訪問海洋信息數據資源的復雜性。其框架如圖1所示。

圖1 基于虛擬化技術的海洋專業知識服務框架

3．1 框架設計

從具體技術實現來說，基于虛擬化技術的海洋專業知識服務框架可以分成3個層面：基礎硬件層、管理控制層和用戶應用層。

3．1．1 基礎硬件層

服務框架設計中的最底層是基礎硬件層，由各單位節點中大量分布式的異構數據存儲設備組成，主要有各個節點中計算資源自身所擁有的IDE或SATA 硬盤，以及存儲區域網絡等，彼此之間通過高速以太網相連，形成一個整體，構成海洋專業知識服務框架的物理基礎設施。

3．1．2 管理控制層

管理控制層是整個知識服務框架支持運作的核心。在硬件資源整合方面，通過虛擬機監視器實現物理基礎設施的虛擬化，在軟件級別上將大量資源異構的數據存儲映射轉化成統一的虛擬數據資源池。虛擬機監視器是一個虛擬機平臺軟件，它運行于各個單位節點上，以實現對存儲資源的虛擬化。基于成本考慮，可在采用開源虛擬化平臺軟件Xen［7］的基礎上通過二次開發來實現資源虛擬化過程；在管理控制方面，主要對虛擬化之后的數據進行調度，為知識管理、知識挖掘和全文檢索提供透明訪問，同時協同安全管控，在保障系統安全的同時，建立并運行維護機制，從技術和機制兩個方面進行保護，維護系統的正常運行。

3．1．3 用戶應用層

用戶應用層是海洋專業知識服務的門戶，也是展現海洋數據和信息的表現形式，由知識分類、知識檢索、知識地圖和知識模版功能組成。針對相關領域專家與研究人員，通過交流互動及時了解不同知識需求，提供個性化服務，建立知識豐富、交互性強、研究成果交流迅捷、簡便的服務平臺。

3．2 服務模型

基于上述框架設計，虛擬化的海洋專業知識服務模型主要包括海洋專業信息數據庫、海洋專業知識庫和管理工具3個部分（圖2）。

3．2．1 海洋專業信息數據庫

由分散在各節點上的多層次海洋專業數據庫及相關海洋知識系統構成。

圖2 基于虛擬化技術的海洋專業知識服務模型

3．2．2 海洋專業知識庫

依照海洋專業知識分類，在虛擬化技術的支撐下，對海洋專業數據資源進行重新組織與整合，通過提供虛擬信息與物理信息之間的資源映射和轉換，利用知識關聯技術存儲多維度的數據索引與知識關聯規則，形成統一的數據服務主體，為海洋專業知識服務提供數據支持。

3．2．3 管理工具

主要提供知識內容的更新管理和虛擬信息資源與物理信息資源之間的映射轉換功能。根據知識內容的擴充與變化情況，及時更新信息資源映射信息表中的信息，將對虛擬資源的操作映射到相應的物理資源上，進而形成虛擬目錄，以實現對物理海洋環境信息資源的透明訪問。

4 小結

通過引入虛擬化技術來解決當前海洋專業知識服務系統建設中存在的資源異構、傳統數據管理模式落后、用戶需求響應不及時等問題，從框架設計和服務模型兩方面分析了提供基于虛擬化技術的海洋專業知識服務的可能，提供了匯聚打通節點間海量數據，構建信息資源豐富、應用范圍廣、實用性強的海洋專業知識整合體的研究思路，為理清海洋信息資源，開展全方位、多層次的海洋專業知識服務做出了探索。

［1］李霞，樊治平，馮博．知識服務的概念、特征與模式［J］．情報科學，2007，25（10）：1585－1587．

［2］ADAMS K，AGESEN O．A comparison of software and hardware techniques for x86virtualization［C］／／Proceedings of the 12th international conference on Architectural support for programming languages and operating systems．2006：2－13．

［3］NANDA S，CHIUEH T，BROOK S，et al．A survey on virtualization technologies．RPE Report，2005：1－42．

［4］UHLIG R，NEIGER G，RODGERS D，et al．Intel Virtualization Technology［J］．Computer，2005，38（5）：48－56．

［5］石磊，鄒德清，金海．Xen虛擬化技術［M］．武漢：華中科技大學出版社，2009：13－46．

［6］ROSENBLUM M，GARFINKEL T．Virtual machine monitors：current technology and future trends［J］．Computer，2005，38（5）：39－47．

［7］江雪．基于Xen虛擬機的動態遷移技術研究［D］．上海：上海交通大學，2009．