用虛擬技術構建機場行李處理系統數據中心

昆明船舶設備集團有限公司 / 曾學

用虛擬技術構建機場行李處理系統數據中心

昆明船舶設備集團有限公司 / 曾學

隨著國內機場基礎設施建設的推進、旅客流量的增加，機場行李處理系統基本按照“峰值”流量設計，以致在系統建設初期出現了IT資源閑置的狀況，造成極大的資金浪費。本文通過虛擬化技術的使用，使得系統在建設時可以滿足初期的使用要求，系統的可擴展性能夠滿足行李處理系統達到“峰值”流量時對數據中心的能力要求，并保證了行李處理IT系統運行時的高度可靠性以及在硬件擴展和軟件升級時業務的持續性，由此給機場的日常運營帶來了成本的節省和效率的提升。

虛擬技術、機場行李處理系統、數據中心、冷備系統

按照國家“十三五”規劃，到2020年，全國運輸機場總數將達到260個以上，100公里范圍內覆蓋全國91%的人口，并建成20個以上的大型機場為核心的綜合交通樞紐。屆時，全國居民的年均乘機次數有望從目前的0.3次增長為0.5次；出入境人次達到7.5億，其中航空出行人次在1.5億以上。

如此龐大規模的出行需求對機場三大系統（離港系統、航班信息系統、行李處理系統）之一的行李處理系統提出了更高的要求，諸如行李再確認系統、設備管理系統、備件倉庫管理系統、維護信息系統等多個系統將被應用到行李處理系統中，用于支撐行李系統的穩定、高效運行，隨之帶來的是軟硬件的不斷投入、運營費用的不斷增加以及能耗的不斷增長。以一臺PC服務器350w的功率來計算，每增加一臺服務器，260個機場一年將多消耗掉797160度電。如果把為該服務器提供電源的UPS的耗電計算在內，這個數字將超過80萬度。另一方面，行李系統的設計都按照行李流量的“峰值”數據設計，在達到設計時劃定的這個“峰值”之前，服務器的資源出現閑置，因此帶來巨大的資源和資金的浪費。如何構建一個綠色環保的行李處理系統數據中心，已成為行李系統建設中的新課題。

一、虛擬化技術分析

虛擬化技術產生于20世紀60年代，最早應用于IBM大型機硬件的分區。虛擬化是指通過向資源使用者屏蔽這些資源的物理性質和邊界的方式將IT資源進行整合。簡單地理解，虛擬化就是對各類計算機資源進行邏輯抽象、分配、管理的過程。

經過多年的發展，虛擬化技術日趨成熟，數據中心通過使用虛擬化，可以將各類計算機資源有機整合，集中管理，提高資源利用率，進而減少企業的采購成本、電力成本、制冷成本和管理成本，當然也就為建設綠色數據中心打開了一條重要的技術通道。

虛擬化改變了傳統計算機的資源應用模式，將應用在虛擬機上，操作系統無法分辨虛擬機與物理機之間的差異，應用程序和網絡中的其他計算機也無法分辨，即使是虛擬機本身也認為自己是一臺“真正的”計算機。只不過虛擬機完全由軟件組成，不含任何硬件組件。虛擬機結構如圖1。

虛擬機有如下特性：

1.兼容性：虛擬機與所有標準的x86操作系統、應用程序和設備驅動程序完全兼容。因此，可以使用虛擬機來運行在 x86 物理計算機上運行的所有相同軟件。

2.隔離：雖然多個虛擬機可以共享一臺計算機的物理資源，但它們彼此之間保持完全隔離狀態，就像它們是不同的物理計算機一樣。

3.封裝：虛擬機實質上是一個軟件容器，它將一整套虛擬硬件資源與操作系統及其所有應用程序捆綁或“封裝”在一個軟件包內，每個虛擬機擁有獨立的虛擬硬件（CPU、內存、硬盤和外設）和虛擬執行環境。封裝特性使虛擬機具備良好的可移動性并且易于管理。

4.獨立于硬件：虛擬機完全獨立于其底層物理硬件，可將一個物理服務器虛擬化成多個虛擬機，而且各個虛擬機可以運行不同類型的操作系統（Windows、Unix等）。

>> 圖1 虛擬機結構圖

>> 圖2 裸金屬架構的行李處理IT系統

二、基于裸金屬構架的生產運營系統

我們可以直接在硬件上面安裝虛擬化軟件，再在軟件上安裝操作系統，依賴虛擬層內核和服務器控制臺進行管理，這種虛擬化技術的構架被稱作裸金屬架構，如圖2。其優點是：虛擬機不依賴于操作系統，可以支持多種操作系統，應用起來更加靈活。目前基于裸金屬架構主流的虛擬化軟件有VMWare ESX Server等。

如圖2，運用裸金屬構架建設行李系統的數據中心，行李分揀計算機系統SAC、數據采集與設備監控SCADA、行李再確認系統BRS、設備管理系統EMS、數據庫系統Oracle等多個系統都運行在一個物理服務器上，可以明顯降低系統運行成本、提升設備利用率。它們之間的任何一個系統所運行的虛擬機出了問題，都不會影響其它虛擬機運行。但是，如果這個物理服務器的硬件出了問題，那么行李處理計算機系統就徹底癱瘓了，這顯然是系統構架的大忌。

為了保證行李系統的持續運行，我們需要使用虛擬化軟件的另外一個功能——動態遷移。通常情況下，一個物理服務器上運行著一個或多個虛擬機，當物理服務器出現故障或需要維護時，虛擬化軟件的動態遷移機制能將虛擬機遷移至其他的物理服務器上，以此保障業務應用的連續性。虛擬化技術構建的應用集群如圖3。

反思性教學指教學主體借助行動研究，不斷探究與解決自身和教學目的，以及教學工具等方面的問題，將“學會教學（learning how to teach）”與“學會學習（learning how to learn）”結合起來，努力提升教學實踐的合理性，使自己成為學者型教師的過程[1]。理查德在其《第二語言課堂的反思性教學》一書中將反思性教學定義為：反思性教學是教師發展的一個技巧。教師通過對自己的課堂教學提問進行反思，教師收集教學的數據，審視自己的態度、觀點和教學實踐，以這些信息為基礎進行批判性反思[2]。

實現虛擬機的動態遷移有如下前提：

1.源物理服務器和目標服務器CPU是同一廠家，因為同一廠家的CPU指令集相同，這樣才能保證遷移后的虛擬機能接著執行源虛擬機的CPU指令。

2.源服務器和目標服務器在同一二層網絡內，若在二層以上的網絡，虛擬化軟件很難修改DNS服務器上的網絡配置來對客戶端的訪問路徑做出變更，很難實現動態遷移。在同一二層網絡內，僅需使用反地址解析協議就能實現網絡地址重定向，讓所有連接指向遷移后的虛擬機。

3.源服務器和目標服務器使用同一個磁盤陣列，遷移的時候無需移動虛擬機文件。

在動態遷移的過程中，虛擬化軟件完成了文件系統遷移、內存遷移、I/O重定向（網絡地址的重定向）、將系統恢復到在線狀態等，因此避免了“將所有雞蛋放在一個籃子里”問題。在線遷移帶來的優勢如下：

如果源物理機器需要進行更新、更改或重新啟動，則可以通過動態遷移將虛擬機移動到群集中的其他物理服務器上。當源物理服務器恢復后再將虛擬機移回源服務器。

如果運行虛擬機的物理服務器發生故障（比如主板故障）或性能嚴重下降，則群集中的其他成員將接收該虛擬機的所有權并自動將其恢復到在線狀態。

如果虛擬機出現故障，可以在同一臺服務器重新啟動，或者移動到另一臺目標服務器，如圖4。通過虛擬軟件自動檢測和自動恢復功能，停機時間得以降至最低。

若需將新的系統部署至行李系統中或需要增加新的物理服務器時，則無需對現在運行的系統和硬件作出任何變更，保證了業務運行的持續性。部署新系統如圖5，增加新服務器如圖6。

>> 圖3 虛擬化技術構建的應用集群

>> 圖4 服務器的維護

三、基于寄生架構的冷備系統

若在操作系統之上安裝和運行虛擬化軟件，對資源的管理依賴于主機操作系統對設備的支持和物理資源的管理，這種虛擬化技術的架構被稱作寄生架構。其優點是簡單、便于實現，缺點是安裝和運行應用程序依賴于主機操作系統對設備的支持，一旦主機操作系統受到攻擊，該主機上所寄生的虛擬機都將面臨威脅。

由于機場行李系統是365×24小時運行的系統，不允許有服務中斷。在裸金屬架構中，一旦磁盤陣列出現宕機，那么整個行李系統也將面臨癱瘓的風險，因此，行李處理IT系統還需要另外一種備份系統——冷備份系統。

通常情況下冷備份系統只需備份行李系統的核心系統SAC、SCADA以及數據庫系統即可。在生產運營服務器遭受嚴重破壞或者磁盤陣列宕機的時候，可以手動啟用冷備系統來接替生產系統用于快速恢復作業。寄生架構的冷備系統主要優點是：多個系統的虛擬機共用一個物理服務器，盡量減少資源的浪費。在正常情況下冷備份虛擬機不啟動，我們可以將此服務器用作部門OA的文件共享服務器等。這種構架的冷備份系統進一步增強了行李系統的可靠性，又不會使服務器出現閑置。寄生架構的冷備系統如圖7。

>> 圖5 集群中部署新系統

>> 圖6 集群中增加新的服務器

四、傳統構架與虛擬化

行李系統數據中心的傳統構架如圖8。按照功能劃分的需要，我們需要購置10臺HP DL380服務器和一套磁盤陣列。同時，在項目建設初期，由于客流量/行李量還未達到設計的“峰值”，因此帶來了大量資源的閑置。

行李系統數據中心虛擬化后，我們采用3臺高配置的HP DL580和一套磁盤陣列來構建，如圖9，保證服務器的處理能力能滿足系統建成初期的需求；交換機端口、存儲區域網SAN端口、磁盤陣列的插槽、機房空間留有余量，保證數據中心的可擴展性，滿足行李量到達“峰值”時對數據中心的要求。這種架構能有效節省投資，減少成本。

從傳統的行李系統數據中心物理拓撲和虛擬化的拓撲中，我們可以看出虛擬化技術給機場運營管理帶來的主要優勢如下：

1.提升利用率。通過資源整合與調度，大大提高了行李系統IT基礎設施的資源利用率。

2.整合資源。服務器整合會減少服務器數量，縮減機房的規模，節能減排，降低成本，減少維護壓力。

3.快速部署。大大提高對新上線系統的部署速度。

4.簡化運維。加強保障，業務持續性增強，運維工作量減少。

>> 圖7 寄生構架的冷備系統

>> 圖8 傳統的行李系統數據中心的物理拓撲

>> 圖9 虛擬化后行李系統數據中心的物理拓撲

5.動態擴展。在目前的服務器性能不足以支撐業務運行的時候，可以根據需要動態擴展物理服務器，并實現不間斷的硬件擴展和業務升級。

隨著節能環保政策的深入推進，以及國家在“十三五”期間持續對機場建設投入的增加，虛擬化技術在航空領域特別是機場行李處理系統數據中心的應用將會得到更大的推廣和普及。