電力云資源池基礎架構的設計和實施

楊寧，羅華永，李興，尚楓，陳濤，王國霞

（1.國網信息通信產業集團北京中電普華信息技術有限公司，北京 100192；2.北京科技大學，北京 100083）

電力云資源池基礎架構的設計和實施

楊寧1，羅華永1，李興1，尚楓1，陳濤1，王國霞2

（1.國網信息通信產業集團北京中電普華信息技術有限公司，北京 100192；2.北京科技大學，北京 100083）

云計算技術的出現對信息化建設起到了巨大的推動作用，成為電力企業信息化的必然選擇，但如何使云計算在電力企業安全著陸是一個巨大問題。首先提出了電力云的概念，明確了資源池技術是云計算在企業落地的技術之一。然后結合電力企業自身特點對資源池的基礎架構進行研究，提出了電力云資源池的能力設計原則、資源池基礎架構設計原則，并針對電力企業的特殊性，闡述了電力云資源池基礎架構的實施方案，通過數據中心資源池的基礎架構設計可以清楚地了解資源池的關鍵要素以及這些要素的組裝方式，對資源池的規劃和部署具有極大的實踐意義。

云計算；資源池；電力云；信息化建設

1 引言

電力企業經歷了“十一五”期間推進信息化“SG186工程”和通信網絡的全面建設，信息化工作取得顯著成效。隨著電力企業“兩個轉變”的深入推進，要求業務響應更快速、管控更集中、服務更優質、工作更協同，對一體化企業級信息系統的建設與運維提出了更高的要求。智能電網方面，電網智能化的實現需要對各環節產生的數據進行集中管理、分析、挖掘、反饋，需要進一步提升高性能計算、海量數據存儲域處理和大并發數據訪問能力；“三集五大”方面，隨著人才物集約化管理，大規劃、大建設、大運行、大檢修、大營銷業務不斷優化提升，管控集約化、流程標準化、專業深度融合、業務管理連續高效等要求需要人們進一步提升平臺集中服務，快速支撐應用發展，實現業務集中部署，提高服務器資源利率，滿足海量數據存儲和處理要求，支持大并發用戶訪問，整體降低系統建設、運營成本。

根據智能電網、“三集五大”等業務提出的信息化需求，電力企業也對云計算技術進行了大量的研究[1-4]，認為云計算是電力企業信息化的必然選擇，通過云計算可以加快硬件、軟件向集中、按需服務方向演進，建立更加高效、便捷、安全、可靠的企業級云服務體系。

云計算可提供如下3個層次的服務。

（1）基礎設施即服務（IaaS）

通過Internet向用戶提供計算機基礎設施服務，比如虛擬服務器、存儲設備等。對電力企業而言，可以實現硬件集中服務，將分散利用的服務器、存儲等硬件設備按照統一、標準的模式集中對外提供服務，降低管理運維成本，提高資源可靠性與利用率，實現服務的快速響應。

（2）平臺即服務（PaaS）

向用戶提供業務開發運行和部署的平臺，比如操作系統、軟件運行環境、數據庫等，用戶不用關心底層的基礎設施，只關心自己的應用即可。對電力企業而言，實現平臺集中服務，通過平臺的集中與統一保證應用架構一致，從而更容易實現應用集成與融合，支撐應用大集中，為應用系統開發與運行提供更加集中、簡便且安全可靠的平臺服務。

（3）軟件即服務（SaaS）

向用戶提供最終應用，用戶不需關心基礎設施和平臺，只關心應用本身即可。對電力企業而言，可實現應用集中服務，將分散部署的應用系統進行集中部署與運維，提高對業務的快速響應能力，降低系統管理與運維成本，滿足集約化管理需要。

電力企業根據自身需求提出了建立電力云的目標。電力云建設的第1步就是開展IaaS層建設，重點就是完成基礎設施資源池的建設，所以基礎設施資源池是整個電力云體系建設的基礎，也是電力云在電力企業落地的方式之一。

資源池技術本身是一項較新的技術，有關資源池的規劃和實施并沒有系統的方法可供遵循。同時電力企業又具有自身的特殊性和重要性，都加劇了資源池規劃和建設的難度。本文在理解云計算的基礎上，結合電力企業的自身特點重點研究了電力企業中資源池的基礎架構，闡述了資源池建設如何規劃、資源池如何建設部署，同時對該建設部署的投資收益進行分析，說明了該資源池規劃和建設部署的可行性和有效性，目前，業界沒有成熟的資源池規劃和部署方案，而該資源池的規劃和部署會給企業帶來了極大的借鑒。

2 電力云和資源池的概念及電力企業的特點概述

電力云是云計算在電力系統中一種具體應用，是結合電力企業應用實踐研究并提出來的概念。電力云，是通過硬件資源、平臺組件、應用軟件的集中服務，為電力企業及電力客戶、合作伙伴提供集中統一、按需服務、彈性擴展、安全可控的云計算服務模式，提升資源應用效率、提高信息處理能力、增強集約化管理水平，降低系統建設運營成本。

資源池的概念經過幾年的發展，成為了云計算IaaS層面能夠真正完整落地的基礎架構新型應用方式。所謂“池”，就是一個集合，而資源池就是將數據中心的硬件和軟件等資源進行整合，當有業務應用需要相應資源時，只需向資源池提出申請即可獲得，使用完成后資源被釋放回池中[5-7]。資源池完全圍繞業務系統，把所涉及的硬件資源進行通用化、平臺化、模塊化的整合，完全打破了傳統架構下各個煙囪的孤島狀態。資源池技術使得業務系統不用關心自身運行在哪臺物理服務器上，即使有新增資源，也僅僅是整個池的補充，而不隸屬于某個業務系統[8-11]。

電力企業是國民經濟建設的基礎性工業，和國民經濟發展、人民生活水平息息相關。一個國家的能源安全和經濟發展都依賴電力企業，所以電力企業除了具有一般企業的特征，還有其自身一些特殊性。

（1）服務范圍廣

毫無疑問，電力企業的業務覆蓋范圍遍及全國的各個角落，地域之廣泛，用戶數量之巨大是其他企業所無法比擬的。

（2）企業的產品和服務比較特殊

電力企業的產品就是能源和電力，服務也是和能源和電力相關的，它們都是生活必需也是生產基本條件。同時電能本身具有不可存儲的特點，但對電能的需求會隨著用戶的需求而變化，這就要求電力企業不僅要掌握電能的需求量，還要適時調整和控制電能的供應，這就要求在電能生產的各個環節，發電、輸電、配電、用電、調配電等各個環節的控制數據要實時、同步、精準等。

（3）電力企業社會地位的特殊性

電力企業作為國家的支柱產業，不僅是一個國家經濟發展的基礎，也是人民生活水平的保證，所以電力企業較其他企業肩負更大的社會責任、政治責任和經濟責任。

（4）電力企業的管理是典型的分級管理模式

我國的電力企業以國家電網公司和南方電網公司為一級管理單位，下面逐級設立省級電網公司和市級電網公司。

（5）基礎設施的建設較為成熟

電力企業信息化建設經歷了不算短的時間了，由于認識誤區，部分電力企業存在重硬件輕軟件的問題，購買機器、搭建網絡，建成了良好的硬件基礎。

3 電力云資源池基礎架構設計

3.1 資源池能力設計總原則

“池”字會讓大家想到流動的水，這就意味著資源池的性能目標就是改變資源架構模式和資源供給模式，將傳統的以業務應用為單位、按最大負載估算規模的資源供給模式，改變為共享、動態調度的資源供給模式，這樣使得資源不再被某一業務應用所占用，而是可以在不同業務應用之間“流動”。所以，資源池能力設計總原則有以下幾個。

（1）標準化原則

電力云中資源池設計的軟/硬件類型和業務應用類型復雜多樣，標準化是實現資源在業務間“流動”的基礎。同時，資源架構的標準化可以把最有效實用的架構解決方案固化在工業設計中，如此，不僅不同要素得到了最大限度的配合，還可以使最佳解決方案長久發揮作用并易于擴展。

（2）柔性化原則

柔性考驗的是系統適應外部環境變化和內部變化的能力，資源池的柔性原則是對標準化原則的補充，是指資源可被調度、可按需求動態分配和組裝，從而滿足不同需求的能力。

（3）彈性原則

彈性原則是對資源運行狀態下的能力要求，指的是根據應用和軟/硬件的負載需求，對運行環境中軟/硬件資源配置或數量進行動態調整。而在資源池中實現彈性是一件很復雜的工程，比如：資源配置改變的瞬間，如何做到用戶無感知的資源動態調整；運行狀態下，對于經常出現的瞬時峰值，如何做到各種負載參數的平滑升降。

（4）資源池管理系統要具備“動手能力”和“思考能力”

管理系統的“動手能力”是資源池柔性原則的體現，指的是資源池管理系統對資源各個組成部分的控制和組裝。而管理系統的“思考能力”是資源池彈性指標的體現，是指管理系統可以智能化的對資源進行調度，分析得出最佳的資源分配和使用策略。

3.2 資源池基礎架構的設計原則

資源池基礎架構承擔著如何將服務器、存儲器、網絡和其他架構形成池化，并為滿足資源需求以有效的方式被調度和組裝的角色。結合電力云自身的特殊性，資源池基礎架構在進行設計時，要考慮如何統一規劃、如何建池、建幾個池、每個池多大、各個池如何分布、池與池之間是否有區別、各個池和池之間如何管理等一系列問題，需要設計一個統一規劃藍圖，然后依據這個藍圖對各方面進行設計和實現。在設計統一規劃藍圖時，要綜合考慮如下原則。

（1）分層設計原則

分層設計原則是解決復雜問題常用方法，可以化繁為簡，同時也具有便于后期維護、便于擴展等優點。對于資源池的規劃而言，也符合電力企業典型的分級管理的特點。

（2）功能性原則

池中同一功能區從邏輯上作為一個整體考慮，作為一個整體提供應用跨池調度。另外，考慮電力企業數據的特殊性，具有不同性能的設備在同一池中。這一原則也可以認為是分層設計原則的進一步細化。

（3）一致化原則

構成某個或某類資源池的構成組件盡量一致，以減少管理上的差異，降低管理工作的復雜度。例如硬件資源是否進行虛擬化，可以分為虛擬機池和物理機池。虛擬機池將硬件資源通過虛擬化技術進行抽象，并統一管理；物理機池將硬件資源直接提供應用，不進行虛擬抽象化。

（4）易擴展原則和易管理原則

資源池的建成不應形成固化的邊界，隨著需求的增長易于擴展。這就要求池化要以最小化的標準單元來進行，每個標準單元是組成資源池的一個最小細胞，并且每個最小細胞基本保持一致，若干個最小細胞組成一個池。標準單元不僅使得池易于擴展，也方便了功能上的統一，更降低了管理的復雜度。

4 電力云資源池基礎架構的設計與實施

國家電網公司在 2010年啟動了資源池項目，經過幾年的建設—修正—再修正，目前已經形成了相對完備的設計和實施方案。根據對電力云資源池的設計分析，提出了資源池的6層物理模型，該模型從高到低是包含和被包含的關系，如圖1所示。

圖1 資源池6層物理模型

在詳細介紹物理模型前，先給出幾個相關定義。

（1）最小交付單元

最小交付單元通常由1～2個機柜、若干臺x86服務器、1臺存儲設備、2臺網絡交換機和兩臺SAN交換機組成，是x86虛擬機池中的最小單位。

（2）管理單元

若干個最小交付單元組成一個管理單元，通常由一個虛擬化管理平臺進行管控，是虛擬化管理平臺進行故障遷移的最大管理邊界。

（3）虛擬化比率

虛擬化比率指單臺物理服務器上可以運行的虛擬機數量。虛擬化比率與應用類型、物理機配置、虛擬化規格都有關系，因此在不同應用、不同物理機配置、不同虛擬機規格要求的情況下，其虛擬化比率是不同的。

（4）高性能組

高性能組通過使用高配置服務器、光纖存儲來保證交付單元性能，估算較低的虛擬化比率來保證應用能更流暢地運行，承諾提供更高的交付性能。高性能組的虛擬化比率設定為1∶3。

（5）高密度組

高密度組通過使用高配置服務器，基于萬兆網絡的存儲設備，估算較高的虛擬化比率來保證系統正常運行，承諾提供更高的交付密度。生產災備區采用虛擬化比率為1∶8，測試區為1∶20.

（6）二級存儲

二級存儲安裝在最小交付單元中的存儲設施，區別于用于核心業務數據的一級存儲設施。

資源池6層模型中的數據中心，按其規模，分為集中式數據中心和省級數據中心，集中式數據中心分布在北京、上海、西安，省級數據中心分布在27個省（市）公司。不同數據中心擁有的權限、數據重要性、池的性能等都有所區別。

資源池6層物理模型中其他各層的情況如下。

（1）交付單元

交付單元是組成管理單元的最小單位，一般以機柜為單位交付。按照功能要求，支付單元在硬件配置方面有所區別，比如典型x86虛擬機池在集中式數據中心的交付單元有高性能交付單元、高密度支付單元和混合交付單元，省級數據中心對應省級高性能交付單元。

（2）管理單元

管理單元由多個支付單元組成，這些交付單元共用一組管理組件，使得同一管理單元內部的服務器均能訪問同一個管理單元內的存儲設備，管理單元由交付單元的大小和數量確定。通常一個管理單元可管理的物理服務器不超過200臺。當管理的交付單元數量達到一定規模后，需要增加交付單元時，需增加相關配套管理組件才能使整個資源組平滑擴展。在一個管理單元內部，不同交付單元共用一組管理組件，服務器和存儲能相互訪問便于虛擬機在相互兼容的不同標準單元進行遷移，可以有效減少管理的復雜性和資源開銷。

（3）資源組

資源組由多個同類型的管理單元組成，比如x86虛擬機池的資源組在集中式數據中心按照應用登記保障規范分為三級和二級，按照資源的性能承諾分為高性能和高密度；在省級數據中心按照應用等級保障規范分為三級和二級等。同一功能區的池包括多個資源組；x86物理機池的資源組在集中式數據中心和省級數據中心按照應用等級保障規范分三級和二級；小型機的資源組按照應用等級保障規范分三級和二級，按照資源的性能承諾包括高性能和高密度。

（4）池

池由多個資源組組成，在考慮池的設置數量以及如何分池時，不同功能區中的池應從資源種類（電力企業內部資源異構現象突出，要規劃不同種類的資源池）、應用架構（考慮需求的層次化）、應用等級保障（根據不同用戶群體和需求，提供不同服務等級的資源池）、管理需求（對不同的管理需求規劃不同的池，比如高可用管理、測試區、監控和日常操作管理等）及安全需求（不同安全標準的池滿足不同安全需求）等方面來綜合考慮，所以在功能區內部，按照硬件設備是否進行虛擬化，可以分為虛擬機池和物理機池，按照不同虛擬化架構還可把虛擬池分為x86虛擬機池、IBM小型機池、HP小型機池；物理機池按照硬件類型分為x86物理機池、IBM小型機物理機池、HP小型機物理機池。由于云資源管理系統可以屏蔽這些機型的差異并進行包裝提供統一資源服務，所以最終的池設計包括的池有：x86虛擬機、x86物理機池、小型機池存儲池。

（5）功能區

功能區由多個池組成，數據中心按照功能可分成不同分區，集中式數據中心分為生產區、災備區、開發測試區，省級數據中心可分為生產區和測試區。不同數據中心的同一功能區從邏輯上作為一個整體考慮。

通過電力云中資源池6層物理模型的描述，給出在一個數據中心資源池基礎架構設計的全景圖，如圖2所示，可以看出一個資源池包含哪些要素以及哪些要素是如何組裝在一起的。

其中服務器域最小單位 x86虛擬機池是 “交付單元”，相同等級保障的設備放在一個管理 IP地址網段中，有利于資源統一調度；x86虛擬機池中8個交付單元組成一個管理單元，虛擬化管理組件管理；二級存儲都涵蓋在交付單元內，存儲集中供應 x86物理機和小型機，主要用于數據庫的應用；云資源管理系統采用一級部署模式。

5 結束語

本文對電力云資源池基礎架構進行研究，提出了電力云資源池的性能設計原則和基礎架構設計原則，并給出了電力云資源池的基礎架構的設計實施方案，為資源池的規劃部署提供了有價值的參考。

圖2 某數據中心資源池基礎架構全景

隨著人們對資源池認知的進一步深入，資源池必將成為大型企業構建新一代“云數據中心”的基礎，資源池在國內大型企業中將有廣闊的發展空間。在未來幾年中，大型企業的資源池建設將會呈現出一個持續的規模和效能不斷上升的趨勢，而資源池未來發展的趨勢將會是實現更多層次、更大范圍的資源靈活調配，從云計算的IaaS層逐漸向PaaS以及SaaS層發展。網絡資源池——軟件定義網絡、軟件資源池、資源調度等技術將會為資源池的進步提供更有力的技術支持，也是本文進一步的研究方向。

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Design and im p lementation of electric cloud’s resource pool

YANG Ning1,LUO Huayong1,LI Xing1,SHANG Feng1,CHEN Tao1,WANG Guoxia2
1.Beijing China-Power Information Technology Co.,Ltd., State Grid Information&Telecommunicaton Group,Beijing 100192,China
2.University of Science＆Technology Beijing，Beijing 100083，China

Cloud computing promotes the information construction and becomes an inevitable choice for electric enterprise.How to make cloud computing land is a huge problem for electric enterprise.The conceptofelectric cloud was proposed and it was confirmed that resource pool was one of the technologies to make cloud computing land in electric enterprise.According to the characters of electric enterprise,the designing principle about the capacity and the base schema of resource pool was proposed.And the implementation plans of the resource poolwere given.The key factors of resource pool and their assembling methods can be known clearly form the base schema of resource pool,there is great practicalimportance on the planning and strategy of resource pool.

cloud computing,resource pool,electric cloud,information construction

TP301

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017073

楊寧（1982-），男，國網信息通信產業集團北京中電普華信息技術有限公司工程師，主要研究方向為大型企業私有云技術研究與應用。

羅華永（1980-），男，國網信息通信產業集團北京中電普華信息技術有限公司工程師，主要研究方向為大型企業私有云技術研究與應用。

李興（1977-），男，國網信息通信產業集團北京中電普華信息技術有限公司工程師，主要研究方向為大型企業私有云技術研究與應用。

尚楓（1981-），男，國網信息通信產業集團北京中電普華信息技術有限公司項目經理，主要研究方向為云計算、基礎軟件。

陳濤(1964-),男，國網信息通信產業集團北京中電普華信息技術有限公司項目經理，主要研究方向為云計算。

王國霞（1974-），女，北京科技大學博士生、講師，主要研究方向為云計算技術及應用和個性化信息獲取。

2016-10-08；

2017-02-28

北京工程實驗室建設基金資助項目（No.京發改[2014]2400）；國家電網實驗室建設基金資助項目

Foundation Item s:Beijing Engineering Laloratory Construction Funds（No.JDRC[2014]2004），China-Power Laboratory Construction Funds