虛擬化技術在氣象業務應用中的效益分析

■ 李楠 聶元丁

在氣象業務高速發展、建設過程中，系統重復建設、IT資源浪費、冗余等問題越發凸顯。為解決上述問題，通過國家氣象信息中心氣象資源池項目的建設，采用虛擬化技術，建立了高效、集約、可動態調度的計算存儲資源池，極大提高了物理服務器和存儲系統的硬件利用率，解決了之前物理服務器和存儲資源利用率低，系統部署慢等問題，節約了IT系統基礎設施的投資成本，達到集約高效的目的。

虛擬化技術起源于20世紀60年代末，當時計算機系統較為復雜、昂貴，一個學術科研機構一般只有一個或幾個大型計算機系統，而且早期操作系統存在只能單任務處理的問題，為方便多個用戶/應用共享計算機資源，發展出了可以將硬件資源進行邏輯劃分的虛擬化技術。經過信息技術數十年的發展和演進，虛擬化技術也得到了極大的完善和進步，但究其本質仍是一種資源管理技術，用于將實體資源進行抽象，打破實體結構間不可分割的障礙，供用戶更靈活的使用資源。隨著21世紀云計算的興起，虛擬化作為其中一項核心技術，在各個領域均呈現爆發式增長。氣象行業由于具有資料量龐大，業務系統復雜等特點，在擴展性、易用性、功能性等方面對基礎平臺提出較高要求。在傳統基礎設施平臺難以滿足氣象信息業務高速發展的帶來的技術需求時，虛擬化技術的應用，可作為有力的技術驅動力，支撐業務發展。

1　虛擬化技術在氣象業務的應用

1.1　虛擬化技術概述

虛擬化是指將計算機、存儲等硬件的各種實體資源予以抽象、轉換，形成可供多個上層系統、應用共享使用的狀態的過程。根據對象的不同，可分為平臺虛擬化、應用程序虛擬化、內存虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化等。當前應用最為廣泛的是平臺虛擬化，其旨在通過技術手段將硬件平臺與終端用戶使用的操作系統分開。平臺虛擬化根據實現方式的不同，又可以分為完全虛擬化和部分虛擬化。完全虛擬化在硬件和虛擬機操作系統之間增加軟件層，將兩者進行邏輯分離，其優勢在于虛擬機所使用的操作系統無需任何改動，主要產品有VMware-ESXi、KVM、Xen-HVM等。部分虛擬化利用虛擬化軟件實現對底層硬件的共享訪問，針對部分特權指令，用戶虛擬機可以與硬件進行直接交互，其優勢在于虛擬機運算執行效率高，接近物理機效能，主要產品有Hyper-V、Xen-PV等。

當前，虛擬化在多個技術領域均有具體實現，如計算資源相關的服務器虛擬化、桌面云、彈性計算服務，以及其他資源相關的SDN、虛擬交換機、虛擬防火墻、分布式存儲等都是虛擬化技術應用的產物。

1.2　技術應用背景

氣象業務系統的發展歷程與業界信息技術的發展是高度一致的，未應用虛擬化技術之前，在IT基礎設施方面，主要使用的有高性能計算機、小型機以及x86服務器三種硬件架構。三種架構面向的業務功能及運行模式不同，在技術更新換代過程中的替代性也有所差異。高性能計算機主要用于復雜的數值模式計算，需要消耗海量的計算資源。由于高性能計算機系統的高可靠性和針對特定復雜問題的高度優化特性，使其短時間內無法被其他架構取代。小型機主要用于對性能和可靠性要求較高的業務系統，如交易系統、核心數據庫等，此種平臺優勢在于系統穩定性高，單機性能強，但在業務量爆發膨脹的情況下，難以實現橫向擴展，業務規模受到單機能力限制。x86服務器主要用于網站、數據傳輸、軟件開發等輕量業務系統使用，此類業務對資源需求量不大，如使用獨立的服務器，會造成較為嚴重的系統資源浪費，同時硬件設備采購周期較長，不利于業務快速上線。為解決或緩解上述軟硬件在業務使用中存在的問題，氣象信息系統的建設過程中引入虛擬化技術，并基于此技術建設IT基礎設施云平臺。

1.3　技術應用情況

2012年開始，信息中心開始試點使用服務器虛擬化技術。采購批量x86架構服務器，通過安裝虛擬化軟件，將CPU和內存資源進行池化，通過SAN網絡或以太網與存儲資源進行連接，構成服務器虛擬化資源池（圖1）。提供中國氣象局機關及直屬單位單位使用，當前資源池平臺包括38臺x86服務器，5套本地存儲，3套網絡存儲，在局域網、互聯網兩個網絡區域提供服務。

圖1　資源池平臺架構

其中，業務資源池已為中國氣象局機關及國家氣象中心、國家氣候中心等八個直屬單位分配資源，共承載包括CIPAS2.0，強天氣預報系統，國家級氣象業務內網，中國氣象數據網，軍事保障平臺等231個業務系統共532臺虛擬機運行。資源池中CPU處于超分配狀態，集約化比（物理服務器數量:虛擬服務器數量）達到1:14，集約化效益顯著。業務資源池資源分配及使用情況如表1所示。

表1　業務資源池資源分配及使用情況

2014年，信息中心小規模試點桌面云技術，采用4臺刀片服務器和1套磁盤陣列搭建桌面云平臺，已為61個用戶創建桌面虛擬機，部分用戶工作環境已切換為云桌面辦公，工作時間在線用戶30人以上。

2015年開始，在虛擬化資源池運維中發現，本地磁盤陣列存儲擴充規模有限、難以支持大數據量存儲需求的情況越發凸顯，因此，引入分布式存儲技術。將分布式存儲通過以太網，連接至局域網，為資源池及其他業務提供網絡存儲服務。目前分布式存儲系統在局域網和互聯網區域均已部署，由于分布式架構對橫向擴充具有較強的支持能力，經過多次擴充后，總量已達到2.4 PB，已分配996.8 TB，使用率為21%，為46個業務提供大容量存儲服務。

2　虛擬化在氣象業務中的效益分析

2.1　服務器虛擬化效益

采用服務器虛擬化技術帶來多方面效益，從場地環境方面進行考量，38臺4U服務器需4個機柜，如果所有虛擬機全部采用物理服務器承載，根據1.3節中統計的虛擬機分配數量，則一共需要532個獨立物理服務器，如果假定每個服務器為4U，需要至少54個機柜，如果以主流的2U服務器計算，也需要至少26個機柜，因此采用虛擬化技術節省了80%以上的場地空間。能耗方面，平均每臺x86服務器功率約為400 W，38臺物理服務器相比532臺物理服務器，一年可節省電量約173萬度。除場地環境外，虛擬化技術也極大縮短了業務部署上線周期，將持續數月的設備招標、采購、部署流程縮短到數十分鐘。此外，還可提高IT基礎設施可靠性，不再因物理設備故障導致業務系統停止服務，通過備份系統對虛擬服務器進行定期整機備份，在操作系統崩潰或軟件故障時也可快速恢復系統。另外，出現資源不足情況后，可快速實現虛擬硬件（CPU、內存、存儲等）擴充，避免因硬件能力限制導致業務發展。

通過對基礎設施資源池中477臺部署代理程序（可提取資源使用率）的虛擬機進行分析統計，虛擬機CPU平均使用率為0.22%，本地存儲平均使用率為0.28%。如無虛擬化環境，所有虛擬機將使用物理機承載，因此虛擬機使用率可類比為傳統環境物理機使用率。結合資源池計算資源使用率12.99%和存儲使用率65.04%進行分析，虛擬化技術的應用，使計算資源使用率提高59倍以上，存儲資源使用率提高232倍以上，體現巨大集約化效益（表2）。

表2　服務器虛擬化效益分析

2.2　桌面虛擬化效益

桌面虛擬化帶來的效益（表3）是多方面的，首先，方便為新員工、臨時用戶、測試環境等快速部署桌面環境，資源使用緊張時，可在線擴充，資源使用完畢后可及時回收，避免造成辦公電腦閑置問題，增加整體硬件利用率。同時，平臺已為所有桌面虛擬機提供整機備份服務，方便故障恢復，不會因硬件故障導致數據丟失。另外由于桌面操作系統運行于服務器中，平臺可支持通過筆記本電腦、平板電腦、手機等設備遠程連接，可實現移動辦公。

表3　桌面虛擬化效益分析

2.3　分布式存儲效益

分布式存儲的應用，為海量數據的在線存儲提供可能。傳統磁盤陣列存儲整機性能受限于存儲控制器性能限制，一般存儲總量小于10 PB，而且存儲系統總帶寬等于控制器帶寬。分布式存儲基于分布式架構，可以擴充節點對存儲系統進行擴容，由于其線性擴充特性，單存儲系統可以擴充至100 PB以上，并且每個存儲節點均可與外部系統進行流量交互，使整個存儲系統的吞吐量可以隨存儲節點數量增加呈線性增長（表4）。從容量和吞吐量兩方面，滿足大數據訪問需求。

表4　分布式存儲效益分析

2.4　效益總結

通過以上對五年來虛擬化技術在氣象業務中應用的情況分析，無論是在服務器、桌面、存儲等方面的使用，均帶來多重效益，主要體現在資源就緒時間，資源靈活性和系統可靠性三個方面。在現今業務應用開發、迭代速度加快，數據可靠性地位提高的信息技術背景下，虛擬化技術應用帶來的效益為氣象業務應用的快速發展提供了強有力支持。

3　虛擬化技術在氣象業務的發展前景

當前虛擬化技術的應用僅僅解決了硬件資源不集約、硬件使用率低等問題，煙囪式的業務設計模式并未得到有效解決。僅是將物理服務器部署形式變為虛擬服務器部署，在操作系統和基礎軟件層依然有大量的資源冗余、重復建設現象，并未將氣象業務人員徹底從系統運維工作中解放，仍需進行大量基礎維護工作。

為了解決以上遺存問題，除已經應用的服務器虛擬化和存儲虛擬化技術外，還可引入當前技術成熟度較高，且應用較為廣泛的還有容器虛擬化及網絡虛擬化技術。通過容器虛擬化，可以使不同應用系統復用操作系統資源，方便業務人員對于應用系統的調試和部署，極大減少部署業務的時間成本和人力成本。網絡虛擬化的部署則可以按需對業務進行網絡安全策略發放，對不同業務進行安全隔離。未來對于容器及網絡虛擬化的應用，將降低業務開發、部署及網絡運維方面的工作難度，釋放相關業務人員運維壓力。

通過服務器和存儲虛擬化技術的應用，已在氣象業務應用中取得了巨大效益，解決眾多業務對平臺資源的需求問題，節省大量機房場地能源成本，實現部分傳統平臺不具備的功能。未來還將在系統建設中應用其他虛擬化及云計算相關技術，解決應用級使用問題，滿足氣象業務的發展訴求。

深入閱讀

沈文海, 2012. 從云計算看氣象部門未來的信息化趨勢. 氣象科技進展, 2(2): 49-56.

王彬, 2014. 高性能計算技術在氣象部門的應用. 計算機工程與設計, 35(4): 1476-1479.

中國信息通信研究院, 2016. 云計算白皮書（2016年）.