簡談云平臺在鐵路信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

王曉莉

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

鐵路信息系統(tǒng)是利用計(jì)算存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、采集傳感設(shè)備對鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)過程中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并產(chǎn)生各類管理信息或決策信息的人機(jī)系統(tǒng)。目前，鐵路信息系統(tǒng)已經(jīng)成為支撐鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備，在運(yùn)輸組織、客貨營銷、經(jīng)營管理等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，人口流動、物資流通在總量及速度上不斷提升的需求對鐵路信息化建設(shè)提出了更高要求。高速鐵路、客運(yùn)專線、城際干線的進(jìn)一步發(fā)展意味著更多鐵路信息化基礎(chǔ)設(shè)施的投入；物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等理念的提出及落地將逐漸打破鐵路及周邊業(yè)務(wù)領(lǐng)域的邊界，鐵路信息系統(tǒng)將逐漸為越來越多的領(lǐng)域提供服務(wù)。在市場經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化調(diào)整的今天，如何以最小成本滿足鐵路及周邊領(lǐng)域日益增長的業(yè)務(wù)需求，成為一個(gè)亟待解決的課題。

傳統(tǒng)的鐵路信息系統(tǒng)解決方案為了滿足應(yīng)用程序運(yùn)行性能及隔離性需求，往往使完成某項(xiàng)特定任務(wù)的應(yīng)用程序獨(dú)占一臺計(jì)算機(jī)資源，且計(jì)算機(jī)的配置還必須能應(yīng)對應(yīng)用程序在最壞情況下的工作負(fù)載。因此在日常的信息系統(tǒng)運(yùn)行過程中，大部分計(jì)算機(jī)負(fù)載處于很低的狀態(tài)，導(dǎo)致硬件資源嚴(yán)重浪費(fèi)。另一方面，傳統(tǒng)的鐵路信息系統(tǒng)解決方案往往缺乏對運(yùn)行環(huán)境的統(tǒng)一管理及調(diào)度，從而需要更多的運(yùn)維成本。如在計(jì)算機(jī)的硬件出現(xiàn)故障時(shí)，維護(hù)人員需要先人工診斷故障，再將數(shù)據(jù)手動遷移到空閑服務(wù)器；若需要調(diào)整應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境的硬件規(guī)格，維護(hù)人員需要奔赴現(xiàn)場調(diào)整硬件設(shè)備。綜上，傳統(tǒng)的鐵路信息系統(tǒng)解決方案中硬件資源浪費(fèi)、系統(tǒng)維護(hù)成本高等現(xiàn)象成為降低系統(tǒng)成本的障礙。

目前，一種逐漸成熟的IT技術(shù)——云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)在政務(wù)、金融、互聯(lián)網(wǎng)、通訊等領(lǐng)域得到了廣泛推廣及成功應(yīng)用。云計(jì)算技術(shù)的載體——云平臺能自動管理計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等硬件資源，減少運(yùn)維成本，同時(shí)向上層應(yīng)用提供彈性的硬件資源服務(wù)，提升資源利用率，最終消除傳統(tǒng)鐵路信息系統(tǒng)解決方案所面臨的上述障礙。

本文對云平臺進(jìn)行分析，初步探索云平臺在鐵路信息系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對應(yīng)用中遇到的一些問題給出相應(yīng)的解決方案及注意事項(xiàng)。

2 技術(shù)適應(yīng)性分析

云平臺又稱云計(jì)算平臺，其核心思想是整合及統(tǒng)一管理大量計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源，并將這些資源按可計(jì)量的方式提供給用戶。

云平臺根據(jù)部署方案來劃分主要有公有云、私有云及混合云3類。公有云是面向社會的，能連接到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備均可訪問云平臺，其優(yōu)點(diǎn)在于無需考慮服務(wù)器采購、架設(shè)、配置管理及相關(guān)配套設(shè)施的管理，用戶可快速上線應(yīng)用程序，但由于數(shù)據(jù)處于第三方托管的公網(wǎng)，一些大型客戶或敏感行業(yè)客戶會有安全方面的顧慮。而私有云是基于客戶可控集群部署云平臺管理軟件的，因此數(shù)據(jù)私密性好、平臺可控程度高，所有數(shù)據(jù)可在內(nèi)網(wǎng)環(huán)境高速安全地傳輸，可節(jié)省互聯(lián)網(wǎng)帶寬租用費(fèi)，但初期的搭建成本相對公有云要高一些?；旌显苿t是同時(shí)使用上述兩種云模式：數(shù)據(jù)私密性要求較高的業(yè)務(wù)使用私有云，而其他業(yè)務(wù)則使用公有云。由于鐵路數(shù)據(jù)信息直接關(guān)系到國家交通命脈，絕大部分應(yīng)用不能運(yùn)行于公有云環(huán)境，所以鐵路信息系統(tǒng)主要采用私有云方案。

相比傳統(tǒng)鐵路信息系統(tǒng)解決方案，云平臺有主要下列幾個(gè)方面的特點(diǎn)。

1）硬件資源的統(tǒng)一管理。云平臺管理系統(tǒng)可對服務(wù)器集群進(jìn)行統(tǒng)一管理，并實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)維人員只需打開管理界面便能全面了解設(shè)備運(yùn)行及資源使用情況。

2）統(tǒng)一的虛擬化數(shù)據(jù)中心管理。采用虛擬化管理軟件將硬件資源劃分為多個(gè)虛擬機(jī)資源，并對虛擬機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。通過虛擬化技術(shù)的資源復(fù)用，云平臺為所有虛擬機(jī)分配的資源可超過硬件資源的總和。虛擬機(jī)故障隔離技術(shù)保證虛擬機(jī)故障不會影響其他虛擬機(jī)的正常運(yùn)行。虛擬機(jī)操作系統(tǒng)故障檢測會檢測操作系統(tǒng)常見故障，確保在出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)置的策略處理故障。

3）按需提供在線的彈性服務(wù)。虛擬機(jī)資源，包括CPU、內(nèi)存、硬盤及網(wǎng)卡等，可根據(jù)客戶需求隨時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展，且擴(kuò)展過程中可不中斷應(yīng)用。精準(zhǔn)控制虛擬機(jī)資源的分配、預(yù)留及使用，滿足用戶需求。

4）自動化虛擬機(jī)調(diào)度?？筛鶕?jù)預(yù)定義的策略在線自動遷移虛擬機(jī)，使物理服務(wù)器中資源分配更優(yōu)。啟用HA功能后，當(dāng)虛擬機(jī)所在主機(jī)故障時(shí)，系統(tǒng)將自動遷移該虛擬機(jī)至其他運(yùn)行正常的主機(jī)上，以保證虛擬機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行。

5）廣泛采用主備機(jī)、多副本、快照等技術(shù)確保系統(tǒng)整體的可用性。云平臺管理節(jié)點(diǎn)采用了主備機(jī)模式，確保管理系統(tǒng)的可用性。云平臺提供的FT功能能自動控制主備虛擬機(jī)之間的切換，使應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)零停機(jī)。云平臺可將所有磁盤管理起來并配置多個(gè)數(shù)據(jù)副本，確保任一磁盤在損壞或不可訪問時(shí)虛擬機(jī)數(shù)據(jù)不會丟失，最終保證數(shù)據(jù)的可用性。支持對虛擬機(jī)進(jìn)行快照，當(dāng)虛擬機(jī)損壞時(shí)，可以使用備份的快照快速恢復(fù)虛擬機(jī)。

綜合以上的特點(diǎn)，采用云平臺方案主要具有以下優(yōu)勢。

1）節(jié)省硬件成本。通過云平臺的虛擬化技術(shù)及資源復(fù)用可大大節(jié)省硬件成本。

2）減少平均故障時(shí)間及運(yùn)維成本?；谠破脚_的資源管理、在線的彈性服務(wù)、自動化虛擬機(jī)調(diào)度及可用性保障技術(shù)，云平臺可自動、快速地進(jìn)行故障檢測及處理，大大減少運(yùn)維人員的工作量，使運(yùn)維人員可同時(shí)維護(hù)更多集群，因此可在減少應(yīng)用程序故障時(shí)間的同時(shí)降低運(yùn)維成本。

3）虛擬機(jī)靈活可控。通過云平臺管理界面，運(yùn)維人員不進(jìn)入機(jī)房便可控制虛擬機(jī)各項(xiàng)行為，包括啟動、關(guān)閉及重啟，可根據(jù)業(yè)務(wù)量增長的需求隨時(shí)擴(kuò)容虛擬機(jī)的硬件，可手動熱遷移虛擬機(jī)到其他主機(jī)等等。

然而使用云平臺也有一些注意事項(xiàng)。

1）若要搭建的信息系統(tǒng)比較簡單，運(yùn)行時(shí)所占用的硬件資源較少，那么云平臺方案的成本可能比傳統(tǒng)方案更高。這是由于云平臺管理軟件本身也會占用一些硬件資源。若信息系統(tǒng)本身并不占用較多硬件資源，那么部署云平臺節(jié)省的硬件成本可能不及部署云平臺管理軟件的投入成本。此時(shí)，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求及項(xiàng)目預(yù)算等因素權(quán)衡部署云平臺成本及云平臺所提供的功能特性及優(yōu)點(diǎn)。另外，也可考慮與其它信息系統(tǒng)共用一個(gè)云平臺，從而分擔(dān)成本。

2）由傳統(tǒng)解決方案向云平臺方案過渡時(shí)存在的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)解決方案與云平臺方案理念相差較大，應(yīng)用程序的研發(fā)人員由過去直接操作物理機(jī)變?yōu)椴僮魈摂M機(jī)，雖然在平時(shí)使用虛擬機(jī)時(shí)感受不到差別，但初步使用時(shí)可能會存在一定的質(zhì)疑及不信任。另外，需要對系統(tǒng)運(yùn)維人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其了解云平臺管理軟件的使用。

3 在鐵路信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

以下以某鐵路局級別的信息系統(tǒng)應(yīng)用為例，闡述云平臺的部署方案、遇到的問題、相應(yīng)解決方案或注意事項(xiàng)。

3.1 部署方案分析

傳統(tǒng)的部署方案如圖1所示。在該方案中，每個(gè)站段均配備機(jī)房，負(fù)責(zé)該站段業(yè)務(wù)的處理。機(jī)房里每臺物理服務(wù)器只負(fù)責(zé)一項(xiàng)專門的業(yè)務(wù)，資源利用率不高。此外，各站段之間難以及時(shí)共享業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

基于云平臺的方案如圖2所示。該方案在路局中心集中建設(shè)中心云平臺。中心云平臺是業(yè)務(wù)運(yùn)行核心平臺，各站段的業(yè)務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)一運(yùn)行在該云平臺上。在各站段配備一個(gè)保證本地業(yè)務(wù)運(yùn)行的最小規(guī)模的“后備云”，其與中心云平臺存在資源映射關(guān)系。一旦中心云平臺或中心至站段冗余通道出現(xiàn)不可逆災(zāi)難時(shí)便根據(jù)預(yù)設(shè)的應(yīng)急計(jì)劃啟動后備系統(tǒng)，恢復(fù)站段業(yè)務(wù)運(yùn)行環(huán)境。

各站段的業(yè)務(wù)系統(tǒng)在中心云平臺上可隔離運(yùn)行，不同站段的業(yè)務(wù)雖然運(yùn)行在同一個(gè)物理平臺，但互不干擾。

云平臺方案使每個(gè)站段硬件成本（含云管理系統(tǒng)）平均下降27%；實(shí)現(xiàn)了以路局為中心的統(tǒng)一計(jì)算及存儲平臺，打破了數(shù)據(jù)壁壘，達(dá)到數(shù)據(jù)共享、資源整合的目的；運(yùn)維人員主要在中心云平臺進(jìn)行操作，可減少差旅，方便運(yùn)維。該方案還能滿足后續(xù)可擴(kuò)展性需求，在升級硬件及添加虛擬機(jī)過程中不需要中斷現(xiàn)有業(yè)務(wù)或重新配置現(xiàn)有業(yè)務(wù)環(huán)境。

3.2 解決的問題

在應(yīng)用云平臺的過程中，需要解決的問題主要有網(wǎng)絡(luò)安全的適配及隔離，另外在平臺高可用性保障方面有一些注意事項(xiàng)。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)安全

在傳統(tǒng)架構(gòu)方案下，鐵路信息系統(tǒng)可以依靠多防火墻組合來對各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行很好的信息過濾與網(wǎng)絡(luò)隔離，而在云平臺架構(gòu)下，多系統(tǒng)多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行于相同的物理設(shè)備上，如何保證云平臺架構(gòu)下鐵路信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是一個(gè)重要問題。

首先從網(wǎng)絡(luò)層面上對各平面進(jìn)行隔離。云平臺的網(wǎng)絡(luò)通信平面劃分為業(yè)務(wù)平面、存儲平面和管理平面，且3個(gè)平面之間是隔離的。業(yè)務(wù)平面為鐵路信息系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)通道，是虛擬機(jī)虛擬網(wǎng)卡的通信平面，對外提供業(yè)務(wù)應(yīng)用。存儲平面為存儲設(shè)備提供通信平面，并為虛擬機(jī)提供存儲資源，但不直接與虛擬機(jī)通信，而是通過虛擬化平臺轉(zhuǎn)化。管理平面負(fù)責(zé)整個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)的管理、業(yè)務(wù)部署、系統(tǒng)加載等流量的通信。

然后還可通過配置虛擬網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)虛擬交換功能，可進(jìn)一步隔離業(yè)務(wù)平面的虛擬機(jī)，同時(shí)保證處于同一VLAN的虛擬機(jī)之間可通信。使用虛擬網(wǎng)橋需要在云平臺管理界面進(jìn)行配置，包括配置虛擬機(jī)虛擬網(wǎng)卡的VLAN標(biāo)識，這樣網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)和路由器可以根據(jù)VLAN標(biāo)識決定對數(shù)據(jù)幀路由和轉(zhuǎn)發(fā)，提供虛擬網(wǎng)絡(luò)的隔離功能。

可創(chuàng)建安全組，每個(gè)安全組可以設(shè)定一組訪問規(guī)則。在創(chuàng)建虛擬機(jī)時(shí)為該虛擬機(jī)選定要加入的安全組，而后該虛擬機(jī)便受到該訪問規(guī)則組的保護(hù)。同一個(gè)安全組中的虛擬機(jī)可能分布在多個(gè)物理位置分散的物理機(jī)上，一個(gè)安全組內(nèi)的虛擬機(jī)之間是可以相互通信，而不同的安全組之間的虛擬機(jī)默認(rèn)是不允許進(jìn)行通信的，除非被配置為允許通信。

此外，還可以通過綁定IP及MAC、配置虛擬防火墻等保證虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)安全。

3.2.2 平臺高可用性

傳統(tǒng)架構(gòu)方案下，鐵路信息系統(tǒng)一般通過雙機(jī)主備冗余或雙機(jī)故障轉(zhuǎn)移集群配以雙網(wǎng)的冗余來實(shí)現(xiàn)高可用性。在云平臺架構(gòu)下，為各服務(wù)提供資源的容器變成了虛擬機(jī)。雖然云平臺提供了諸多保障可用性的特性，但使用時(shí)仍有一些注意事項(xiàng)，否則當(dāng)服務(wù)器或虛擬機(jī)出現(xiàn)故障后，云平臺并不能像預(yù)期那樣對虛擬機(jī)進(jìn)行快速的故障恢復(fù)。

云平臺能提供HA功能：當(dāng)物理服務(wù)器故障時(shí)，系統(tǒng)將自動遷移服務(wù)器上的虛擬機(jī)至其他運(yùn)行正常的服務(wù)器上，以保證虛擬機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行。然而，必須保證正常運(yùn)行的服務(wù)器可用資源之和大于要遷移的虛擬機(jī)資源占用之和，否則將由于資源不足導(dǎo)致部分虛擬機(jī)遷移失敗，從而不能使這部分虛擬機(jī)從故障中恢復(fù)。在硬件資源不是很寬裕的集群中，盡量確保各個(gè)服務(wù)器分配給虛擬機(jī)的資源均勻。

HA功能主要是為了在無人值守時(shí)出現(xiàn)服務(wù)器不可用或虛擬機(jī)藍(lán)屏等現(xiàn)象時(shí)提供一種自動化的快速恢復(fù)策略，恢復(fù)過程中仍會有短暫的不可用時(shí)間（除非配置了主備冗余）。而對于可預(yù)見的人為因素直接導(dǎo)致服務(wù)器不可用的情況，可以事先執(zhí)行操作避免業(yè)務(wù)中斷。例如運(yùn)維人員在更換或升級物理服務(wù)器硬件時(shí)，不應(yīng)期盼通過HA功能自動恢復(fù)虛擬機(jī)而直接下電服務(wù)器，而是應(yīng)先遷移該服務(wù)器上的虛擬機(jī)至其他服務(wù)器，然后設(shè)置服務(wù)器進(jìn)入維護(hù)模式，最后才下電進(jìn)行硬件操作。

4 結(jié)束語

云平臺已經(jīng)在政務(wù)、金融、互聯(lián)網(wǎng)、通訊等領(lǐng)域得到推廣及應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，但在鐵路信息系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用還比較有限，目前的相關(guān)工作主要以探索和試驗(yàn)為主。隨著云平臺在鐵路信息系統(tǒng)中應(yīng)用的逐步深入，其技術(shù)可行性和先進(jìn)性會逐步得到驗(yàn)證，鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)將從云平臺中受益更多。