基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺設計

李 泉，靳萌萌，聶曉杰

(1.中國民航信息網絡有限公司(運行中心)，北京 101318；2.北京新媒體集團，北京 100089)

0 引言

民航公司將現代科技與航空信息技術相結合，以提升民航信息基礎的服務效能，該平臺可以規范化日常的維修問題，并且可以自動處理用戶的常見問題。通過智能云平臺，逐步將專業遠程服務軟件、防偽稅控軟件、建立服務熱線、統一服務入口、閉環電話、遠程上門服務、滿意度測評，民航公司與國際數據部門，航空業務部建立了廣泛的合作關系。目前，大多數的信息系統都是用手工書寫，存在著大量的人力成本，缺少規范化、時間、內容不透明、信息不透明、管理復雜等制約因素，迫切需要構建一個能滿足各方面需要的信息支撐平臺。為此，張勇等人提出了一種調控云平臺IaaS層技術，在監控中心的引導下，利用此技術與各節點共同部署監控云平臺。以云計算為核心，為電網監控業務設計核心IaaS(監管云基礎設施即服務)層架構，實現監管云平臺硬件資源的虛擬化(共享和動態部署)、數據標準化和應用服務，并為監管業務提供云服務，從而實現民航信息基礎設施云服務[1]；曾佑偉等人提出基于云平臺的仿真軟件設計方法，將海量的云資源封裝到 Docker容器中，通過建立 B/S結構將 Docker容器的供應端連接起來，使得海量的云資源可以被分類存儲，并在模擬軟件的支撐下，對分類存儲的數據進行分析，從而實現了民航信息基礎設施云服務[2]。由于民航信息服務產生的信息較多，單純使用上述兩種方法存儲信息容器數量不夠，導致民航信息基礎云服務效率不佳。為此，提出了基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺設計。采用磁盤陣列的方式進行數據存儲，利用防火墻技術，將10 G和 WAN相結合，利用遙感數據、軟件、計算機、網絡等技術，實現遙感技術的遠程應用。搭建基于J2EE架構的民航信息基礎架構云服務平臺，采用虛擬映射算法來確保數據的安全，并加速數據交互。實驗結果表明，本文平臺具有良好的通信功能，使用本文平臺最大吞吐量為4.4 Gbit/s，最小吞吐量為2.6 Gbit/s，與理想值一致，并確保了民航信息基礎云服務的運行精度。

1 平臺結構設計

J2EE平臺是一種可移植性強、平臺獨立性強、多操作系統支持的企業級 Java平臺，便于系統的開發與部署[3]。J2EE標準架構與標準化的組件使J2EE成為平臺廠商能夠開發出功能強大的產品的良好平臺，基于該思路，設計了基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺，結構如圖1所示。

圖1 基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺結構

由圖1可知，采用J2EE體系結構，將不同的應用資源集成到一個容器中，便于海量的云資源的存儲。每一個集裝箱內都有一個單獨的部件，用于對其進行分析和使用[4]。

1.1 磁盤陣列

在物理上，采用磁盤陣列的方式進行數據存儲，而 VPC采用了千兆位交換機，用于對虛擬 PC系統中的實體節點進行監控、備份和遷移[5]。利用防火墻技術，將10 G和 WAN相結合，方便了移動云終端的使用。在圖2中顯示了磁盤陣列的結構。

圖2 磁盤陣列結構

由圖2可知，該結構是由千兆交換機、機柜、萬兆交換機組成的。使用綜合布線的網絡機柜，通常是用來放置終端交換設備的，網線主要從通信線纜中抽出，與網絡機柜上下方依次連接，方便觀察和保護線纜[6-7]；萬兆交換機可以有效地整合網絡，一秒鐘可以處理10 G以上的數據。當用戶使用萬兆端口時，可以減少網絡故障出現的概率[8-9]。

在處理器方面，采用較高處理能力的 CPU，在 CPU內核數量充足的情況下，可以有效地改善 CPU的處理能力。在網卡方面上，萬兆光纖網卡可以滿足大部分的業務要求，具有功耗低，相對穩定，布線方便等特點。就內存容量而言，在選擇256 GB的硬盤時，使用DDR4內存來提升性能。從硬盤的性能角度來看，計算服務器的硬盤性能和容量只用于虛擬化的基礎主機，而虛擬機的存儲、文件的讀取和寫入等性能都反映在后臺存儲的性能上。在虛擬化軟件的運行條件下，可以適當地減少硬盤的性能和容量需求。

1.2 數據庫

數據層主要負責數據庫的處理，針對民航信息資源的不同，將其劃分為結構和非結構兩種。其主要包括以下兩個方面：一是SQL將結構數據與基于Mybatis技術的Hive數據庫鏈接；另一方面，為非結構化數據提供了Hbase數據庫的NoSQL連接。任務跟蹤器可以用作任務跟蹤器的基本資源分配。數據收到Persistent Execution命令后，job被定義為系統的基本組件資源。任務是基本資源配置單元。此輪任務是為云計算提供持久支持而定制的。

1.3 訪問控制

云平臺中資源數據訪問主要包括兩個主要模塊：民航信息資源文件數據讀取與存儲的模塊，負責對將民航信息資源數據寫入和讀出平臺的分布式文件系統，由民航信息資源數據寫入功能的民航信息資源存儲模塊接口和民航信息資源從平臺文件系統中讀取功能資源數據接口2 個部分組成。WEB訪問控制系統采用J2EE主流的SSH2模型-視圖—控制(MVC)框架。在SSH2的開發架構中，Strust2是一個視圖層，它的內部 URL篩選器和欄截器機制，可以根據用戶在概要文件 strust.xml中預先設定的映射關系，向相應的進程操作程序發送請求，并在執行階段調用邏輯 Bean對象來進行數據處理。

1.4 用戶權限控制

用戶權限管理是民航信息基礎設施云計算平臺的發展和部署的關鍵。第一個層次是使用者，第二個層次是角色，第3個層次是系統。模型將模塊化的權限從使用者的模塊化權限中分離出來，并在此基礎上確立了用戶和角色、模塊化權限(中間階層)的關系；使用者的權利與模組的使用沒有直接的聯系。用戶和角色的關系就是一一對應的關系。同時，角色和系統模塊之間有著過多的聯系，在系統模塊中設定了具體的操作權限(瀏覽，添加，修改和刪除)。在訪問該模塊時，用戶可以根據角色的權限進行訪問。若無權限，將會發出訊息，停止運作。該系統采用分級管理方式，實現了對平臺數據的每個步驟的授權判定和認證，確保了系統的安全、穩定。

2 基于J2EE架構的民航信息基礎架構云服務平臺

設計的民航信息基礎架構云服務平臺，如圖3所示。

圖3 民航信息基礎架構云服務平臺

由圖3可知，該平臺是由服務層、虛擬化層和資源池層組成，詳細內容如下所示。

2.1 服務層

云服務客戶端在用戶接入云端后運行，注冊成功后，用戶即可登錄并使用該平臺，用戶可以在其授權范圍內檢索、瀏覽、下載各種數據[10]。在此期間，遙感信息成為一項能夠查詢和查詢數據的數據服務。

應用服務層設計主要將處理層的數據，主要是通過辦公軟件集成、儀表盤、靜態報表、網絡展示等多種形式，為民航生產一線和運行監測中心的業務需要提供個性化的服務，為民航生產一線作出準確的決策，確保信息基礎設施服務的安全有序，提升云平臺運營的智能化水平。

2.2 虛擬化層

云計算最大的特點就是虛擬化，它將計算機的軟件、硬件、連接網絡等全部虛擬化，然后放在云計算平臺上，進行統一的管理和服務[11]。在云計算平臺上，虛擬機是一種非常有效的虛擬資源。云計算平臺上的虛擬機可以作為一個業務項目直接向客戶或為其提供虛擬化的服務。

在云計算平臺的應用中，虛擬化層的運行對系統的利用率有很高的要求，因此，必須將服務器的利用率與 CPU的利用率相結合，從而實現對系統調試時出現的問題進行控制。虛擬機的設計對于虛擬化層運行來說是至關重要的。通過多臺虛擬計算機的并行操作，實現對虛擬仿真系統的綜合應用。

在虛擬化層進行民航信息基礎設計時，要根據虛擬屬性信息的聚集特性，確定虛擬層的硬件信息運行要求，確保虛擬化層的軟件設計，能夠在清楚地確定硬件資源運行模式的情況下，能夠滿足云計算平臺的優化構建要求，從而有效地實現虛擬屬性信息的價值。虛擬信息的調動過程，也可以根據虛擬機的特性，對虛擬化層的特性進行分析，從信息負荷的角度來看，根據負載和業務的動態特性來構建云計算服務平臺，根據云計算的特性，對其進行功能和實用性的分析，為滿足集群設備的應用需求提供了良好的環境。

2.3 資源池層

通過向云服務中心登記用戶，可以根據用戶的需要對遙感數據進行處理，生成用戶需要的具體信息。云服務中心具有存儲典型業務服務平臺和系統配置的能力，可以完成對業務的打包、自動化發布，并且可以快速地為多個客戶提供服務[12]。利用遙感數據、軟件、計算機、網絡等技術，實現遙感技術的遠程應用。

資源層設計的主要目的是：利用統一的數據平臺，將航空公司的數據進行集中的收集、儲存，并制定量化的數據分類、安全分級標準及相關的標準和方針，將數據中的無效數據過濾和消除，并且僅處理具有潛在值的數據。嚴格控制數據安全，以提高數據有效性、標準化和安全性，并為數據交換、數據處理、挖掘和預測創建一個全面一致的數據庫。突破目前航空管制數據來源多，格式多，數據處理復雜等問題，提高了數據處理平臺的搭建和操作的有效性。保障航空公司各個層面的數據利用，保障航空公司的個人信息保密和信息的安全性，并使其成為航空公司的一項寶貴資源。

另外，資源池層的設計工作根據負載均衡器的運行特性設計。根據資源負荷方式和動態監測方式，可以利用更多的物理主機運行業務特性，擴展資源負荷功能，并結合民航信息管理工作對信息資源回收利用的需求，對資源池層的信息回收功能進行明確。通過這種方式，可以充分利用資源池層在集群部署上的技術優勢，從而為主機系統的虛擬技術進行最優的處理操作。

3 平臺功能設計

3.1 民航信息服務云服務功能設計

從云計算平臺設計的角度來看，將系統模塊硬件資源管理和控制方案相結合，實施民航信息資源運營系統的建設和處理，可以大大提高和保證硬件資源與云計算平臺連接的完整性，更多的共享信息資源可以基于云計算平臺的設計特征來完善云服務功能。此外，由于其基礎架構優勢，模塊化計算機系統能夠與云服務功能部門進行精確對接。

民航信息服務云平臺集成了數據的通訊和存儲兩方面的內容，平臺采用了虛擬映射算法來確保數據的安全。基于J2EE應用服務器，在不損害原始功能和技術標準的情況下，通過拓展新的功能模塊、服務和二次開發功能，可以根據市場的需求，建立一個面向市場的信息化云計算服務應用和二次發展平臺。基于此，設計的民航信息基礎云服務數據通信流程，如圖4所示。

圖4 民航信息基礎云服務數據通信流程

由圖4可知，此平臺分別設計的子系統功能模塊如下所示。

1)用戶登錄：

當使用者在云端平臺上啟動時，系統會自動檢測證書的狀態，當使用者使用授權后，會產生一個 Token標記以供后續驗證。

單點登錄(SSO)是最流行的業務集成解決方案之一。SSO的定義方式是，多個應用程序系統中的用戶只需登錄一次即可訪問所有相互信任的應用程序系統。該平臺利用耶魯大學CAS項目，具有最先進的設計理念、合理的架構、簡單的配置、廣泛的客戶端支持和成熟的技術。

2)開票軟件：

將納稅人識別碼、分機號從金稅板中讀出，與本地登記冊相對照，如有不符，則自動下載安裝。通過與系統的比對，驗證了軟件的版本號，實現了版本的控制。

3)旅館業治安管理：

使用者可以根據實際情況，對房間數量和類型進行維護，并能實時顯示當前的房間狀態。在辦理入住手續時，按“沒有”鍵，由二代身份證閱讀器和身份證掃描器向派出所發送身份證件[13]。

4)一鍵求助：

用戶只需要一次緊急求助，就能根據使用者的身份，以及最新的政策變動，找出問題的地點，如果找不到，就直接進行遠程處置，實在不行，就讓技術人員去解決。

5)服務費繳納：

在服務費的支付界面上，會有當前用戶的納稅人識別號、酒店公安編號、公司名稱、服務費到期時間、繳費金額、發票信息等信息，在用戶確認后，會生成一張自動生成的二維碼，并打印出相應的電子合同[14]。

6)法律服務：

用戶可以通過對自身業務領域中的關鍵詞進行檢索，并通過對多年合作伙伴的法律爭議數量和類型進行調查，對其進行評估。

7)訪問權限管理：

支持具有多個用戶角色和級別的多用戶權限管理，并為用戶提供靈活的分區和分散管理。連接PaaS公共資源管理系統中的授權服務，進行身份驗證，實現統一的用戶登錄。具有修改、查看模型預訂的全局參數配置功能。更改配置信息后，無需重新啟動服務器即可生效。支援節點名稱、服務地址、日志等資訊的組態。

8)模型數據發送。

9)在云模式數據發生改變時，需要向一個或多個用戶發送修改的模型數據；在改變云模型之后，可以實時訂購模型數據，并及時更新到用戶所在的數據側數據庫；相同的變更模型數據可以傳輸給多個用戶。

10)訂閱管理：

模式訂購觸發管理功能只在云端提供，它可以在云數據庫表格中建立觸發機制，從而實時地了解云端的增量變動數據。云訂閱管理可以在云和源數據頁面上查看訂閱關系，而云無法在源數據頁面自定義訂閱關系。

11)資源管理：

對于物理和虛擬資源，將顯示IssS資源和配置，管理資源規格和安排，并提供在線流程和統計報告功能。

12)消息推送：

該系統提供了3種消息類型，普通、 提示、 告警，通過彈出窗口方式向使用者發送信息，方便了使用者對重要信息的及時回饋，同時也避免了二次開發者花費時間去研發新的信息特性，而直接使用正確的信息推送函數。

3.2 虛擬映射算法

民航信息基礎云服務在業務流程中，各業務模塊之間的協作關系決定了系統的運行效率。為了實現這一目標，采用了虛擬映射算法，在虛擬機上部署了不同的任務，從而確保了民航信息基礎云服務的運行效率。在這一進程中，每個步驟都會加速數據交互[15-17]。

根據民航信息基礎云服務通信需求，計算J2EE架構下的平臺通信性能，可表示為：

Gk=α1Gcpu+α2Gm

(1)

式(1)中，α1、α2分別表示折算因子；Gcpu、Gm分別表示CPU性能和內存大小。

在此基礎上，民航信息基礎架構云平臺映射到J2EE架構鏡像的映射關系可描述為四元組R：

R=

(2)

式(2)中，Sk表示民航信息基礎架構云平臺映射到J2EE架構鏡像后，J2EE架構鏡像間的通信集合；Ck表示J2EE架構鏡像上所部署的計算性能需求集合[19-20]，即sr；Ok表示J2EE架構鏡像上所部署的民航信息基礎架構云平臺各個模塊間的通信需求綜合集合，即sj。

(3)

以式(3)為約束條件，當其計算結果小于等于1時，J2EE架構鏡像計算能力較低，該指標越低越說明映射結果越優，也由此說明民航信息基礎架構云平臺各個模塊間的通信效率較高，有效保證了民航信息服務任務能夠順利執行。

4 平臺測試

基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺在完成設計后，為保證平臺功能能夠達到預期效果，需要對平臺的各個功能模塊進行性能測試，避免功能異常。

利用大數據分析平臺，對民航信息數據進行存儲、計算和分析，將通信、導航、監視、氣象、空域信息、航線信息、陸空通話、廣播廣播和電子進程單等信息，通過相關的技術進行采集，存儲在數據庫中，并且在分布式文件存儲器中通過不同的數據交換部件進行存儲，有效地將各類民航信息進行集成。

4.1 通信功能測試

如圖5所示，為基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺的實際運行環境。 Jenkins和CIS-RC安裝在Windows PC上，而ControlUnit和L1測試工具安裝在Linux PC上。此處使用兩個顯示器。然而，當有多臺主機時，可以使用顯示切換器來共享顯示屏，從而節省空間和成本并便于操作。

圖5 通信功能測試環境

對于平臺通信功能的測試，如表1所示。

由表1可知，只有在客戶端使用正確證書，后臺使用正確證書，證書才能得到有效解密。在有效解密的情況下，輸入數據和返回數據能夠精準傳輸到平臺中，說明基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺具有良好通信功能。這是因為本文平臺采用磁盤陣列的方式進行數據存儲，利用防火墻技術，將10 G和 WAN相結合，利用遙感數據、軟件、計算機、網絡等技術，實現遙感技術的遠程應用。

4.2 數據交互測試

為了驗證基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺設計合理性，實驗平臺選用MATLAB軟件，CPU為16Core；Memory為128 GB；Disk為3TBBandwidth為1 000 Mb/s。運行KVM虛擬機，配置：CPU為2core；Memory為4 GB；Disk為50 GB；Bandwidth為1 000 Mb/s。在 MATLAB 平臺搭建云平臺實驗環境，具體如6所示。

圖6 實驗環境拓撲圖

由圖6可知，Machine1是防火墻后的文件服務器，可提供文件傳輸服務、安全服務、遠程服務；Machine2是提供文件傳輸服務和遠程服務的內部數據庫服務器；防火墻允許用戶訪問兩臺服務器的相應服務，并阻止其他服務。本文從吞吐量和排列角度分析民航信息基礎數據交互情況，并將該平臺與文獻[1]提出的調控云平臺IaaS層技術架構設計和關鍵技術、文獻[2]提出的基于云平臺的SiROS仿真軟件進行對比分析。

4.2.1 吞吐量測試

將3種方法數據吞吐量進行對比分析，如圖7所示。

圖7 3種方法數據吞吐量對比分析

由圖7可知，使用文獻[1]平臺最大吞吐量為6.0 Gbit/s，最小吞吐量為1.8 Gbit/s，與理想值相差較大；使用文獻[2]平臺最大吞吐量為5.6 Gbit/s，最小吞吐量為1.3 Gbit/s，與理想值不一致；使用本文平臺最大吞吐量為4.4 Gbit/s，最小吞吐量為2.6 Gbit/s，與理想值一致。

通過上述分析結果可知，使用本文平臺能夠控制數據吞吐量，說明使用該平臺民航信息基礎數據吞吐量具有良好控制效果。這是因為本文方法搭建基于J2EE架構的民航信息基礎架構云服務平臺，采用虛擬映射算法來確保數據的安全，并加速數據交互。

4.2.2 民航信息基礎數據排列測試

理想情況下的基礎數據排列應該是規整的，如果混亂，則將影響數據交互效果。基于此，令用戶登錄數據為Q1、開票軟件數據為Q2、旅館業治安管理為Q3、一鍵求助為Q4、服務費繳納為Q5、法律服務為Q6，將3種方法民航信息基礎數據排列進行對比分析，如圖8所示。

圖8 3種方法民航信息基礎數據排列對比分析

由圖8可知，使用文獻[1]平臺基礎數據排列雜亂，通過該方案交互的數據容易出現數據重復、丟失情況；使用文獻[2]平臺小部分基礎數據排列規整，大部分基礎數據排列雜亂，通過該方案交互的數據也容易出現數據重復、丟失情況；使用本文平臺基礎數據排列規整，通過該方案交互的數據能夠獲取一個全面且不重復的交互結果。

4.2.3 航行數據平均誤差測試

依據上述內容，將該平臺與文獻[1]方法、文獻[2]提方法進行對比分析。對3種方法航行數據平均誤差進行對比分析，如圖9所示。

圖9 航行數據平均誤差對比

使用該平臺的導航數據的平均誤差在允許范圍內，并且隨著時間的推移，誤差逐漸減小，直至很小的值，相比兩種文獻平臺，本文平臺的航行數據平均誤差較小，說明設計的基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺確保了民航信息基礎云服務的運行精度。這是因為本文方法搭建基于J2EE架構的民航信息基礎架構云服務平臺，采用虛擬映射算法來確保數據的安全，并加速數據交互。

4.3 平臺硬件負載率測試

基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺設計中，引入常規信息基礎架構云平臺，即文獻[1]方法、文獻[2]方法，設計多項對比實驗，實驗中從民航信息數據庫中隨機生成任務集，針對常規信息基礎架構云平臺中的管理任務調度效率差的問題，選擇平臺硬件負載率作為實驗指標。在生成任務集之后，定義平臺硬件負載率，其計算公式為：

(4)

式中，Li表示平臺硬件負載率，T表示任務集合中第一個任務到最后一個任務的時間，w表示任務數，αi表示每個任務占用信息，s表示任務到達間隔，h表示任務大小，βi表示目標任務。 對于基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺，其平臺硬件負載率越平穩，說明平臺工作效率越高，反之，工作效率越低。實驗前，每次測試程序運行時，都會隨機產生 1 000個任務，將各組任務實驗結果的平均值作為實驗結果，對比分析各個平臺的實際應用性能，平臺硬件負載率實驗結果如圖10所示。

圖10 硬件負載率實驗結果

圖10中顯示常規的兩種平臺，達到頂峰的時間較長，負載率最高達到 50%，在達到頂峰后，負載率下降趨勢緩慢，下降不明顯；提出的基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺負載率在30%以下，在達到頂峰后，負載率下降快速且穩定，說明其自我調整能力更好。綜上所述，設計的基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺自我調節能力強，工作效率高。

5 結束語

設計的基于J2EE架構的民航信息基礎架構云平臺，對其進行了需求分析，得到了該平臺的整體框架。在對民航信息基礎架構云平臺進行整體設計的基礎上，對各功能模塊進行了劃分。通過平臺測試，證實了該平臺基本功能良好，且數據吞吐效果和排列結果都與理想情況一致，說明使用該方法具有數據傳輸和交互效果。該平臺可以實現平臺的功能，可以直接在客戶端上運行。但是由于此次研究時間有限，并且提出的民航信息基礎架構云平臺尚未在實際中得到大量操作和應用，在某些方面可能存在一些不足之處，今后會對該課題展開深層次探究，同時為了滿足更多的用戶和應用程序，需要對平臺進行進一步地擴充，比如增加內存，為民航信息基礎架構云平臺提供有力的理論支撐。