新一代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)及其智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與探討

田綿石

（中國鐵路總公司 信息技術(shù)中心，北京 100844）

新一代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)及其智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與探討

田綿石

（中國鐵路總公司 信息技術(shù)中心，北京 100844）

本文對數(shù)據(jù)中心的演變與發(fā)展歷程進行了綜述，分析了新一代數(shù)據(jù)中心的內(nèi)涵和屬性，提出了符合鐵路信息系統(tǒng)運營服務(wù)要求的新一代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，并對數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)的作用、主要特征進行了分析與研究，提出了智能監(jiān)控系統(tǒng)的體系框架，確定了智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展的主要技術(shù)路線。

數(shù)據(jù)中心；架構(gòu)；智能監(jiān)控

近年來，隨著業(yè)務(wù)大集中與數(shù)據(jù)大集中的發(fā)展推進，數(shù)據(jù)中心成了IT界的熱詞，對數(shù)據(jù)中心的研究成為時下熱點。但數(shù)據(jù)中心的特征與屬性，數(shù)據(jù)中心與傳統(tǒng)意義上的機房的區(qū)別，以及如何發(fā)揮數(shù)據(jù)中心的核心價值，都需要進行探討與研究。本文從數(shù)據(jù)中心的演變與發(fā)展歷程入手，理清數(shù)據(jù)中心，尤其是新一代數(shù)據(jù)中心的職能、屬性和涵義，研究并提出新一代數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)，重點對新一代數(shù)據(jù)中心的智能監(jiān)控系統(tǒng)進行研究，以其為建設(shè)好與運營好數(shù)據(jù)中心提供一些借鑒和思考。

1 數(shù)據(jù)中心的演變與發(fā)展歷程

數(shù)據(jù)中心的演變在一定程度上代表了信息技術(shù)的發(fā)展歷程。數(shù)據(jù)中心歷經(jīng)單臺主機系統(tǒng)、計算中心、信息中心、運營服務(wù)中心等4個階段的演變，其核心屬性也相應的經(jīng)歷了由物理設(shè)備、科學計算、信息支撐到現(xiàn)在的運營服務(wù)4個階段的演變。

近年來，新一代數(shù)據(jù)中心的概念浮現(xiàn)出來，新一代數(shù)據(jù)中心的研究重點不僅是運營服務(wù)的保障技術(shù)，還重點研究數(shù)據(jù)中心的節(jié)能環(huán)保，如何降低PUE（數(shù)據(jù)中心整體用電量與計算機設(shè)備用電量的比率）是新一代數(shù)據(jù)中心研究的最熱門話題。云存儲、云計算、高性能統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)在新一代數(shù)據(jù)中心中也將得到普遍運用。因此新一代數(shù)據(jù)中心的屬性又增加了“綠色”、“云”等標簽。

2 新一代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

至此，不難看出數(shù)據(jù)中心與機房的區(qū)別了。在《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》（GB50174-2008）中對“電子信息系統(tǒng)機房”的術(shù)語解釋是：“主要為電子信息設(shè)備提供運行環(huán)境的場所，可以是一幢建筑物或建筑物的一部分”。因此，機房的核心屬性是場所。數(shù)據(jù)中心的核心屬性是運營服務(wù)，數(shù)據(jù)中心是由機房物理設(shè)施、IT基礎(chǔ)設(shè)施、部署的業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)、運維保障體系等構(gòu)成的一個有機整體。機房是骨架，IT基礎(chǔ)設(shè)施是血肉，運維保障體系是靈魂，最終目標是為企業(yè)的業(yè)務(wù)提供高質(zhì)量的IT運營服務(wù)。因此，數(shù)據(jù)中心不僅是規(guī)模更大、檔次更高的機房，而是數(shù)據(jù)中心的內(nèi)涵和外延都發(fā)生了巨大變化。要想實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的運營服務(wù)功能，高水平的運維保障體系是關(guān)鍵，只有實現(xiàn)了高質(zhì)量、全方位的運維保障，數(shù)據(jù)中心才能提供不間斷的富有效率和效益的運營服務(wù)，這是與機房的本質(zhì)區(qū)別。

鐵路新一代數(shù)據(jù)中心的運營服務(wù)屬性更為顯著。上世紀七十年代，鐵路信息系統(tǒng)的正規(guī)化建設(shè)發(fā)軔于全路的十八點統(tǒng)計系統(tǒng)，當時的信息系統(tǒng)架構(gòu)屬于扁平集中式，當時的數(shù)據(jù)中心具有典型的計算中心的特質(zhì)。上世紀九十年代中后期，以貨票系統(tǒng)三級建庫和客票系統(tǒng)為代表的兩大信息系統(tǒng)的建成，標志著鐵路信息系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)了分級存儲轉(zhuǎn)發(fā)式，各級數(shù)據(jù)中心具有典型的信息中心的特征。從2010年開始，隨著互聯(lián)網(wǎng)售票、貨運電子商務(wù)、新一代客票系統(tǒng)等面向社會用戶服務(wù)的高度集中式信息系統(tǒng)的投入運營，鐵路信息系統(tǒng)步入了數(shù)據(jù)大集中式的建設(shè)模式，此時的數(shù)據(jù)中心呈現(xiàn)出了現(xiàn)代意義上的數(shù)據(jù)中心屬性，即數(shù)據(jù)中心具備了運營和服務(wù)的屬性。鐵路數(shù)據(jù)中心，尤其是總公司級的數(shù)據(jù)中心，不僅承擔著鐵路運輸組織、經(jīng)營管理方面的信息化支撐，還直接承擔著為社會提供客貨運服務(wù)的任務(wù)，其運營服務(wù)的屬性更為顯著。運營服務(wù)包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)發(fā)布、運行維護等。今天，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為了保持鐵路企業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵IT資產(chǎn)。這一變化，決定了鐵路數(shù)據(jù)中心要以高水平的運維保障體系為核心來構(gòu)建數(shù)據(jù)中心總體架構(gòu)。

穩(wěn)態(tài)下的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)應由物理基礎(chǔ)設(shè)施、IT基礎(chǔ)設(shè)施、運維保障體系這3個自下而上的層次構(gòu)成，最終目標是為所支撐的業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供精良的集中式的IT運營服務(wù)。新一代數(shù)據(jù)中心總體架構(gòu)如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的地位和作用

圖1 新一代數(shù)據(jù)中心總體架構(gòu)

運維保障體系是發(fā)揮數(shù)據(jù)中心運營服務(wù)價值的關(guān)鍵和核心。只有精良的基礎(chǔ)設(shè)施而運維管理不到位，數(shù)據(jù)中心難以高效運行。當前建設(shè)的數(shù)據(jù)中心由于設(shè)施復雜、龐大，信息系統(tǒng)之間的勾連繁多且相互作用關(guān)系難以理清，當出現(xiàn)問題時如果沒有運作有效、精細管理、反應快速的運維保障體系，越是高檔次的數(shù)據(jù)中心往往越是問題的多發(fā)地，故障恢復時間就越長。這也正是IT運營者和IT管理者的共同困擾的問題。但是，由于研究目標的相對確定性和相關(guān)技術(shù)標準的相對成熟性，當前數(shù)據(jù)中心的研究多聚焦于物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施這兩層。能夠幫助數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)高效運營服務(wù)的運維保障體系的研究相對較少。

運維保障體系中，智能監(jiān)控是基礎(chǔ)，流程與管理是規(guī)范，人是實施主體。由于新一代數(shù)據(jù)中心在物理規(guī)模上更為龐大，在設(shè)備設(shè)施方面更為復雜，部署在IT基礎(chǔ)設(shè)施上的信息系統(tǒng)的技術(shù)環(huán)節(jié)以及各個子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系也是越來越多，因此，數(shù)據(jù)中心為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供的整體運行環(huán)境是更為復雜，甚至是多變的方向發(fā)展。在這種情形下，靠人的經(jīng)驗與知識，靠傳統(tǒng)的分散化的監(jiān)控系統(tǒng)是無法勝任日益復雜的運行維護與技術(shù)保障任務(wù)的。因此，更為自動化、智能化的數(shù)據(jù)中心監(jiān)控系統(tǒng)就顯得格外重要，其在運維保障工作中將發(fā)揮關(guān)鍵作用，在運維保障體系中處于核心地位，其作用是不可替代的。

3.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)的特征

監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了相當長的過程，甚至早于機房的產(chǎn)生。隨著TCP/IP技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在信息化領(lǐng)域的運用，基于信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控在IT領(lǐng)域最先成熟起來。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控是網(wǎng)元級的，后來出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控也是對網(wǎng)元參數(shù)進行提取而實現(xiàn)的。由于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控維度的限制，后來出現(xiàn)了面向業(yè)務(wù)的監(jiān)控，監(jiān)控結(jié)果的展示也更加形象化、直觀化。當前，面向業(yè)務(wù)全流程的監(jiān)控應該是今后的研究重點。另外，對監(jiān)控結(jié)果進行智能化的關(guān)聯(lián)以實現(xiàn)異常現(xiàn)象的快速定位，以及對監(jiān)控數(shù)據(jù)的趨勢化分析與預測則是體現(xiàn)智能化的重要方面。

通過分析監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展變化，結(jié)合業(yè)務(wù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心所提供的運營服務(wù)的質(zhì)量要求，智能監(jiān)控系統(tǒng)應具備以下特征：

（1）監(jiān)控范圍全面化：要涵蓋數(shù)據(jù)中心物理基礎(chǔ)設(shè)施、IT基礎(chǔ)設(shè)施、部署的信息系統(tǒng)等方面的監(jiān)控。

（2）監(jiān)控粒度精準化：要細分到板卡、模塊、接口、進程等最小監(jiān)控對象。

（3）監(jiān)控維度多樣化：要從設(shè)備、資源、業(yè)務(wù)全流程甚者用戶體驗等多角度進行綜合監(jiān)控。

（4）監(jiān)控展示直觀化：監(jiān)控結(jié)果要以圖像化的、直觀的方式進行展示，要組合運用聲光電、三維立體技術(shù)進行展示。

（5）監(jiān)控結(jié)果關(guān)聯(lián)化：對數(shù)據(jù)中心設(shè)備設(shè)施類的靜態(tài)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置類的動態(tài)數(shù)據(jù)進行全生命周期管理，將監(jiān)控結(jié)果自動與靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、知識庫進行關(guān)聯(lián)，以實現(xiàn)快速定位和排障。

（6）監(jiān)控趨勢分析與預測：對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析，提出趨勢性預測，并根據(jù)預測進行提前防范。

智能監(jiān)控系統(tǒng)的最終目標是要實現(xiàn)主動預防、準確定位、快速處置，達到自動化、智能化運維水準，為數(shù)據(jù)中心提供精良的IT運營服務(wù)。

3.3 智能監(jiān)控系統(tǒng)的體系框架

如上節(jié)所述，智能監(jiān)控系統(tǒng)具備6大特征：其中，前4個特征代表了監(jiān)控自動化水平，后2個則是監(jiān)控智能化的典型特征，是對前4個特征的提高和升華。

圍繞這6大特征，來構(gòu)建智能監(jiān)控系統(tǒng)的體系框架，確定智能監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分以及各個組成部分之間的相互關(guān)系。

3.3.1 監(jiān)控范圍

監(jiān)控范圍全面化、監(jiān)控粒度精準化、監(jiān)控維度多樣化從監(jiān)控的廣度、深度、維度3方面對智能監(jiān)控系統(tǒng)進行了表述。在監(jiān)控廣度方面，應涵蓋物理基礎(chǔ)設(shè)施、IT基礎(chǔ)設(shè)施、各個信息系統(tǒng)的監(jiān)控；在監(jiān)控深度方面，應深入到模塊級、接口級、進程級，數(shù)據(jù)采集粒度要精準；在監(jiān)控維度方面，應從設(shè)備角度、資源角度、業(yè)務(wù)流程角度、用戶體驗角度多維度監(jiān)控。近年來，直接面向社會用戶的互聯(lián)網(wǎng)售票相關(guān)信息系統(tǒng)投入運營，網(wǎng)上售票業(yè)務(wù)涉及網(wǎng)站登錄、余票查詢、選票、下單、支付、出票、結(jié)果通知等多個相互關(guān)聯(lián)的步驟，每個步驟又涉及多個子步驟，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會直接影響售票業(yè)務(wù)，因此，對于鐵路信息系統(tǒng)的監(jiān)控來說，面向業(yè)務(wù)全流程的監(jiān)控以及面向用戶體驗的監(jiān)控顯得尤為重要。

3.3.2 監(jiān)控展示

監(jiān)控展示直觀化從外在表現(xiàn)方面對智能監(jiān)控系統(tǒng)進行了描述。由于監(jiān)控系統(tǒng)的最終使用者是人，因此一套有效的監(jiān)控系統(tǒng)其外在展示一定是簡單直觀的、形象的、便于觀察和易于判斷的。而簡單直觀的、圖形化的，甚至是三維立體的小、精、專的監(jiān)控系統(tǒng)得到了業(yè)界的普遍認可。由于監(jiān)控數(shù)據(jù)的類別、數(shù)量都異常龐雜，監(jiān)控展示直觀化的實現(xiàn)難度是非常大的，要求對監(jiān)控結(jié)果要有精準的提煉和展現(xiàn)，展示結(jié)果既不能丟失重要的監(jiān)控數(shù)據(jù)，又要突出重點，運用圖形、聲光電等技術(shù)全方位形象化的展現(xiàn)重點監(jiān)控數(shù)據(jù)。

3.3.3 監(jiān)控結(jié)果

監(jiān)控結(jié)果關(guān)聯(lián)化是整個監(jiān)控系統(tǒng)的提高和升華，是最終體現(xiàn)智能化水平的關(guān)鍵，也是技術(shù)實現(xiàn)難度最大的一個環(huán)節(jié)。所謂監(jiān)控結(jié)果關(guān)聯(lián)化，就是要求監(jiān)控系統(tǒng)能將監(jiān)控到的非正常數(shù)據(jù)與監(jiān)控對象進行正確關(guān)聯(lián)，自動定位出異常情況在系統(tǒng)中的物理位置、邏輯位置、可能影響的業(yè)務(wù)系統(tǒng)及哪個業(yè)務(wù)流程，影響的程度，以及應該采取的處置措施。實現(xiàn)了這一點，才能說監(jiān)控達到了智能化水準。當前的很多監(jiān)控系統(tǒng)為運維人員提供了海量的監(jiān)控結(jié)果數(shù)據(jù)以及對應的報警信息，在監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)助下，運行維護工作實現(xiàn)了由被動補救到主動出擊的轉(zhuǎn)變。但由于沒有實現(xiàn)監(jiān)控結(jié)果的智能關(guān)聯(lián)，運維人員面對這些海量的監(jiān)控數(shù)據(jù)仍無法快速定位問題，而且隨著監(jiān)控對象的增多，系統(tǒng)之間的勾連復雜度越來越高，定位問題的難度反倒越來越大，導致故障恢復時間過長，故障影響仍然較大。要實現(xiàn)監(jiān)控結(jié)果的智能關(guān)聯(lián)，就要求我們要事先建立并動態(tài)維護資產(chǎn)類的靜態(tài)數(shù)據(jù)、配置類的動態(tài)數(shù)據(jù)、問題分類的知識庫，這樣當監(jiān)控到非正常數(shù)據(jù)后才能定位出物理位置和邏輯位置。同時還要先實現(xiàn)全面化、精準化、多樣化的監(jiān)控，如業(yè)務(wù)全流程的監(jiān)控，當監(jiān)控到非正常數(shù)據(jù)后才能定位出是哪個業(yè)務(wù)系統(tǒng)、甚至是具體哪個業(yè)務(wù)流程受到了什么程度的影響。由此可見，監(jiān)控結(jié)果關(guān)聯(lián)化是實現(xiàn)智能監(jiān)控的標志性特征。

3.3.4 監(jiān)控趨勢分析與預測

關(guān)于監(jiān)控趨勢分析與預測，類似于專家系統(tǒng)，就是監(jiān)控系統(tǒng)能對同類的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行自動統(tǒng)計與分析比較，給出預警類趨勢預測，幫助數(shù)據(jù)中心運營者提早防范。

綜上所述，智能監(jiān)控系統(tǒng)的體系框架如圖2所示。

圖2 新一代數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)體系框架

3.4 智能監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

智能監(jiān)控系統(tǒng)的體系框架是一個整體，是由多個耦合程度不一的功能模塊（子系統(tǒng)）所組成。

物理基礎(chǔ)設(shè)施方面的監(jiān)控主要采用數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)采集現(xiàn)場的溫濕度、電量、影像等模擬量，并進行圖形化展示。物理基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控應包括場地環(huán)境、供配電、門禁等方面的監(jiān)控，并應將代表數(shù)據(jù)中心物理能力的空間、電力、冷量這3要素納入資源監(jiān)控范疇，即不僅監(jiān)控狀態(tài)是否正常，還要監(jiān)控這些資源的占用情況，以便數(shù)據(jù)中心管理者能夠?qū)@些資源進行管控和調(diào)配。在直觀化展示方面，應增加數(shù)據(jù)中心機房空間的三維立體展現(xiàn)功能，能按實際比例和實際場景進行縮放。此外，應運用熱學原理和紅外技術(shù)直觀化的展示數(shù)據(jù)中心機房空間的熱量分布。

IT基礎(chǔ)設(shè)施方面的監(jiān)控主要采用TCP/IP技術(shù)、代理機制、輪詢機制采集被管對象的監(jiān)控數(shù)據(jù)。目前，IT基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控在業(yè)界基本成型，主要包括網(wǎng)絡(luò)與安全、存儲與服務(wù)器、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫與中間件等方面的監(jiān)控，已精細到了線路、模塊、接口、進程等顆粒度，并將帶寬、CPU、內(nèi)存、連接數(shù)等納入資源管控范疇。需要注意的是，應增加用戶體驗方面的監(jiān)控，尤其是面向社會服務(wù)的網(wǎng)站的訪問速度、響應時長等的監(jiān)控。

業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)方面的監(jiān)控主要采用代理機制對重要進程的狀態(tài)進行監(jiān)控，需進行客戶化定制。業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的監(jiān)控需向業(yè)務(wù)全流程監(jiān)控的方向發(fā)展，尤其是互聯(lián)網(wǎng)售票類的面向社會服務(wù)的業(yè)務(wù)，其全流程監(jiān)控的意義更為重大。全流程監(jiān)控不僅能讓運維技術(shù)人員，也能讓業(yè)務(wù)管理者全面掌握業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的運營情況，如果全流程監(jiān)控做得直觀化、形象化，還能促進業(yè)務(wù)部門更為深入的使用信息技術(shù)。

要實現(xiàn)監(jiān)控結(jié)果的自動化關(guān)聯(lián)，必須要建立并動態(tài)維護3個數(shù)據(jù)庫：資產(chǎn)類的靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、配置類的動態(tài)數(shù)據(jù)庫、知識庫。其中，靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成配置管理數(shù)據(jù)庫，這是智能監(jiān)控系統(tǒng)對異常情況進行問題自動定位的依據(jù)和基礎(chǔ)。知識庫是智能監(jiān)控系統(tǒng)對定位后的問題自動給出解決建議的依據(jù)和基礎(chǔ)。當然，配置管理數(shù)據(jù)庫和知識庫需要持續(xù)不斷的進行更新和完善，且這兩類數(shù)據(jù)庫要根據(jù)權(quán)限建立嚴格的訪問控制機制。

監(jiān)控趨勢分析和預測主要是對海量的監(jiān)控數(shù)據(jù)（包括正常數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)）進行統(tǒng)計分析，產(chǎn)生預測報告，為數(shù)據(jù)中心運維者和數(shù)據(jù)中心管理者提供預防性的建議。

智能監(jiān)控系統(tǒng)本身其實就是一個相當龐大復雜的信息系統(tǒng)，且其重要性應不低于重要業(yè)務(wù)系統(tǒng)。因此為保證智能監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和獨立性，智能監(jiān)控系統(tǒng)在條件允許的情況下應獨立組網(wǎng)，帶外監(jiān)控，并應按重要信息系統(tǒng)的等級進行容災，包括設(shè)備冗余、數(shù)據(jù)備份、應用級本地災難恢復、訪問控制安全防護。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心的智能監(jiān)控是提高數(shù)據(jù)中心運維水平的核心要素，是發(fā)揮數(shù)據(jù)中心運營服務(wù)價值的關(guān)鍵。當前，云計算、虛擬化甚至虛擬數(shù)據(jù)中心在新一代數(shù)據(jù)中心中將逐步得到運用，業(yè)務(wù)系統(tǒng)也要求數(shù)據(jù)中心應更加敏捷，業(yè)務(wù)部署應更加靈活，這些新的特點都會給智能監(jiān)控系統(tǒng)帶來一定程度的挑戰(zhàn)，加大了技術(shù)實現(xiàn)難度，這都需要我們今后逐步探討。

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責任編輯 徐侃春

Architecture for new-generation data centers and its Intelligent Monitoring System

TIAN Mianshi
( Information Technology Center, China Railway, Beijing 100844, China )

This paper fi rstly addressed the evolvement and development of data centers, analyzed the attributes of new-generation data centers, raised the architecture of new-generation data centers which was suitable for railways Information Systems’ requirements, analyzed the importance and main characters of intelligent monitoring system, proposed the architecture and typical technical route of Intelligent Monitoring System.

data center; architecture; Intelligent Monitoring System

U285.4∶TP39

A

1005-8451（2014）07-0034-05

2014-01-25

田綿石，高級工程師。