鐵路IaaS平臺(tái)解決方案研究

高明星，劉 洋，王曉莉，劉 亮

（中國(guó)鐵路信息技術(shù)中心，北京 100844）

鐵路IaaS平臺(tái)解決方案研究

高明星，劉 洋，王曉莉，劉 亮

（中國(guó)鐵路信息技術(shù)中心，北京 100844）

從鐵路云平臺(tái)建設(shè)需求出發(fā)，通過(guò)對(duì)鐵路信息系統(tǒng)特點(diǎn)和主流IaaS平臺(tái)解決方案的研究，設(shè)計(jì)適合鐵路系統(tǒng)的鐵路IaaS平臺(tái)架構(gòu)，提出業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)云化評(píng)估模型和云化遷移方案，為鐵路企業(yè)私有云建設(shè)提供建議和參考。

鐵路信息系統(tǒng)；IaaS；云化評(píng)估模型；云化遷移方案

鐵路信息化經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，信息系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模從小到大，應(yīng)用模式從單機(jī)版到多層次的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，以列車調(diào)度指揮系統(tǒng)、運(yùn)輸管理信息系統(tǒng)、客票發(fā)售與預(yù)訂系統(tǒng)、12306網(wǎng)站、95306網(wǎng)站等為代表的一大批鐵路應(yīng)用系統(tǒng)不斷投產(chǎn)上線，信息化建設(shè)取得了輝煌的成就。近年來(lái)，隨著鐵路改革發(fā)展進(jìn)程不斷深化，鐵路行業(yè)正在加速?gòu)膫鹘y(tǒng)客貨運(yùn)輸業(yè)務(wù)向現(xiàn)代綜合物流業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型，由此產(chǎn)生大量新的需求，使得數(shù)據(jù)和信息呈現(xiàn)爆炸性地增長(zhǎng)。然而，傳統(tǒng)鐵路信息系統(tǒng)由于受其建設(shè)模式的制約，使得計(jì)算資源按照業(yè)務(wù)分散配置，集約管控和統(tǒng)籌利用不足，企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)尚未建成，既有信息系統(tǒng)難以完成新型業(yè)務(wù)下海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算和分析等任務(wù)。

云計(jì)算作為新一代信息技術(shù)的重要發(fā)展方向，在推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略實(shí)施方面具有舉足輕重的支撐作用。當(dāng)前各傳統(tǒng)行業(yè)都在乘著“互聯(lián)網(wǎng)+”的東風(fēng)，加快基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和快速發(fā)展。

鐵路信息化和科技主管部門(mén)對(duì)云計(jì)算及應(yīng)用高度重視，自2012年起，已連續(xù)3次立題進(jìn)行相關(guān)研究。第1次立題是2012—2013年度，針對(duì)云計(jì)算在鐵路信息化建設(shè)中的應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)做了初步研究，提出了使用建議；基于研究成果，調(diào)度臺(tái)虛擬化桌面系統(tǒng)得到了應(yīng)用。第2次立題是2013—2014年度，針對(duì)云計(jì)算在鐵路行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了深化研究，提出了總體方案；基于研究成果，進(jìn)行了小規(guī)模的客票系統(tǒng)席位云應(yīng)用示范。第3次立題是2015—2016年度，針對(duì)鐵路行業(yè)的云計(jì)算解決方案進(jìn)行重點(diǎn)研究，關(guān)鍵是要解決云計(jì)算應(yīng)用和落地問(wèn)題。

由此可見(jiàn)，研究鐵路云計(jì)算解決方案是當(dāng)前鐵路信息化迫切需要解決的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

1 主流IaaS平臺(tái)解決方案與總體架構(gòu)

1.1 主流IaaS平臺(tái)解決方案簡(jiǎn)介

云計(jì)算是一種技術(shù)與服務(wù)的結(jié)合，也是一種新的商業(yè)模式。云計(jì)算包含基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）3種基本服務(wù)形態(tài)。IaaS是最基本的云服務(wù)形態(tài)，既可獨(dú)立提供，又可以作為PaaS和SaaS的基礎(chǔ)部分隱式提供。為簡(jiǎn)化描述，本文將提供IaaS服務(wù)的信息系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施（含管理平臺(tái)），簡(jiǎn)稱為IaaS平臺(tái)。

從IaaS平臺(tái)部署模式看，主要分為公有云和私有云兩種類型，混合云是上述兩種形態(tài)的組合。用戶在選擇IaaS平臺(tái)解決方案時(shí)，目前主要有以下3種主流的可選模式：

（1）基于互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)或電信運(yùn)營(yíng)商的公有云托管解決方案。用戶直接從公有云上租用基礎(chǔ)設(shè)施資源，并在其上部署自己的業(yè)務(wù)應(yīng)用。典型的代表有亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS，Amazon Web Service）、阿里云等。

（2）基于傳統(tǒng)信息與通信技術(shù)（ICT）供應(yīng)商的商用解決方案。用戶使用ICT供應(yīng)商提供的商用解決方案，搭建私有云并提供IaaS服務(wù)，或直接使用ICT供應(yīng)商提供的公有云IaaS服務(wù)。典型的ICT企業(yè)有VMware、Oracle、華為等。

（3）基于開(kāi)源技術(shù)的自主解決方案。用戶基于開(kāi)源技術(shù)自主研發(fā)IaaS產(chǎn)品并部署公有云IaaS或私有云IaaS服務(wù)。在前兩種模式下，一般而言，其IaaS平臺(tái)的開(kāi)放性和可維護(hù)性等都或多或少存在問(wèn)題；而基于開(kāi)源的IaaS平臺(tái)具有更好的兼容性、靈活性和可維護(hù)性，為用戶提供了可行的備選方案。典型的開(kāi)源技術(shù)有OpenStack、CloudStack等。

用戶在選擇IaaS平臺(tái)解決方案時(shí)，上述3種模式并不相互排斥，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇其中一種模式或進(jìn)行組合選擇。

1.2 IaaS平臺(tái)總體架構(gòu)

從業(yè)界主流IaaS平臺(tái)解決方案的實(shí)際情況看，IaaS平臺(tái)產(chǎn)品已經(jīng)相對(duì)成熟。目前，市場(chǎng)上IaaS平臺(tái)產(chǎn)品在總體架構(gòu)方面具有一致性，均以分層的方式進(jìn)行描述，自底向上依次為基礎(chǔ)設(shè)施層、資源虛擬化層、資源池化層、云計(jì)算管理及服務(wù)層、接入層和用戶層。IaaS平臺(tái)通過(guò)統(tǒng)一的信息安全體系進(jìn)行認(rèn)證和授權(quán)管理，并通過(guò)接口將平臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給IT運(yùn)維管理系統(tǒng)。

IaaS平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 IaaS平臺(tái)總體架構(gòu)

2 鐵路IaaS平臺(tái)解決方案

2.1 鐵路IaaS平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

鐵路信息系統(tǒng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對(duì)安全性要求極高。

鐵路行業(yè)有自己的信息系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)維團(tuán)隊(duì)，有較強(qiáng)的技術(shù)積累和儲(chǔ)備。

當(dāng)前開(kāi)源軟件正在成為推動(dòng)云計(jì)算技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)力，包括互聯(lián)網(wǎng)公司在內(nèi)的許多企業(yè)逐漸開(kāi)始接受開(kāi)源云架構(gòu)。對(duì)于比較成熟的IaaS服務(wù)，隨著熱點(diǎn)開(kāi)源社區(qū)產(chǎn)品的技術(shù)能力迅速提升，基于開(kāi)源技術(shù)的IaaS平臺(tái)已經(jīng)能夠?qū)μ摂M機(jī)、物理機(jī)和虛擬容器等各類資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，并在大規(guī)模部署能力、平臺(tái)運(yùn)營(yíng)能力等方面有了顯著增強(qiáng)。傳統(tǒng)ICT設(shè)備對(duì)開(kāi)源平臺(tái)的兼容性顯著提高。

綜合考慮投資成本、運(yùn)維團(tuán)隊(duì)、技術(shù)積累、安全可控等因素，基于IaaS平臺(tái)的總體架構(gòu)和開(kāi)源技術(shù)研發(fā)IaaS平臺(tái)解決方案，支撐鐵路IaaS平臺(tái)建設(shè)，更符合鐵路行業(yè)“高可靠、高性能、高安全”的要求。

2.2 鐵路IaaS平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

鐵路IaaS平臺(tái)設(shè)計(jì)主要應(yīng)遵循以下原則：

（1）自主設(shè)計(jì)、安全可控，產(chǎn)品不應(yīng)被某個(gè)特定廠商綁定或限制，用戶能夠自主發(fā)展。

（2）基礎(chǔ)架構(gòu)穩(wěn)定，產(chǎn)品基礎(chǔ)組件應(yīng)該經(jīng)過(guò)全球廣泛的使用和驗(yàn)證，以確保其穩(wěn)定性。

（3）廣泛兼容的開(kāi)放架構(gòu)，產(chǎn)品應(yīng)支持主流商用或開(kāi)源虛擬化技術(shù)，支持異構(gòu)資源管理。

（4）可擴(kuò)展的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)模塊化，以便用戶能集成遺留的和第三方的技術(shù)。

2.3 OpenStack簡(jiǎn)介

OpenStack是一款云操作系統(tǒng)，控制著數(shù)據(jù)中心中大量的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源池，所有管理通過(guò)儀表板進(jìn)行，管理員可以授權(quán)用戶通過(guò)一個(gè)Web界面獲取所需資源。OpenStack由6個(gè)核心服務(wù)和13個(gè)可選服務(wù)組成，服務(wù)之間通過(guò)應(yīng)用程序編程接口（API）進(jìn)行通信，服務(wù)內(nèi)部通過(guò)消息中間件進(jìn)行通信，服務(wù)之間松耦合，有利于擴(kuò)展新功能，豐富的API有助于用戶定制自己的云平臺(tái)。

OpenStack也存在著不可忽視的問(wèn)題：

（1）OpenStack集成性、擴(kuò)展性和穩(wěn)定性不足，若選用則需要一支專家隊(duì)伍幫助實(shí)施。

（2）OpenStack不能提供端到端的服務(wù)保障。

（3）OpenStack缺乏通用的基礎(chǔ)版本。

（4）OpenStack未區(qū)分公有云、私有云的版本，需要客戶按需選擇組件進(jìn)行集成。

（5）OpenStack的各個(gè)模塊開(kāi)發(fā)進(jìn)度不一，尤其是Horizon產(chǎn)品化進(jìn)展緩慢。

根據(jù)上述問(wèn)題，若要基于OpenStack架構(gòu)研發(fā)IaaS平臺(tái)管理軟件，其重點(diǎn)任務(wù)應(yīng)該分成兩個(gè)方向：（1）在Horizon上做開(kāi)發(fā)，增加功能，增強(qiáng)易用性；（2）對(duì)OpenStack協(xié)議棧及相關(guān)組件的分析，增強(qiáng)穩(wěn)定性，配合開(kāi)發(fā)管理平臺(tái)所需各種功能。

2.4 鐵路IaaS平臺(tái)總體架構(gòu)

鐵路IaaS平臺(tái)按照云計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層（IaaS）、平臺(tái)服務(wù)層（PaaS）和軟件服務(wù)層（SaaS）；同時(shí)，根據(jù)鐵路行業(yè)信息系統(tǒng)的自身特點(diǎn)和需求，在每一層都有設(shè)計(jì)和研發(fā)符合鐵路行業(yè)需求的不同功能，是對(duì)鐵路行業(yè)在云計(jì)算研究積累中的重要實(shí)踐。

鐵路IaaS平臺(tái)初期的研發(fā)重點(diǎn)是IaaS平臺(tái)管理軟件。研發(fā)任務(wù)主要包括4個(gè)部分：（1）新功能增加；（2）Dashboard業(yè)務(wù)平臺(tái)重構(gòu)及敏捷開(kāi)發(fā)支持；（3）協(xié)議棧的分析和優(yōu)化；（4）自動(dòng)化運(yùn)維。

鐵路IaaS平臺(tái)管理軟件，基于OpenStack架構(gòu)，對(duì)計(jì)算資源池、存儲(chǔ)資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)基礎(chǔ)資源的需求。平臺(tái)管理軟件的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 鐵路IaaS平臺(tái)管理軟件的總體架構(gòu)

3 鐵路業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)向IaaS平臺(tái)遷移

將鐵路業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)由傳統(tǒng)IT架構(gòu)向IaaS平臺(tái)進(jìn)行遷移，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將鐵路業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)云化。業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)云化需要解決好兩個(gè)方面的問(wèn)題：（1）評(píng)估應(yīng)用遷移的適用性和可行性；（2）需要有穩(wěn)妥的遷移方案。

3.1 應(yīng)用遷移的適用性和可行性

鑒于IaaS是目前云計(jì)算服務(wù)中基礎(chǔ)、成熟、能體現(xiàn)價(jià)值的部分，業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)云化，現(xiàn)階段主要是指將現(xiàn)有業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)從傳統(tǒng)IT架構(gòu)遷移到云計(jì)算資源池上承載，即：對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)經(jīng)過(guò)云化適用性評(píng)估；把適合云化、可云化的系統(tǒng)按照一定的遷移策略部署到云計(jì)算資源池上。

我們以鐵路業(yè)務(wù)應(yīng)用云建設(shè)目標(biāo)為導(dǎo)向，從業(yè)務(wù)和技術(shù)兩個(gè)維度研究制定了符合鐵路業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)特點(diǎn)的可操作、可評(píng)價(jià)、可指導(dǎo)的云化適用性評(píng)估指標(biāo)體系，建立了評(píng)估模型。該評(píng)估模型的設(shè)計(jì)參考了開(kāi)放數(shù)據(jù)中心聯(lián)盟（ODCA）云計(jì)算評(píng)估模型，借鑒了國(guó)內(nèi)IT企業(yè)云化建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合了鐵路業(yè)務(wù)實(shí)際，廣泛征求了專家建議，從業(yè)務(wù)應(yīng)用特點(diǎn)、資源使用特點(diǎn)、運(yùn)維管理、成本效益分析、技術(shù)依賴性、技術(shù)兼容性、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)規(guī)模、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度、系統(tǒng)性能吞吐、應(yīng)用部署方式等多方面進(jìn)行了較全面的設(shè)計(jì)。鑒于本文篇幅限制，不再詳細(xì)展開(kāi)介紹。該評(píng)估模型的評(píng)估指標(biāo)分為3個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)不同分?jǐn)?shù)區(qū)間，分值越低表示云化的適用性越低，可暫緩遷移。每個(gè)評(píng)估指標(biāo)具有一個(gè)權(quán)值，采用3段權(quán)值法，權(quán)值越高，評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)云化適用性結(jié)果影響越大。

3.2 遷移方案

鐵路業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)從傳統(tǒng)IT架構(gòu)向IaaS平臺(tái)遷移的要點(diǎn)和關(guān)鍵步驟如下。

3.2.1 建立業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)遷移團(tuán)隊(duì)

主要人員包括項(xiàng)目經(jīng)理，研發(fā)架構(gòu)師，運(yùn)維架構(gòu)師，云解決方案專家，技術(shù)保障專家。

3.2.2 用戶調(diào)研和信息收集

（1）IT硬件資產(chǎn)：服務(wù)器類型、磁盤(pán)陣列類型，系統(tǒng)性能參數(shù)，IT系統(tǒng)配置；（2）業(yè)務(wù)流程：業(yè)務(wù)與IT聯(lián)系，優(yōu)先級(jí)排序；（3）IT網(wǎng)絡(luò)配置：網(wǎng)絡(luò)帶寬，遷移備份容災(zāi)需求等。

3.2.3 遷移可行性分析

根據(jù)所調(diào)研的服務(wù)器信息、業(yè)務(wù)需求以及遷移關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)服務(wù)器進(jìn)行虛擬化評(píng)估，識(shí)別出適合虛擬化的服務(wù)器及與云平臺(tái)可兼容的服務(wù)器；規(guī)劃出虛擬機(jī)的CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)大小。

3.2.4 業(yè)務(wù)遷移風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)計(jì)劃

調(diào)查并了解用戶的業(yè)務(wù)流程和運(yùn)行環(huán)境，確定評(píng)估范圍的邊界以及范圍內(nèi)的所有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；對(duì)評(píng)估范圍內(nèi)的所有業(yè)務(wù)進(jìn)行識(shí)別，并調(diào)查業(yè)務(wù)破壞后可能造成的影響大小，根據(jù)影響的大小為業(yè)務(wù)進(jìn)行相對(duì)賦值；評(píng)估業(yè)務(wù)所面臨的每種威脅發(fā)生的可能性和嚴(yán)重性；從技術(shù)和管理等方面進(jìn)行的脆弱程度檢查，特別是技術(shù)方面；通過(guò)分析上面所評(píng)估的數(shù)據(jù)，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算、區(qū)分和確認(rèn)高風(fēng)險(xiǎn)因素。

3.2.5 制定遷移計(jì)劃表

根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性、重要程度、服務(wù)時(shí)段、依賴設(shè)備等情況，建議采用分批次逐步遷移的方案。依據(jù)如下原則：（1）先易后難；（2）先普通業(yè)務(wù)系統(tǒng)，后核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)；（3）選擇周末或節(jié)假日進(jìn)行遷移；（4）在遷移每個(gè)階段需確定時(shí)間節(jié)點(diǎn)和責(zé)任人。

3.2.6 遷移工具和方案測(cè)試

在后臺(tái)的云平臺(tái)上部署業(yè)務(wù)遷移工具環(huán)境，并對(duì)遷移工具和遷移方案進(jìn)行測(cè)試，輸出測(cè)試報(bào)告，項(xiàng)目組評(píng)審后和用戶進(jìn)行溝通，對(duì)遷移過(guò)程中出現(xiàn)的停機(jī)時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)等再次進(jìn)行溝通，與用戶一起對(duì)遷移方案中需要修改的地方進(jìn)行細(xì)化。

3.2.7 業(yè)務(wù)遷移實(shí)施和驗(yàn)收

業(yè)務(wù)遷移以運(yùn)維技術(shù)團(tuán)隊(duì)為主，業(yè)務(wù)驗(yàn)證和切換、關(guān)聯(lián)變更以用戶為主。遷移后，業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行正常。通過(guò)自驗(yàn)后，通知用戶進(jìn)行正式驗(yàn)收。

4 鐵路IaaS平臺(tái)管理軟件應(yīng)用

基于上述遷移方案，依托鐵路TaaS平臺(tái)管理軟件，鐵路信息部門(mén)對(duì)典型業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)做了云化試點(diǎn)，主要有12306互聯(lián)網(wǎng)售票的部分余票查詢業(yè)務(wù)遷移至阿里云；此外還有95306網(wǎng)站業(yè)務(wù)大規(guī)模虛擬化部署，近年來(lái)新上線業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)器因受資源制約等因素也普遍采用虛擬化部署。從試點(diǎn)情況看效果良好，在很大程度上解決了資源優(yōu)化配置問(wèn)題。經(jīng)過(guò)借助上述鐵路業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)云化評(píng)估模型的評(píng)估分析、方案測(cè)試，結(jié)合之前對(duì)于虛擬化技術(shù)的實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)鐵路業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)80%以上均可云化，這為鐵路行業(yè)云計(jì)算的穩(wěn)步發(fā)展，提供了重要參考依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，鐵路IaaS平臺(tái)解決方案的平臺(tái)管理軟件基本能夠滿足鐵路行業(yè)對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施資源的靈活使用要求，性能穩(wěn)定，安全可靠。鐵路IaaS平臺(tái)的成功建設(shè)不僅會(huì)改變傳統(tǒng)鐵路信息系統(tǒng)的建設(shè)模式，即由項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)建設(shè)向服務(wù)提供模式轉(zhuǎn)型，而且將會(huì)逐步充分釋放云計(jì)算的巨大潛力，為支撐鐵路業(yè)務(wù)的快速轉(zhuǎn)型升級(jí)和鐵路改革發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

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責(zé)任編輯楊琍明

Solution of railway IaaS platform

GAO Mingxing, LIU Yang, WANG Xiaoli, LIU Liang
( China Railway Information Technology Center, Beijing 100844, China )

Based on the construction requirement of railway cloud platform, this article researched on the characteristics of Railway Information System and the solution of the IaaS platform, designed IaaS platform architecture for the railway system, proposed a cloud based evaluation model and a cloud based migration scheme for the business information system, provided advice and reference for the private cloud construction of railway enterprise.

Railway Information System; IaaS; cloud based evaluation model; cloud based migration scheme

U29∶TP39

A

1005-8451（2016）12-0015-05

2016-06-03

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)課題（2015X003-C）。

高明星 ，教授級(jí)高級(jí)工程師；劉 洋，高級(jí)工程師。