數據中心仿真云平臺的功能需求與設計

劉俊文，玄佳興

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數據中心仿真云平臺的功能需求與設計

劉俊文，玄佳興

（國家電網公司信息通信分公司，北京 100761）

電力信息系統關系著整個電網的安全運行，為保證信息系統的穩定性運行，需要在系統上線前進行全面測試。考慮到電力行業目前的實際需求，為實現對信息系統的有效運維，有必要建立獨立環境進行信息系統的功能和非功能性測試，以及時發現漏洞、提高系統頑健性。通過對數據中心仿真云平臺的開發進行分析，研究適用于數據中心測試云平臺的構建技術，并針對平臺中的功能需求提出部署實施方案，以實現對后期測試平臺建設的指導作用。

電力信息系統；系統測試；云平臺

1 引言

隨著電力信息系統規模的不斷擴大，各項業務的正常運轉越來越依賴于信息化，在方便使用的同時也給信息運行維護工作帶來了更大的壓力。為保證電力行業中信息系統的穩定運行，信息系統均需要進行上線前的測試，以便衡量系統軟件代碼質量和應用層軟件質量。根據電力行業目前關于信息系統測試的情況，采用方式多為利用物理服務器實現部署，搭建常規的底層環境。在規模和性能上，所用環境與實際生產環境均存在差異，針對運行環節的測試存在一定空白。電力行業的特殊性對系統的可靠性與穩定性提出了更高的要求。因此，針對目前測試狀況，電力行業中有需求建立自己的集成仿真測試平臺，對運維管轄的信息系統進行詳細的功能與非功能性檢測，增加上線后的安全保障，形成具有鮮明特色的信息系統集成仿真測試能力，完善電力行業的信息通信專業測試體系。

通過對測試平臺技術的研究，提出滿足數據中心對高仿真測試環境要求的平臺建設方案。針對電力信息系統測試對基礎環境的新需求，利用云計算技術構建新型平臺是一種很好的選擇。本文采用云計算中的開源OpenStack項目，進行數據中心一體化的自有系統測試仿真平臺設計，實現信息系統高仿真環境的快速部署能力，為后續的實際應用提供技術和管理功能的指導方向。

2 研究背景

云計算作為新興技術，是基于互聯網相關服務的增加、使用和交付模式，涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源[1]。面對目前物理資源利用率不足、系統部署復雜、建立和回收不便等問題，云平臺的出現提供了一種很好的解決方法。它屏蔽了底層物理服務器的差異，進行統一整合并通過標準接口向外提供服務。

國內眾多行業，包括移動運營商、金融、政務，均已在信息化建設中采用了云計算戰略[2]。世界財富100強中超過一半在用OpenStack，OpenStack在生產系統的部署比例高達65%，并且這一勢頭還在不斷加深。國外的公司如PayPal、沃爾瑪、BMW，國內如銀聯、聯想、各大電信運營商等都采用了OpenStack部署自己的私有云。這些實際案例為電力行業的未來應用提供了充足的依據。

經調研，電網目前多數信息系統測試均直接使用硬件服務器，這種方法一方面需耗費大量時間進行資源的分配與回收以及依賴環境的安裝部署，導致資源利用率極低；另一方面難以模擬真實的生產環境，如內外網隔離、流量突發性等狀況。本文從電力行業測試需求出發，采用云計算建設仿真測試平臺，利用虛擬化技術實現對資源的快速分配與回收、提高資源利用率，并且通過定制開發實現快速部署能力，具備極好的靈活性和可擴展性。此外，軟硬件層面的配置能夠盡可能真實地模擬實際生產環境，使得測試結果具備實際意義。私有云還有高安全性和高可控性，能夠實時監控資源占用情況[3]。因此，建設仿真云測試平臺，具備功能完整性和技術可行性。

3 技術選型

3.1 OpenStack簡介

OpenStack是一個由NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國國家航空航天局）和Rackspace合作研發并發起的，由Apache許可證授權的自由軟件和開放源代碼項目，是一個旨在為公共及私有云的建設與管理提供軟件的開源項目[4]。目前，OpenStack社區擁有超過130家企業及1 300多位開發者，為OpenStack的后續研發和發展提供了強大的技術支持。作為開源軟件，OpenStack采用開放式的設計理念、開發模式、社區，多個組件一起協助完成具體工作。不同廠商會基于開放性的源代碼開發自己的優化產品，所以OpenStack的發展具備多樣化，有效避免了廠商鎖定[5,6]。

OpenStack由各個功能模塊組成，各項目之間通過消息隊列中間件和RESTful形式的App進行交互通信。它的最大優點是高度靈活性，用戶可以根據實際需求進行自由組裝，輕松擴展和構建自己的基礎設施集群，實現最合理化的應用。OpenStack覆蓋了網絡、虛擬化、操作系統、服務器等各個方面。核心服務模塊包括計算服務（nova）、網絡服務（neutron）、塊存儲（cinder）、鏡像服務（glance）、認證服務（keystone）、對象存儲（swift）[7,8]。其中，Nova是虛擬服務器部署和業務計算模塊，是最核心的部分。基礎項目間的結構關系如圖1所示。

3.2 OpenStack技術優勢

（1）開放性

開源的平臺意味著不會被某個特定的廠商綁定和限制，而且模塊化的設計能把遺留的和第三方的技術進行集成，從而滿足自身業務需要。

（2）靈活性

用戶可以根據自己的需要建立基礎設施，也可以輕松地為自己的集群增加規模。OpenStack并不是一個封裝好不可變動的集成軟件，它是由多種功能模塊進行組裝。因此在部署過程中，用戶可以根據自己的實際需求選擇特定的模塊進行靈活的組合化安裝，不會導致臃腫的系統。

（3）可擴展性

一方面自身的功能模塊可以在后續使用中按需進行添加；另一方面基于開源的代碼可以進行特定的功能修改和開發，為平臺的使用帶來更大的可變權限。

（4）高可靠性

當出現計算節點、存儲節點、網絡節點故障時，能夠實現數據的熱遷移，保障系統業務的高可用性，并支持計算節點、存儲節點的水平熱擴展[9]。

（5）低成本

由于開源的代碼是公開的，所以不會像其他專有軟件一樣必須付昂貴的專利費。即使各公司對原生態OpenStack進行修改和完善會付出一定成本，但對于用戶來講，最終的實施成本也是最低的。

（6）行業標準

在私有云技術的發展中，OpenStack尤其得到了各大廠商的重視。2012年就成立了專門的基金會，對該技術的發展和使用進行了規劃和推廣。

4 部署實施

4.1 物理環境設計

根據某公司數據中心目前可用物理設備建立一個小型的仿真云平臺進行測試驗證，適用設備包括1臺隔離裝置、1臺內網交換機、1臺外網交換機、2臺光纖交換機、8臺4路服務器、10臺8路服務器和1臺SAN存儲設備、1臺入侵防御設備。基于這些物理設備，并嚴格按照電力行業中內外隔離、雙網雙機的原則進行真實網絡架構的模擬，利用隔離裝置和內外網核心交換機完成內外網區域的劃分。本文提出仿真云測試平臺實施設計示意如圖2所示。

根據云平臺的設計框架，整體架構可分為網絡部分、服務器使用部分和存儲集群部分。具體如下。

（1）網絡

對于劃分的內外網網絡，接入的網絡設備為1臺交換機，該設備可為云平臺提供吉比特和萬兆網絡支持。其中，云平臺上每臺服務器都需要雙吉比特、雙萬兆口；吉比特口分別用于管理網和控制網；計算節點、控制節點的萬兆口分別用于數據網和存儲網，存儲節點的萬兆分別用于存儲網和內部同步網。

（2）服務器使用

本次用于云平臺搭建的8臺4路與10臺8路服務器中，選擇2臺8路服務器與3臺4路服務器用于模擬外網環境，其余服務器用于模擬內網環境。其中，內網控制集群、存儲集群和網關集群統一部署，共用3臺4路服務器，集中管控云平臺運行、完成內部設備通信及磁盤存儲，同時整合存儲構建異構的分布式存儲集群。選擇2臺4路服務器進行數據庫存儲。選擇8臺8路服務器搭建云平臺計算集群，充分利用8路服務器的密集計算優勢。

（3）存儲集群

實施無痛護理以后，主要對兩組患者的疼痛評分情況、以及住院時間、護理滿意度、并發癥情況進行觀察。疼痛評分情況主要由專業人員對兩組患者的護理前、護理后的疼痛評分進行記錄。住院時間、護理滿意度、并發癥情況由專業人員對兩組患者的住院時間、護理滿意度、并發癥情況進行記錄。

考慮到專業存儲性能的優勢利用，規劃使用3臺服務器、2臺光纖交換機和1臺存儲設備，統一整合為異構分布式存儲集群系統，最大限度利用現有設備滿足項目要求。

計算平臺的規模體現本次測試平臺的承載能力，將10臺設備做統一管理整合后，可以有效利用服務器資源，提高設備利用率，減少碎片資源。通過OpenStack虛擬化技術的共享與分時復用技術，可實現對CPU及內存的虛擬擴展，進一步提高服務器的利用率。云計算平臺資源擴展能力見表1。

表1 仿真云平臺資源擴展能力

4.2 管理功能架構設計

從管理與運維的層面，本文設計云平臺的功能架構如圖3所示。

如圖3所示，仿真云測試平臺包含平臺資源管理及平臺運維管理兩部分：平臺資源管理模塊對云平臺的資源進行統計和管理，主要包括鏡像文件的創建和管理、用戶權限的分配以及測試業務流程的管理；平臺運維管理模塊對資源進行監控和分配，主要實現內容監控、告警、運維日志分析和操作審計等。

4.3 虛擬機自動化配置設計

對于數據中心的測試云平臺，最主要的功能需求就是靈活性。一方面是信息系統進行環境模擬時需要多臺虛擬機的快速建立，并在使用完后快速進行資源回收。因此自動化的虛擬機建立和回收就成了區別于實體物理服務器的一大特色，在實現效率和資源分配上要遠遠高于前者。另一方面是虛擬機構建時，能夠根據實際需求選擇多種應用配置。目前電力信息系統數量眾多，因此導致對操作系統、數據庫、中間件等各版本軟件的需求也各有差異。

4.4 測試功能分區

在數據中心仿真云測試平臺上，根據電力信息系統測試需求面向的對象不同，利用平臺資源管理中的虛擬機組模塊，在云平臺上構建基礎應用環境區、建轉運測試區、非功能性測試區、灰度發布測試區, 打造高仿真集成測試環境。基礎應用環境區參照生產環境版本配置統一認證、企業總線等基礎平臺應用；建轉運測試區主要針對系統上線及大版本升級進行測試；非功能性測試區主要針對功能以外的性能、安全、用戶體驗等開展測試；灰度發布測試區則采用灰度發布技術，對應用新版本的功能、性能、穩定性等指標進行評判。測試功能區域結構如圖4所示。

4.5 云管平臺功能驗證

基于所部署的物理環境，搭建OpenStack云仿真平臺。在該平臺上，可以實現虛擬機的快速建立和軟件的自動化安裝，同時部署功能強大的云管理平臺。云平臺可完成包括總覽監控、云資源管理、業務申請與審批、運維審計、用戶權限控制等功能，實現從硬件資源到業務應用的全方位管控。

圖5為基于云管對整個平臺硬件及軟件資源的總覽情況，可以展示云主機數量、CPU使用、內存使用等數據；圖6為預先設置的系統鏡像和系統配置，可根據實際情況自主選擇搭配，實現組裝化的主機建立。

5 結束語

本文通過對仿真云平臺建設的云計算技術和部署實施方案進行研究，提出了適用于電力行業信息系統測試的、可對生產環境高度仿真的應用平臺。根據研究的結果，對于信息系統的測試環節，可采用基于云計算的OpenStack仿真平臺實現功能性和非功能性的完整測試。通過對物理服務器的實施部署和管理層面的功能架構設計，為仿真云平臺的搭建提供了一種明確的指導方向，實現了對電力信息生產系統的高仿真模擬，并能快速簡捷地搭建一套虛擬機環境，為信息系統的測試提供了有力支撐。

[1] CORRADI A, FANELLI M, FOSCHINI L. VM consolidation: a real case based on OpenStack cloud[J]. Future Generation Computer Systems, 2014, 32(1): 118-127.

[2] 陳伯龍, 程志鵬, 張杰. 云計算與OpenStack（虛擬機Nova篇）[M]. 北京: 電子工業出版社, 2013: 1-69.

CHEN B L, CHENG Z P, ZHANG J. Cloud computing and Openstack(SVM Nova version)[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2013: 1-69.

[3] 王霄飛. 基于OpenStack構建私有云平臺[D]. 廣州: 華南理工大學, 2012.

WANG X F. Constructing a private cloud computing platform based on OpenStack[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012.

[4] SEFRAOUI O, AISSAOUI M, ELEULDJ M. OpenStack: toward an open-source solution for cloud computing[J]. International Journal of Computer Applications, 2012, 55(3): 38-42.

[5] 高貴升. 基于OpenStack的計算云的研究與實現[D]. 成都:成都理工大學, 2012.

GAO G S. Research and implementation of cloud computer system based on OpenStack[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology, 2012.

[6] 黃凱, 毛偉杰, 顧駿杰. OpenStack實戰指南[M]. 北京：機械工業出版社, 2015: 1-34.

HUANG K, MAO W J, GU J J. OpenStack in Action [M]. Beijing: China Machine Press, 2015: 1-34.

[7] 李知杰, 趙建飛. OpenStack開源云計算平臺[J]. 軟件導刊, 2012, 11(12): 10-12.

LI Z J, ZHAO J F. Cloud platform of OpenStack[J]. Software Guide, 2012, 11(12): 10-12.

[8] 李小寧, 李磊, 金蓮文, 等. 基于OpenStack構建私有云計算平臺[J]. 電信科學, 2012, 28(9): 1-8.

LI X N, LI L, JIN L W, et al. Constructing a private cloud computing platform based on OpenStack[J]. Telecommunications Science, 2012, 28(9): 1-8.

[9] 熊振華. 基于OpenStack云存儲技術的研究[D]. 吉林: 吉林大學, 2014.

XIONG Z H. The research of cloud storage technology based on OpenStack[D]. Jilin: Jilin University, 2014.

Functional requirements and design of simulation cloud platform for data center

LIU Junwen, XUAN Jiaxing

State Grid Information & Telecommunication Branch, Beijing 100761, China

Electric power information system is related with the safe operation of grid. To ensure the running stability of information system, comprehensive test was needed to conduct before the system is running. Considering actual needs of the power industry at present, it’s necessary to establish independent environment to conduct function of information system and non-functional test so as to achieve effective operation and maintenance of information system, finding loopholes and improving robustness of the system. Based on the analysis of development of cloud data center simulation platform, the research studies construction technology, which applies to the data center cloud platform and puts forward deployment implementation plan targeted to functional requirements of platform. In this way, the guidance role of construction was achieved on the later cloud platform.

electric power information system, system testing, cloud platform

TP399

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017071

2017?01?09；

2017?03?03

劉俊文（1990?），男，國家電網公司信息通信分公司助理工程師，主要研究方向為信息與通信工程。

玄佳興（1990?），男，國家電網公司信息通信分公司助理工程師，主要研究方向為信息與計算機工程。