跨平臺高速公路集群監(jiān)測運(yùn)維平臺的研究與應(yīng)用

劉 彬

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

機(jī)電運(yùn)維是高速公路管養(yǎng)階段最重要的工作之一。高速公路路段中心集中監(jiān)控了全部的機(jī)電系統(tǒng)軟硬件資源。監(jiān)控中心通常采用人工定期查看各個(gè)系統(tǒng)的方式來判斷軟硬件系統(tǒng)的運(yùn)行情況，進(jìn)行日常的運(yùn)維工作。維護(hù)人員需要登錄或者操作的機(jī)電系統(tǒng)多，特別是全國實(shí)行了ETC門架聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)模式后，多采用Linux系統(tǒng)，要求運(yùn)維人員具有較高的Linux系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，并且多數(shù)巡檢需要人工檢查并記錄巡查情況，耗時(shí)長、過程繁雜、效率低。為解決這一問題，通過研究實(shí)時(shí)獲取服務(wù)器參數(shù)信息的技術(shù)，以跨平臺監(jiān)管硬件服務(wù)器為基礎(chǔ)，關(guān)聯(lián)監(jiān)控各軟件系統(tǒng)的運(yùn)行情況，通過數(shù)據(jù)可視化來展示運(yùn)維全周期信息，構(gòu)建分布式部署的集群監(jiān)控管理運(yùn)維服務(wù)，探索高速公路機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維管理新模式。

1 技術(shù)路線

基于核心組件OSHI搭建一套分布式采集數(shù)據(jù)集群化監(jiān)測運(yùn)維平臺。優(yōu)點(diǎn)是Spring Boot框架基于Spring4.0設(shè)計(jì)的Java平臺上的一種開源應(yīng)用框架[1]，可快速跨平臺部署；OSHI組件是一個(gè)基于JNA的本地操作系統(tǒng)和Java的硬件信息庫，可跨平臺查看服務(wù)器信息，相較于其他硬件數(shù)據(jù)收集組件，其不依賴任何額外的本機(jī)庫，真正提供了跨平臺監(jiān)測系統(tǒng)信息的能力；在接口校驗(yàn)上采用了開放的授權(quán)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議OAuth2.0認(rèn)證，允許用戶讓第三方訪問，且無須將用戶名和密碼提供給第三方[2]；在通信過程中采用了HTTPS，是在傳統(tǒng)的HTTP基礎(chǔ)上加入SSL證書，降低交互復(fù)雜性、減少通信過程交互環(huán)節(jié)，支持OAuth2.0認(rèn)證，保證接口的安全調(diào)用，確保數(shù)據(jù)正確發(fā)送，防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被竊取和修改，確保數(shù)據(jù)的完整性[3]；通過分布式網(wǎng)關(guān)將各項(xiàng)資源監(jiān)測指標(biāo)上報(bào)總控平臺，監(jiān)控指標(biāo)包括操作系統(tǒng)、進(jìn)程、內(nèi)存和CPU使用情況、磁盤和分區(qū)、外設(shè)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測各項(xiàng)指標(biāo)。

2 運(yùn)維平臺總體設(shè)計(jì)

高速公路多采用分級控制，機(jī)電系統(tǒng)中軟硬件多采用分布式部署。在路段或區(qū)域中心的總控平臺通過接收各個(gè)服務(wù)器網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)、檢測結(jié)果、硬件狀態(tài)等，包括進(jìn)程監(jiān)控、內(nèi)存使用、硬盤使用、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等，實(shí)現(xiàn)對機(jī)電系統(tǒng)中軟硬件的全程監(jiān)控，以數(shù)據(jù)可視化來監(jiān)測，保證機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。見圖1。

圖1 分布式運(yùn)維網(wǎng)關(guān)集群監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

先將網(wǎng)關(guān)分布式部署在各個(gè)監(jiān)控服務(wù)器，實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)信息，主動推送各項(xiàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)給區(qū)域中心總控平臺，總控平臺可實(shí)時(shí)監(jiān)控到各個(gè)硬件服務(wù)器的指標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對全部管理服務(wù)器資源“集群化”管理。見圖2。

圖2 運(yùn)維網(wǎng)關(guān)技術(shù)架構(gòu)圖

為防止監(jiān)測數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被竊取、改變及惡意的數(shù)據(jù)注入、偽造等。在信令及數(shù)據(jù)流中采用加密認(rèn)證、授權(quán)注入的安全機(jī)制：(1)API接口協(xié)議采用HTTPS，降低交互復(fù)雜性、減少通信過程交互環(huán)節(jié)；(2)支持OAuth2.0授權(quán)認(rèn)證，保證接口安全調(diào)用。在運(yùn)維平臺數(shù)據(jù)信令流中，加密認(rèn)證具備有效期驗(yàn)證，每次網(wǎng)關(guān)上報(bào)數(shù)據(jù)都會對請求參數(shù)進(jìn)行解密驗(yàn)簽。見圖3。

圖3 運(yùn)維平臺數(shù)據(jù)信令流流程圖

2.1 運(yùn)維網(wǎng)關(guān)注冊

網(wǎng)關(guān)注冊到總控平臺后，可按周期定時(shí)向總控平臺發(fā)送心跳數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)來表明服務(wù)器在線，總控平臺可通過心跳模式實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的狀態(tài)檢測。網(wǎng)關(guān)向總控平臺發(fā)送心跳數(shù)據(jù)信令采用HTTPS協(xié)議，總控平臺將發(fā)行一個(gè)有效期短的令牌環(huán)。網(wǎng)關(guān)需攜帶有效的令牌環(huán)進(jìn)行Oauth2.0認(rèn)證，當(dāng)令牌環(huán)失效后網(wǎng)關(guān)設(shè)備需向總控平臺重新發(fā)起令牌環(huán)刷新指令，獲取新的有效令牌環(huán)，在獲取令牌環(huán)過程中數(shù)字簽名需要進(jìn)行國密SM2算法加密[4]。

2.2 運(yùn)維網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)送

網(wǎng)關(guān)通過實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)，主動上報(bào)給總控平臺，上報(bào)的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括：CPU使用情況、內(nèi)存使用情況、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、磁盤分區(qū)及使用情況、待監(jiān)測服務(wù)運(yùn)行情況等。

數(shù)據(jù)上報(bào)過程中采用HTTPS協(xié)議，每次網(wǎng)關(guān)都需要攜帶有效令牌環(huán)，數(shù)據(jù)采用JSON標(biāo)準(zhǔn)化，POST請求實(shí)時(shí)上報(bào)。

2.3 運(yùn)維網(wǎng)關(guān)平臺安全

為防止監(jiān)測數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被竊取、改變及惡意的數(shù)據(jù)注入、偽造等，確保數(shù)據(jù)完整性，在認(rèn)證和授權(quán)過程中采用OAuth2.0授權(quán)機(jī)制來頒發(fā)令牌環(huán)，用OAuth2.0來實(shí)現(xiàn)接口的訪問控制，這樣能夠很好地保證訪問數(shù)據(jù)的安全性。網(wǎng)關(guān)通過令牌環(huán)，去請求上報(bào)數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)申請令牌環(huán)之前，都必須先到總控平臺備案，說明自己的身份，然后會拿到兩個(gè)身份識別碼：網(wǎng)關(guān)編碼和網(wǎng)關(guān)密鑰。這是為了防止令牌環(huán)被濫用，沒有備案過的第三方應(yīng)用拿不到令牌環(huán)。網(wǎng)關(guān)獲取令牌環(huán)以后可向總控平臺注冊、上報(bào)數(shù)據(jù)。每個(gè)接口請求，都必須攜帶有效的令牌環(huán)。具體做法是在請求的頭信息中加上一個(gè)Authorization字段，令牌環(huán)就放在這個(gè)字段里面?zhèn)鬏敗Ａ钆骗h(huán)失效后，網(wǎng)關(guān)需重新申請新的令牌環(huán)，申請時(shí)帶上網(wǎng)關(guān)設(shè)備編號的BASE64值、編碼、初始令牌環(huán)，平臺返回新令牌環(huán)[4]。

數(shù)字簽名算法遵從“私鑰簽名，公鑰驗(yàn)簽”的簽名、驗(yàn)證方式。我們可以把數(shù)字簽名算法近似看成是一種附加了公鑰和私鑰的消息摘要算法。sign 生成方法為：使用總控平臺分配的私鑰對deviceCode=deviceCode&user=user&token= token進(jìn)行國密SM2 算法加密得到，私鑰為線下發(fā)放[4]。SM2橢圓曲線算法，主要用于數(shù)字簽名、數(shù)據(jù)加密、密鑰交換以及身份認(rèn)證等[5]。在令牌環(huán)失效或者網(wǎng)關(guān)重新獲取令牌環(huán)階段，需要根據(jù)注冊信息生成有效SM2加密數(shù)字簽名。

2.4 總控平臺

總控平臺采用數(shù)據(jù)可視化方式實(shí)時(shí)展示監(jiān)測網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)可視化上采用ECharts工具，后臺通過接口實(shí)時(shí)接收到的網(wǎng)關(guān)各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)，對全部監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行批量入庫存儲，同時(shí)通過WebSocket服務(wù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)端主動向?yàn)g覽器推送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，瀏覽器和服務(wù)器只需要完成一次握手，兩者之間就可以直接創(chuàng)建持久性的連接，可持久進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如此設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)后端實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送、瀏覽器實(shí)時(shí)展示，能更好地節(jié)省服務(wù)器資源和帶寬，并且能夠更實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)接收展示，避免監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可視化非實(shí)時(shí)情況。

3 運(yùn)維平臺應(yīng)用

廣西壯族自治區(qū)高速公路發(fā)展中心的全區(qū)視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，在聯(lián)網(wǎng)中心和各個(gè)高速公路路段運(yùn)營公司部署有55臺Linux和windows操作系統(tǒng)的服務(wù)器。通過分布式部署網(wǎng)關(guān)就可實(shí)時(shí)高效地監(jiān)測到全部服務(wù)器和服務(wù)的正常運(yùn)程狀態(tài)，所有硬件設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)至聯(lián)網(wǎng)中心總控平臺，總控平臺通過數(shù)據(jù)可視化的效果展示每一臺設(shè)備的運(yùn)行狀況，可直觀高效管理視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)后臺情況，實(shí)時(shí)掌握運(yùn)行健康度。

4 結(jié)語

本文結(jié)合廣西高速公路機(jī)電系統(tǒng)智慧運(yùn)維的需求，分析了傳統(tǒng)高速公路機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維工作中存在的一些問題，特別是Linux系統(tǒng)的運(yùn)維困難，提出了采用基于OSHI的分布式運(yùn)維網(wǎng)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)海量軟硬件資源的集群化監(jiān)測，大大縮減日常機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維時(shí)間，提升工作效率，解決機(jī)器數(shù)據(jù)的采集、清洗、存儲、搜索、分析、告警、數(shù)據(jù)可視化等需求。