數(shù)據(jù)中心仿真云平臺的功能需求與設(shè)計

數(shù)據(jù)中心仿真云平臺的功能需求與設(shè)計劉俊文;玄佳興【摘要】Electricpowerinformationsystemisrelatedwiththesafeoperationofgrid.Toensuretherunningstabilityofinformationsystem,comprehensivetestwasneededtoconductbeforethesystemisrunning.Consideringactualneedsofthepowerindustryatpresent,it'snecessarytoestablishindependentenvironmenttoconductfunctionofinformationsystemandnon-functionaltestsoastoachieveeffectiveoperationandmaintenanceofinformationsystem,findingloopholesandimprovingrobustnessofthesystem.Basedontheanalysisofdevelopmentofclouddatacentersimulationplatform,theresearchstudiesconstructiontechnology,whichappliestothedatacentercloudplatformandputsforwarddeploymentimplementationplantargetedtofunctionalrequirementsofplatform.Inthisway,theguidanceroleofconstructionwasachievedonthelatercloudplatform.%電力信息系統(tǒng)關(guān)系著整個電網(wǎng)的安全運(yùn)行，為保證信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行，需要在系統(tǒng)上線前進(jìn)行全面測試.考慮到電力行業(yè)目前的實(shí)際需求，為實(shí)現(xiàn)對信息系統(tǒng)的有效運(yùn)維,有必要建立獨(dú)立環(huán)境進(jìn)行信息系統(tǒng)的功能和非功能性測試以及時發(fā)現(xiàn)漏洞、提高系統(tǒng)頑健性.通過對數(shù)據(jù)中心仿真云平臺的開發(fā)進(jìn)行分析，研究適用于數(shù)據(jù)中心測試云平臺的構(gòu)建技術(shù)，并針對平臺中的功能需求提出部署實(shí)施方案，以實(shí)現(xiàn)對后期測試平臺建設(shè)的指導(dǎo)作用.【期刊名稱】《電信科學(xué)》【年(卷)，期】2017(033)005【總頁數(shù)】7頁(P176-182)【關(guān)鍵詞】電力信息系統(tǒng);系統(tǒng)測試;云平臺【作者】劉俊文;玄佳興【作者單位】國家電網(wǎng)公司信息通信分公司，北京100761;國家電網(wǎng)公司信息通信分公司，北京100761【正文語種】中文【中圖分類】TP399隨著電力信息系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各項業(yè)務(wù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)越來越依賴于信息化，在方便使用的同時也給信息運(yùn)行維護(hù)工作帶來了更大的壓力。為保證電力行業(yè)中信息系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，信息系統(tǒng)均需要進(jìn)行上線前的測試，以便衡量系統(tǒng)軟件代碼質(zhì)量和應(yīng)用層軟件質(zhì)量。根據(jù)電力行業(yè)目前關(guān)于信息系統(tǒng)測試的情況，采用方式多為利用物理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)部署，搭建常規(guī)的底層環(huán)境。在規(guī)模和性能上，所用環(huán)境與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境均存在差異，針對運(yùn)行環(huán)節(jié)的測試存在一定空白。電力行業(yè)的特殊性對系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性提出了更高的要求。因此，針對目前測試狀況，電力行業(yè)中有需求建立自己的集成仿真測試平臺，對運(yùn)維管轄的信息系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)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(tǒng)集成仿真測試能力，完善電力行業(yè)的信息通信專業(yè)測試體系。通過對測試平臺技術(shù)的研究，提出滿足數(shù)據(jù)中心對高仿真測試環(huán)境要求的平臺建設(shè)方案。針對電力信息系統(tǒng)測試對基礎(chǔ)環(huán)境的新需求，利用云計算技術(shù)構(gòu)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(jìn)行數(shù)據(jù)中心一體化的自有系統(tǒng)測試仿真平臺設(shè)計，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)高仿真環(huán)境的快速部署能力，為后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)和管理功能的指導(dǎo)方向。云計算作為新興技術(shù)，是基于互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源［1］。面對目前物理資源利用率不足、系統(tǒng)部署復(fù)雜、建立和回收不便等問題，云平臺的出現(xiàn)提供了一種很好的解決方法。它屏蔽了底層物理服務(wù)器的差異，進(jìn)行統(tǒng)一整合并通過標(biāo)準(zhǔn)接口向夕卜提供服務(wù)。國內(nèi)眾多行業(yè)，包括移動運(yùn)營商、金融、政務(wù)，均已在信息化建設(shè)中采用了云計算戰(zhàn)略［2］。世界財富100強(qiáng)中超過一半在用OpenStack,OpenStack在生產(chǎn)系統(tǒng)的部署比例高達(dá)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(nèi)如銀聯(lián)、聯(lián)想、各大電信運(yùn)營商等都采用了OpenStack部署自己的私有云。這些實(shí)際案例為電力行業(yè)的未來應(yīng)用提供了充足的依據(jù)。經(jīng)調(diào)研，電網(wǎng)目前多數(shù)信息系統(tǒng)測試均直接使用硬件服務(wù)器，這種方法一方面需耗費(fèi)大量時間進(jìn)行資源的分配與回收以及依賴環(huán)境的安裝部署，導(dǎo)致資源利用率極低;另一方面難以模擬真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，如內(nèi)外網(wǎng)隔離、流量突發(fā)性等狀況。本文從電力行業(yè)測試需求出發(fā)，采用云計算建設(shè)仿真測試平臺，利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(fā)實(shí)現(xiàn)快速部署能力，具備極好的靈活性和可擴(kuò)展性。此外，軟硬件層面的配置能夠盡可能真實(shí)地模擬實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，使得測試結(jié)果具備實(shí)際意義。私有云還有高安全性和高可控性，能夠?qū)崟r監(jiān)控資源占用情況［3］。因此，建設(shè)仿真云測試平臺，具備功能完整性和技術(shù)可行性。3.1OpenStack簡介OpenStack是一個由NASA（NationalAeronauticsandSpaceAdministration，美國國家航空航天局）和Rackspace合作研發(fā)并發(fā)起的，由Apache許可證授權(quán)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(shè)與管理提供軟件的開源項目［4］。目前，OpenStack社區(qū)擁有超過130家企業(yè)及1300多位開發(fā)者，為OpenStack的后續(xù)研發(fā)和發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。作為開源軟件，OpenStack采用開放式的設(shè)計理念、開發(fā)模式、社區(qū)，多個組件一起協(xié)助完成具體工作。不同廠商會基于開放性的源代碼開發(fā)自己的優(yōu)化產(chǎn)品，所以O(shè)penStack的發(fā)展具備多樣化，有交攵避免了廠商鎖定［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(jìn)行交互通信。它的最大優(yōu)點(diǎn)是高度靈活性，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行自由組裝，輕松擴(kuò)展和構(gòu)建自己的基礎(chǔ)設(shè)施集群，實(shí)現(xiàn)最合理化的應(yīng)用。OpenStack覆蓋了網(wǎng)絡(luò)、虛擬化、操作系統(tǒng)、服務(wù)器等各個方面。核心服務(wù)模塊包括計算服務(wù)（nova）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（neutron）、塊存儲（cinder）、鏡像服務(wù)（glance）、認(rèn)證服務(wù)（keystone）、對象存儲（swift）［7,8］。其中，Nova是虛擬服務(wù)器部署和業(yè)務(wù)計算模塊，是最核心的部分。基礎(chǔ)項目間的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。3.2OpenStack技術(shù)優(yōu)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(shè)計能把遺留的和第三方的技術(shù)進(jìn)行集成，從而滿足自身業(yè)務(wù)需要。（2）靈活性用戶可以根據(jù)自己的需要建立基礎(chǔ)設(shè)施，也可以輕松地為自己的集群增加規(guī)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(jìn)行組裝。因此在部署過程中，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需求選擇特定的模塊進(jìn)行靈活的組合化安裝，不會導(dǎo)致臃腫的系統(tǒng)。（3）可擴(kuò)展性一方面自身的功能模塊可以在后續(xù)使用中按需進(jìn)行添加；另一方面基于開源的代碼可以進(jìn)行特定的功能修改和開發(fā)，為平臺的使用帶來更大的可變權(quán)限。（4）高可靠性當(dāng)出現(xiàn)計算節(jié)點(diǎn)、存儲節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障時，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的熱遷移，保障系統(tǒng)業(yè)務(wù)的高可用性，并支持計算節(jié)點(diǎn)、存儲節(jié)點(diǎn)的水平熱擴(kuò)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(fèi)。即使各公司對原生態(tài)OpenStack進(jìn)行修改和完善會付出一定成本，但對于用戶來講，最終的實(shí)施成本也是最低的。（6）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在私有云技術(shù)的發(fā)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(shù)的發(fā)展和使用進(jìn)行了規(guī)劃和推廣。4.1物理環(huán)境設(shè)計根據(jù)某公司數(shù)據(jù)中心目前可用物理設(shè)備建立一個小型的仿真云平臺進(jìn)行測試驗證，適用設(shè)備包括1臺隔離裝置、1臺內(nèi)網(wǎng)交換機(jī)、1臺外網(wǎng)交換機(jī)、2臺光纖交換機(jī)、8臺4路服務(wù)器、10臺8路服務(wù)器和1臺SAN存儲設(shè)備、1臺入侵防御設(shè)備?；谶@些物理設(shè)備，并嚴(yán)格按照電力行業(yè)中內(nèi)外隔離、雙網(wǎng)雙機(jī)的原則進(jìn)行真實(shí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的模擬，利用隔離裝置和內(nèi)外網(wǎng)核心交換機(jī)完成內(nèi)外網(wǎng)區(qū)域的劃分。本文提出仿真云測試平臺實(shí)施設(shè)計示意如圖2所示。根據(jù)云平臺的設(shè)計框架，整體架構(gòu)可分為網(wǎng)絡(luò)部分、服務(wù)器使用部分和存儲集群部分。具體如下。（1）網(wǎng)絡(luò)對于劃分的內(nèi)外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為1臺交換機(jī)，該設(shè)備可為云平臺提供吉比特和萬兆網(wǎng)絡(luò)支持。其中，云平臺上每臺服務(wù)器都需要雙吉比特、雙萬兆口；吉比特口分別用于管理網(wǎng)和控制網(wǎng)；計算節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)的萬兆口分別用于數(shù)據(jù)網(wǎng)和存儲網(wǎng)，存儲節(jié)點(diǎn)的萬兆分別用于存儲網(wǎng)和內(nèi)部同步網(wǎng)。服務(wù)器使用本次用于云平臺搭建的8臺4路與10臺8路服務(wù)器中，選擇2臺8路服務(wù)器與3臺4路服務(wù)器用于模擬外網(wǎng)環(huán)境，其余服務(wù)器用于模擬內(nèi)網(wǎng)環(huán)境。其中，內(nèi)網(wǎng)控制集群、存儲集群和網(wǎng)關(guān)集群統(tǒng)一部署，共用3臺4路服務(wù)器，集中管控云平臺運(yùn)行、完成內(nèi)部設(shè)備通信及磁盤存儲，同時整合存儲構(gòu)建異構(gòu)的分布式存儲集群。選擇2臺4路服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲。選擇8臺8路服務(wù)器搭建云平臺計算集群，充分利用8路服務(wù)器的密集計算優(yōu)勢。存儲集群考慮到專業(yè)存儲性能的優(yōu)勢利用，規(guī)劃使用3臺服務(wù)器、2臺光纖交換機(jī)和1臺存儲設(shè)備，統(tǒng)一整合為異構(gòu)分布式存儲集群系統(tǒng)，最大限度利用現(xiàn)有設(shè)備滿足項目要求。計算平臺的規(guī)模體現(xiàn)本次測試平臺的承載能力，將10臺設(shè)備做統(tǒng)一管理整合后，可以有效利用服務(wù)器資源，提高設(shè)備利用率，減少碎片資源。通過OpenStack虛擬化技術(shù)的共享與分時復(fù)用技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對CPU及內(nèi)存的虛擬擴(kuò)展，進(jìn)一步提高服務(wù)器的利用率。云計算平臺資源擴(kuò)展能力見表1。4.2管理功能架構(gòu)設(shè)計從管理與運(yùn)維的層面，本文設(shè)計云平臺的功能架構(gòu)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(yùn)維管理兩部分：平臺資源管理模塊對云平臺的資源進(jìn)行統(tǒng)計和管理，主要包括鏡像文件的創(chuàng)建和管理、用戶權(quán)限的分配以及測試業(yè)務(wù)流程的管理；平臺運(yùn)維管理模塊對資源進(jìn)行監(jiān)控和分配，主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容監(jiān)控、告警、運(yùn)維日志分析和操作審計等。4.3虛擬機(jī)自動化配置設(shè)計對于數(shù)據(jù)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(tǒng)進(jìn)行環(huán)境模擬時需要多臺虛擬機(jī)的快速建立，并在使用完后快速進(jìn)行資源回收。因此自動化的虛擬機(jī)建立和回收就成了區(qū)別于實(shí)體物理服務(wù)器的一大特色，在實(shí)現(xiàn)效率和資源分配上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。另一方面是虛擬機(jī)構(gòu)建時，能夠根據(jù)實(shí)際需求選擇多種應(yīng)用配置。目前電力信息系統(tǒng)數(shù)量眾多，因此導(dǎo)致對操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、中間件等各版本軟件的需求也各有差異。為了能在后續(xù)的云平臺上輕松創(chuàng)建，本文設(shè)計開發(fā)一種虛擬機(jī)自動化配置功能，采用腳本模式將各應(yīng)用的安裝步驟寫入模板，形成一鍵式安裝。這樣可以在虛擬機(jī)啟動時手動選擇需使用的應(yīng)用軟件即可，余下的工作由自動化模式安裝，不需要再進(jìn)行其他操作就能獲得一個裝有軟件的虛擬機(jī)，減少了運(yùn)維工作量，并顯著降低人為操作錯誤概率。對于常用的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)，可以生成已集成各種應(yīng)用軟件的鏡像，進(jìn)一步簡化了虛擬機(jī)建立時的軟件安裝過程。4.4測試功能分區(qū)在數(shù)據(jù)中心仿真云測試平臺上，根據(jù)電力信息系統(tǒng)測試需求面向的對象不同，利用平臺資源管理中的虛擬機(jī)組模塊，在云平臺上構(gòu)建基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境區(qū)、建轉(zhuǎn)運(yùn)測試區(qū)、非功能性測試區(qū)、灰度發(fā)布測試區(qū),打造高仿真集成測試環(huán)境?；A(chǔ)應(yīng)用環(huán)境區(qū)參照生產(chǎn)環(huán)境版本配置統(tǒng)一認(rèn)證、企業(yè)總線等基礎(chǔ)平臺應(yīng)用；建轉(zhuǎn)運(yùn)測試區(qū)主要針對系統(tǒng)上線及大版本升級進(jìn)行測試；非功能性測試區(qū)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(fā)布測試區(qū)則采用灰度發(fā)布技術(shù)，對應(yīng)用新版本的功能、性能、穩(wěn)定性等指標(biāo)進(jìn)行評判。測試功能區(qū)域結(jié)構(gòu)如圖4所示。4.5云管平臺功能驗證基于所部署的物理環(huán)境，搭建OpenStack云仿真平臺。在該平臺上，可以實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的快速建立和軟件的自動化安裝，同時部署功能強(qiáng)大的云管理平臺。云平臺可完成包括總覽監(jiān)控、云資源管理、業(yè)務(wù)申請與審批、運(yùn)維審計、用戶權(quán)限控制等功能，實(shí)現(xiàn)從硬件資源到業(yè)務(wù)應(yīng)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(jī)數(shù)量、CPU使用、內(nèi)存使用等數(shù)據(jù)；圖6為預(yù)先設(shè)置的系統(tǒng)鏡像和系統(tǒng)配置，可根據(jù)實(shí)際情況自主選擇搭配，實(shí)現(xiàn)組裝化的主機(jī)建立。本文通過對仿真云平臺建設(shè)的云計算技術(shù)和部署實(shí)施方案進(jìn)行研究，提出了適用于電力行業(yè)信息系統(tǒng)測試的、可對生產(chǎn)環(huán)境高度仿真的應(yīng)用平臺。根據(jù)研究的結(jié)果，對于信息系統(tǒng)的測試環(huán)節(jié)，可采用基于云計算的OpenStack仿真平臺實(shí)現(xiàn)功能性和非功能性的完整測試。通過對物理服務(wù)器的實(shí)施部署和管理層面的功能架構(gòu)設(shè)計，為仿真云平臺的搭建提供了一種明確的指導(dǎo)方向，實(shí)現(xiàn)了對電力信息生產(chǎn)系統(tǒng)的高仿真模擬，并能快速簡捷地搭建一套虛擬機(jī)環(huán)境，為信息系統(tǒng)的測試提供了有力支撐。CORRADIA,FANELLIM,FOSCHINIL.VMconsolidation:arealcasebasedonOpenStackcloud[J].FutureGenerationComputerSystems,2014,32(1):118-127.陳伯龍,程志鵬,張杰.云計算與OpenStack(虛擬機(jī)Nova篇)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013:1-69.CHENBL,CHENGZP,ZHANGJ.CloudcomputingandOpenstack(SVMNovaversion)[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2013:1-69.王霄飛.基于OpenStack構(gòu)建私有云平臺[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.WANGXF.ConstructingaprivatecloudcomputingplatformbasedonOpenStack[D].Guangzhou:SouthChinaUniversityofTechnology,2012.SEFRAOUIO,AISSAOUIM,ELEULDJM.OpenStack:towardanopensourcesolutionforcloudcomputing[J].InternationalJournalofComputerApplications,2012,55(3):38-42.高貴升.基于OpenStack的計算云的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都:成都理工大學(xué)，2012.GAOGS.ResearchandimplementationofcloudcomputersystembasedonOpenStack[D].Ch