用虚拟技术构建机场行李处理系统数据中心

昆明船舶设备集团有限公司 / 曾学

用虚拟技术构建机场行李处理系统数据中心

昆明船舶设备集团有限公司 / 曾学

随着国内机场基础设施建设的推进、旅客流量的增加，机场行李处理系统基本按照“峰值”流量设计，以致在系统建设初期出现了IT资源闲置的状况，造成极大的资金浪费。本文通过虚拟化技术的使用，使得系统在建设时可以满足初期的使用要求，系统的可扩展性能够满足行李处理系统达到“峰值”流量时对数据中心的能力要求，并保证了行李处理IT系统运行时的高度可靠性以及在硬件扩展和软件升级时业务的持续性，由此给机场的日常运营带来了成本的节省和效率的提升。

虚拟技术、机场行李处理系统、数据中心、冷备系统

按照国家“十三五”规划，到2020年，全国运输机场总数将达到260个以上，100公里范围内覆盖全国91%的人口，并建成20个以上的大型机场为核心的综合交通枢纽。届时，全国居民的年均乘机次数有望从目前的0.3次增长为0.5次；出入境人次达到7.5亿，其中航空出行人次在1.5亿以上。

如此庞大规模的出行需求对机场三大系统（离港系统、航班信息系统、行李处理系统）之一的行李处理系统提出了更高的要求，诸如行李再确认系统、设备管理系统、备件仓库管理系统、维护信息系统等多个系统将被应用到行李处理系统中，用于支撑行李系统的稳定、高效运行，随之带来的是软硬件的不断投入、运营费用的不断增加以及能耗的不断增长。以一台PC服务器350w的功率来计算，每增加一台服务器，260个机场一年将多消耗掉797160度电。如果把为该服务器提供电源的UPS的耗电计算在内，这个数字将超过80万度。另一方面，行李系统的设计都按照行李流量的“峰值”数据设计，在达到设计时划定的这个“峰值”之前，服务器的资源出现闲置，因此带来巨大的资源和资金的浪费。如何构建一个绿色环保的行李处理系统数据中心，已成为行李系统建设中的新课题。

一、虚拟化技术分析

虚拟化技术产生于20世纪60年代，最早应用于IBM大型机硬件的分区。虚拟化是指通过向资源使用者屏蔽这些资源的物理性质和边界的方式将IT资源进行整合。简单地理解，虚拟化就是对各类计算机资源进行逻辑抽象、分配、管理的过程。

经过多年的发展，虚拟化技术日趋成熟，数据中心通过使用虚拟化，可以将各类计算机资源有机整合，集中管理，提高资源利用率，进而减少企业的采购成本、电力成本、制冷成本和管理成本，当然也就为建设绿色数据中心打开了一条重要的技术通道。

虚拟化改变了传统计算机的资源应用模式，将应用在虚拟机上，操作系统无法分辨虚拟机与物理机之间的差异，应用程序和网络中的其他计算机也无法分辨，即使是虚拟机本身也认为自己是一台“真正的”计算机。只不过虚拟机完全由软件组成，不含任何硬件组件。虚拟机结构如图1。

虚拟机有如下特性：

1.兼容性：虚拟机与所有标准的x86操作系统、应用程序和设备驱动程序完全兼容。因此，可以使用虚拟机来运行在 x86 物理计算机上运行的所有相同软件。

2.隔离：虽然多个虚拟机可以共享一台计算机的物理资源，但它们彼此之间保持完全隔离状态，就像它们是不同的物理计算机一样。

3.封装：虚拟机实质上是一个软件容器，它将一整套虚拟硬件资源与操作系统及其所有应用程序捆绑或“封装”在一个软件包内，每个虚拟机拥有独立的虚拟硬件（CPU、内存、硬盘和外设）和虚拟执行环境。封装特性使虚拟机具备良好的可移动性并且易于管理。

4.独立于硬件：虚拟机完全独立于其底层物理硬件，可将一个物理服务器虚拟化成多个虚拟机，而且各个虚拟机可以运行不同类型的操作系统（Windows、Unix等）。

>> 图1 虚拟机结构图

>> 图2 裸金属架构的行李处理IT系统

二、基于裸金属构架的生产运营系统

我们可以直接在硬件上面安装虚拟化软件，再在软件上安装操作系统，依赖虚拟层内核和服务器控制台进行管理，这种虚拟化技术的构架被称作裸金属架构，如图2。其优点是：虚拟机不依赖于操作系统，可以支持多种操作系统，应用起来更加灵活。目前基于裸金属架构主流的虚拟化软件有VMWare ESX Server等。

如图2，运用裸金属构架建设行李系统的数据中心，行李分拣计算机系统SAC、数据采集与设备监控SCADA、行李再确认系统BRS、设备管理系统EMS、数据库系统Oracle等多个系统都运行在一个物理服务器上，可以明显降低系统运行成本、提升设备利用率。它们之间的任何一个系统所运行的虚拟机出了问题，都不会影响其它虚拟机运行。但是，如果这个物理服务器的硬件出了问题，那么行李处理计算机系统就彻底瘫痪了，这显然是系统构架的大忌。

为了保证行李系统的持续运行，我们需要使用虚拟化软件的另外一个功能——动态迁移。通常情况下，一个物理服务器上运行着一个或多个虚拟机，当物理服务器出现故障或需要维护时，虚拟化软件的动态迁移机制能将虚拟机迁移至其他的物理服务器上，以此保障业务应用的连续性。虚拟化技术构建的应用集群如图3。

反思性教学指教学主体借助行动研究，不断探究与解决自身和教学目的，以及教学工具等方面的问题，将“学会教学（learning how to teach）”与“学会学习（learning how to learn）”结合起来，努力提升教学实践的合理性，使自己成为学者型教师的过程[1]。理查德在其《第二语言课堂的反思性教学》一书中将反思性教学定义为：反思性教学是教师发展的一个技巧。教师通过对自己的课堂教学提问进行反思，教师收集教学的数据，审视自己的态度、观点和教学实践，以这些信息为基础进行批判性反思[2]。

实现虚拟机的动态迁移有如下前提：

1.源物理服务器和目标服务器CPU是同一厂家，因为同一厂家的CPU指令集相同，这样才能保证迁移后的虚拟机能接着执行源虚拟机的CPU指令。

2.源服务器和目标服务器在同一二层网络内，若在二层以上的网络，虚拟化软件很难修改DNS服务器上的网络配置来对客户端的访问路径做出变更，很难实现动态迁移。在同一二层网络内，仅需使用反地址解析协议就能实现网络地址重定向，让所有连接指向迁移后的虚拟机。

3.源服务器和目标服务器使用同一个磁盘阵列，迁移的时候无需移动虚拟机文件。

在动态迁移的过程中，虚拟化软件完成了文件系统迁移、内存迁移、I/O重定向（网络地址的重定向）、将系统恢复到在线状态等，因此避免了“将所有鸡蛋放在一个篮子里”问题。在线迁移带来的优势如下：

如果源物理机器需要进行更新、更改或重新启动，则可以通过动态迁移将虚拟机移动到群集中的其他物理服务器上。当源物理服务器恢复后再将虚拟机移回源服务器。

如果运行虚拟机的物理服务器发生故障（比如主板故障）或性能严重下降，则群集中的其他成员将接收该虚拟机的所有权并自动将其恢复到在线状态。

如果虚拟机出现故障，可以在同一台服务器重新启动，或者移动到另一台目标服务器，如图4。通过虚拟软件自动检测和自动恢复功能，停机时间得以降至最低。

若需将新的系统部署至行李系统中或需要增加新的物理服务器时，则无需对现在运行的系统和硬件作出任何变更，保证了业务运行的持续性。部署新系统如图5，增加新服务器如图6。

>> 图3 虚拟化技术构建的应用集群

>> 图4 服务器的维护

三、基于寄生架构的冷备系统

若在操作系统之上安装和运行虚拟化软件，对资源的管理依赖于主机操作系统对设备的支持和物理资源的管理，这种虚拟化技术的架构被称作寄生架构。其优点是简单、便于实现，缺点是安装和运行应用程序依赖于主机操作系统对设备的支持，一旦主机操作系统受到攻击，该主机上所寄生的虚拟机都将面临威胁。

由于机场行李系统是365×24小时运行的系统，不允许有服务中断。在裸金属架构中，一旦磁盘阵列出现宕机，那么整个行李系统也将面临瘫痪的风险，因此，行李处理IT系统还需要另外一种备份系统——冷备份系统。

通常情况下冷备份系统只需备份行李系统的核心系统SAC、SCADA以及数据库系统即可。在生产运营服务器遭受严重破坏或者磁盘阵列宕机的时候，可以手动启用冷备系统来接替生产系统用于快速恢复作业。寄生架构的冷备系统主要优点是：多个系统的虚拟机共用一个物理服务器，尽量减少资源的浪费。在正常情况下冷备份虚拟机不启动，我们可以将此服务器用作部门OA的文件共享服务器等。这种构架的冷备份系统进一步增强了行李系统的可靠性，又不会使服务器出现闲置。寄生架构的冷备系统如图7。

>> 图5 集群中部署新系统

>> 图6 集群中增加新的服务器

四、传统构架与虚拟化

行李系统数据中心的传统构架如图8。按照功能划分的需要，我们需要购置10台HP DL380服务器和一套磁盘阵列。同时，在项目建设初期，由于客流量/行李量还未达到设计的“峰值”，因此带来了大量资源的闲置。

行李系统数据中心虚拟化后，我们采用3台高配置的HP DL580和一套磁盘阵列来构建，如图9，保证服务器的处理能力能满足系统建成初期的需求；交换机端口、存储区域网SAN端口、磁盘阵列的插槽、机房空间留有余量，保证数据中心的可扩展性，满足行李量到达“峰值”时对数据中心的要求。这种架构能有效节省投资，减少成本。

从传统的行李系统数据中心物理拓扑和虚拟化的拓扑中，我们可以看出虚拟化技术给机场运营管理带来的主要优势如下：

1.提升利用率。通过资源整合与调度，大大提高了行李系统IT基础设施的资源利用率。

2.整合资源。服务器整合会减少服务器数量，缩减机房的规模，节能减排，降低成本，减少维护压力。

3.快速部署。大大提高对新上线系统的部署速度。

4.简化运维。加强保障，业务持续性增强，运维工作量减少。

>> 图7 寄生构架的冷备系统

>> 图8 传统的行李系统数据中心的物理拓扑

>> 图9 虚拟化后行李系统数据中心的物理拓扑

5.动态扩展。在目前的服务器性能不足以支撑业务运行的时候，可以根据需要动态扩展物理服务器，并实现不间断的硬件扩展和业务升级。

随着节能环保政策的深入推进，以及国家在“十三五”期间持续对机场建设投入的增加，虚拟化技术在航空领域特别是机场行李处理系统数据中心的应用将会得到更大的推广和普及。