虚拟化在铁路旅客服务信息系统集成管理平台的应用研究

朱建勋，吕晓军，吴兴华，樊 楠

（1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

近年来我国铁路快速发展，铁路旅客服务信息系统集成管理平台（简称：旅服平台）已在全路多数车站上线运行，成为保障车站运行的重要系统。旅服平台包含服务器、存储设备及网络设备等硬件设施。平台的数据库软件、应用服务软件及接口服务软件各自独立运行于规划的物理机设备[1-2]。目前，新建线路旅服平台项目及既有车站旅服平台改造项目逐年增多，旅服平台基础架构无法满足平台快速部署，7×24 h 不间断稳定运行，故障及时处理等需求。虚拟化技术与旅服平台相结合，可对服务器资源进行统筹规划，提高服务器资源利用率，提升基础环境可靠性，实现平台快速部署，保障平台安全、稳定运行。

1 虚拟化

1.1 虚拟化简介

虚拟化是指通过虚拟化技术将一台物理实体机虚拟为多台虚拟机。在一台物理实体机中可以同时运行多台虚拟机，每台虚拟机安装不同的操作系统，运行不同的业务应用，且业务应用分别运行于不同的虚拟机，相互之间独立而互不影响，从而显著提高物理实体机的工作效率[3]。虚拟化技术可利用有限的固定硬件设备，达到其最大利用率。

在虚拟化技术中，根据计算机的不同功能，将虚拟化划分成几种不同的类型，包括系统虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、软件虚拟化等。本文着重介绍系统虚拟化技术在服务器上的应用。

1.2 服务器虚拟化

服务器虚拟化是将物理机硬件资源进行虚拟化。包括虚拟基本输入输出系统、虚拟处理器、虚拟内存、虚拟设备与输入/输出(I/O， Input/Output)等，并保障了虚拟机良好的隔离性、封装性和安全性。如图1 所示，采用服务器虚拟化之前，不同的应用分别运行于不同的物理服务器；采用服务器虚拟化之后，不同的应用可以被同一个物理服务器托管。

图1 服务器虚拟化前后对比

服务器虚拟化技术在应用层和物理设备层之间引入虚拟化层和虚拟化管理层[4]。虚拟化层对物理层服务器CPU、内存、网络、存储等进行资源整合和统筹管理。虚拟化管理层根据业务需求分配CPU、磁盘、网络、内存等，规划不同业务的不同模板，同时创建多个虚拟机，实现平台快速部署。虚拟化管理层实时监控虚拟机运行状态，及时进行调度和控制[5]，通过高可用性（HA，High Available）集群的高可用机制，保障平台的可用性、稳定性及安全性。

1.3 服务器虚拟化关键技术

服务器虚拟化技术包括CPU、内存、设备与I/O虚拟化和虚拟化实时迁移等。CPU 虚拟化技术指将物理CPU 虚拟为多个虚拟CPU，可以实现多台虚拟机共用一个CPU，且相互之间隔离。CPU 虚拟化技术可解决虚拟CPU 隔离和调度等问题，隔离是使不同的虚拟机之间能相互独立运算，调度是指虚拟化管理层决定CPU 当前被哪台虚拟机使用。

内存虚拟化技术是指将物理内存虚拟为多个虚拟内存，可以实现多台虚拟机共用物理内存，且相互之间隔离。虚拟化管理层采用段式、页式、段页式、多级页表、缓存、虚拟内存等多种复杂的技术管理内存。

设备与I/O 虚拟化技术将真实设备虚拟成多个虚拟设备，实现多台虚拟机共用物理设备与I/O。

实时迁移技术是指在虚拟机正常运行中，将整个虚拟机快速、完整地从既有的物理机硬件平台迁移到新的物理机硬件平台，其业务不中断。使用实时迁移技术，可以在业务不宕机的情况下，将虚拟机迁移到另一个物理机上，然后对原来虚拟机所在的物理机进行硬件维护。该技术较好地保障了虚拟机服务7×24 h 不间断运行。

2 旅服平台

旅服平台采用铁路局集团有限公司（简称：铁路局）-车站两级架构[6]，铁路局旅服平台承担所管辖车站的接口处理服务、数据处理服务、应用处理服务、数据存储等功能。车站旅服平台保留业务操作终端、广播子系统控制器、导向子系统控制器、接口服务器等设备[7]。新建线路旅服平台及既有车站旅服平台改造时，数据库处理服务、应用处理服务、数据存储等设备均需根据实际情况做相应扩展。

2.1 传统旅服平台

根据《铁路旅客服务信息系统集成管理平台配置技术条件》[8]，传统铁路局旅服平台基础架构如图2 所示。该基础构架含数据处理模块、管理服务模块、应用处理模块、接口服务模块、网络及存储设备等硬件设施。平台数据库、接口服务、应用服务等软件运行于不同物理服务器，如图3 所示。

2.2 虚拟化旅服平台

本文将虚拟化技术应用于传统铁路局旅服平台，平台的基础架构如图4 所示。

每台物理服务器均部署虚拟化层系统XenServer 6.5，物理服务器通过SAN 交换机与磁盘阵列相连，虚拟化铁路局旅服平台服务器软件结构如图5 所示。

每台物理服务器根据业务实际需求，通过虚拟化管理层划分内存、硬盘、虚拟CPU（vCPU）等资源，同时，创建数据库、铁路运输调度管理系统接口、铁路客票发售和预订系统接口、铁路自动售检票系统接口、身份认证、到发服务、广播服务、导向服务等相应的虚拟机模板，实现平台的快速部署。虚拟机内存、vCPU 及网络资源使用物理机计算资源，其硬盘一般使用磁盘阵列共享资源。每台物理服务器根据自身硬件配置情况，运行适当数量的虚拟机。例如，数据库虚拟机占用内存较多，可自动调配内存较小的虚拟机，与其共用1台物理服务器。虚拟化管理层的合理配置和智能优化，使每台物理服务器利用率显著提高。

虚拟化管理层可在物理服务器出现故障时，通过实时迁移功能，将故障服务器上运行的全部虚拟机自动迁移到其他物理机，业务几乎无中断。同时，可对故障物理服务器进行及时维修。虚拟化管理层通过HA 技术保障旅服平台7×24 h 不间断稳定运行。

图2 传统铁路局旅服平台基础架构

图3 传统铁路局旅服平台服务器软件结构

图4 虚拟化铁路局旅服平台基础结构

3 虚拟化旅服平台的实现和应用

3.1 虚拟化旅服平台的实现

服务器虚拟化技术重新定义和划分CPU、内存、网络及存储等计算资源。本文将其成功运用于铁路局旅服平台，图6 为虚拟化铁路局旅服平台实现情况。

图6 中，左侧列是虚拟化资源池KMZ Pool，由4 台物理服务器组成。图6 中间部分，包含8 列：第1 列Name 字段，显示服务器中分别运行的不同业务虚拟机；第2 列CPU Usage （CPU 使用率）字段，显示物理服务器及虚拟机CPU 使用率，其使用率均低于10%；第3 列Used Memory（内存使用率）字段，包含物理服务器和虚拟机的内存使用率；第4、5、6 列均为磁盘网络情况；第7 列Uptime 字段，为物理服务器与虚拟机本次开机后的运行时间，其中，大部分物理服务器已连续稳定运行300 天以上，虚拟机连续运行40 天以上；第8 列HA 字段，为虚拟化集群配置，一旦物理服务器发生故障，虚拟化管理层会自动迁移虚拟机到其他正常物理服务器继续运行。

目前，已经在郑州局、昆明局、呼和局、太原站、武昌站等铁路局及车站上线使用Citrix 版本的虚拟化旅服平台，南昌局、广州局上线使用Vmware 版本的虚拟化旅服平台。通过虚拟化管理层实时监控物理服务器及虚拟机运行状态，保障平台7×24 h 不间断、安全、稳定运行。

图5 虚拟化铁路局旅服平台服务器软件结构

图6 铁路局旅服平台虚拟化实现

3.2 虚拟化旅服平台应用情况

传统铁路局旅服平台使用物理服务器的数量在10 台左右，每台服务器CPU 使用率小于12%，硬盘和内存使用率小于10%。磁盘阵列只为2 台数据库集群提供数据存储，使用率小于20%。

而应用虚拟化铁路局旅服平台后，使用物理服务器的数量为4 台，每台服务器CPU 使用率小于30%，硬盘使用率小于5%，内存使用率小于40%。磁盘阵列为4 台物理服务器提供数据存储，使用率为80%左右。

综上，虚拟化铁路局旅服平台需要物理服务器数量明显减少，物理服务器CPU、内存、网络等资源使用率和磁盘阵列占用率都得到了显著提高。

4 结束语

虚拟化技术在旅服平台的应用，可实现平台的快速部署，提高物理服务器使用率，缩短平台故障处理时间且满足平台扩展需求，保障平台7×24 h 不间断、安全、稳定运行。

此外，磁盘阵列包含所有数据处理服务、到发服务、导向服务、广播服务等虚拟机硬盘资源，且占用率较高。将来车站线路增多时，磁盘阵列的需求量将会迅速扩大，扩容难度及耗资较大。下一步将着重研究Docker 在旅服平台中的应用，在保障后台服务冗余的同时，节省磁盘阵列资源空间，保障旅服平台高效、稳定运行。