云計算在水利部電子政務系統中的應用實踐

陳真玄 ，丁 寧 ，范宇楠

（1. 水利部水利信息中心，北京 100053；2. 北京金水信息技術發展有限公司，北京 100053）

0 引言

隨著水利信息化的快速發展，水利業務應用系統的建設大規模開展，大大提升了水利業務應用的信息化管理水平。然而，隨著水利應用種類的逐步增多、應用系統規模的逐漸增大，從系統建設的角度看，需要頻繁地購置更多數量和更高性能的服務器資源。但是，硬件性能的更新和購置成本的提升，與中央推行的厲行節約的政策相違背；同時，軟硬件資源的快速增長與技術支撐能力之間也存在嚴重的矛盾。在這種背景下，水利信息化建設積極引入云計算概念，將云計算技術與水利部電子政務系統結合，通過云計算將計算資源進行整合，各業務應用部門只需申請計算資源便可直接使用，這樣可以節約大量的購置成本，并且有效降低系統維護的負擔，能夠更好地適應水利信息化高速發展的需要。這正是當今云計算實現的重要目標之一。

1 云計算概述

1.1 云計算的定義

2006年8月9日，Google 首席執行官埃里克?施密特在搜索引擎大會（SES San Jose 2006）首次提出“云計算”的概念[1]。云計算這個概念的直接起源是亞馬遜 EC2（Elastic Compute Cloud 的縮寫）產品和Google-IBM 分布式計算項目，這 2 個項目直接使用到了“Cloud Computing”這個概念[2]。

但是到目前為止，云計算還沒有一個統一的定義，各個廠商和研究機構，都對云計算給出了自己的定義。維基百科對云計算的定義為，云計算將 IT相關的能力以服務的方式提供給用戶，允許用戶在不了解提供服務的技術、沒有相關知識及設備操作能力的情況下，通過 Internet 獲取需要服務；中國云計算網將云定義為，云計算是分布式、并行和網格計算的發展，或者說是這些科學概念的商業實現；Forrester Research 的分析師 James Staten 定義云為“云計算是一個具備高度擴展性和管理性并能夠勝任終端用戶應用軟件計算基礎架構的系統池”[3]。

結合上述定義，可以總結出云計算的一些本質特征，即隨需應變自助服務、多人共享資源池、高擴展性、用戶友好性、良好的管理性。云計算技術具有以下特點：

1）用冗余方式提供可靠性。云計算系統由大量物理服務器資源組成集群，通過云計算平臺統一向用戶提供數據處理服務。單臺物理服務器的故障不會影響到業務應用，云計算平臺可實現虛擬機的平滑遷移、無縫切換，大大減少硬件問題導致的單點故障。

2）資源快速彈性擴展?？筛鶕枰獙崿F資源池的快速動態擴充及虛擬機物理資源的彈性靈活調整。

3）應用快速部署?？赏ㄟ^預先定制操作系統模板，實現業務應用的快速部署。

4）經濟性好。組建一個云計算平臺相對于購置同樣數量同等性能的服務器花費的資金要少很多，同時可以大大降低功耗，降低用戶的成本，提高資源利用率。

5）服務可計量。云計算系統對服務類型通過計量的方法自動控制和優化資源使用。資源的使用可被監測、控制，可對供應商和用戶提供透明的報告。

1.2 云計算的服務模式 [4]

一般認為，云計算的服務模式有 3 類：“基礎設施即服務（IaaS）”，“軟件即服務（SaaS）”，“平臺即服務（PaaS）”。

IaaS 是指云計算服務商提供虛擬的硬件資源，如虛擬的計算、存儲、網絡等資源，用戶無需購買服務器、網絡和存儲設備，通過網絡租賃即可搭建自己的應用系統。IaaS 向用戶提供可快速部署、按需分配、按需計費的高安全可靠的計算及存儲能力的租用服務，并提供開放的云基礎設施服務接口，用戶可以根據業務需求定制租用相應的基礎設施資源。

SaaS 是指用戶通過標準的 Web 瀏覽器使用Internet 上的軟件，前期無需在服務器或軟件許可證授權上進行投資；與常規的軟件服務模式相比，供應商維護應用軟件的成本要相對低廉。供應商通常按客戶租用的軟件模塊進行計費，用戶可以按需訂購軟件應用服務，系統的部署、升級和維護由供應商負責。

PaaS 是指云計算服務商提供應用服務引擎，用戶基于服務引擎構建服務。PaaS 是基于 SaaS 發展起來的，將軟件研發的平臺作為一種服務，以 SaaS 的模式提交給用戶，可以加快 SaaS 的發展和應用開發速度。用戶無需自行建立開發平臺，在不同平臺兼容性方面不會遇到困擾；供應商可以對產品實現多元化和定制。

無論是 Iaas，Paas，還是 SaaS，核心概念都是為用戶提供按需服務，于是產生了“一切皆服務”（EaaS 或 XaaS）的理念?；谶@種理念，以云計算為核心的創新型應用不斷產生。云計算與水利部電子政務系統的結合就是典型的應用之一。

2 水利部電子政務云計算應用背景

2.1 水利部電子政務信息化現狀及問題

目前，水利部電子政務信息化雖然作用顯著，但在運行管理過程中仍存在以下一些突出問題：

1）信息化建設缺乏統一規劃。各自為政、條塊分割的建設模式，造成信息不能共享，各個部門業務建設缺乏統一標準，無序發展，造成重復建設和投資浪費。

2）IT 建設模式制約信息化發展。多數大的信息化項目都由單個部門牽頭建設，已建成的應用系統模式不統一，系統之間難以互通互聯，形成大量的信息孤島。

3）數據中心規劃面臨新的挑戰。新業務系統的建設，對數據中心的規劃提出了新的挑戰。新技術層出不窮，新業務部署周期長，業務量的增長和舊平臺的性能不平衡。

4）安全威脅日益嚴重。各個部門獨立建設系統，信息化的戰略性安全問題越來越突出，對信息化基礎設施的可靠性要求越來越高。

5）軟硬件系統管理難度日益增大。新的應用系統建設，需要部署新的硬件和應用，造成眾多設備的數量絕對值持續增大，管理難度也越來越大，系統越來越復雜，專業性維護要求越來越高。

6）IT 需求與能源效率的矛盾凸顯。IT 設備數量多，整體資源利用率低，數據中心技術落后，能源利用率低。

2.2 水利部電子政務信息化整治目標

為了使水利部電子政務系統的使用更高質量、可靠、成熟，希望實現以下目標：

1）實現基礎 IT 資源整合，減少系統重復建設和資源浪費；

2）實現業務集中部署，打破傳統信息孤島，縮短新業務部署周期；

3）實現對整個系統資源的統一調配，滿足未來電子政務系統計算、存儲和網絡等資源的發展需要，對系統基礎架構留有充分的擴充能力，方便已建系統使用過程中資源的平滑擴展；

4）實現基礎資源的統一管理，減輕系統的維護壓力。

2.3 水利部電子政務云計算克服的技術難點

云計算在水利部電子政務系統的實踐中克服了以下技術難點：

1）針對服務器、存儲、網絡等設備品牌的不同，需要克服不同廠商技術壁壘的難點，云計算系統實施前針對水利部電子政務系統現有的設備品牌進行了充分兼容性測試后才進行系統上線。

2）為保障系統安全、數據同步，系統無縫切換，實施時采用 vmvare converter 遷移技術將原有虛擬機平臺的虛擬機平滑遷移到現有云平臺環境。

3）針對操作系統及軟件種類繁多、版本復雜，添加服務器復雜性高的難點，預先定制各種可能用到的虛擬機模板，方便虛擬機的快速創建。

4）對于不斷增長的業務需求導致的服務能力下降，通過云平臺的搭建，大大減少了物理設備的數量，減輕了運維部門的壓力。

3 云計算在水利部電子政務系統的應用實踐

3.1 云計算平臺的建設思路

經過前期的調研分析，制定的建設思路如下：充分借鑒其他行業信息化建設的成功經驗，提出從業務及數據需求出發，以“云計算”基礎架構為基礎，以業務應用為突破口，充分整合各種水利信息化建設成果，建設以“水利云”為目標的“水利部云計算平臺”。

圖1 拓撲結構

3.2 云計算平臺的系統架構

水利部云計算平臺拓撲結構如圖 1 所示。

經過大量調研和多方面的對比分析，水利部云計算平臺軟硬件搭建環境最終選擇如下：

1）服務器資源池利用水利部電子政務信息化建設已購置的 4 臺高性能 8 路 10 核服務器（共計 320 核）作為計算資源池服務器，可搭建約 200 臺虛擬機（2 個CPU，16 GB 內存），為水利部電子政務系統提供強大的支撐能力，滿足不斷增長的業務需求。

2）存儲資源池基于 FC-SAN 結構，采用水利部水利信息中心現有的光纖存儲重新構建，從而達到有效利用現有資源、充分利舊、保護前期投入的目的，克服不同廠商的技術壁壘。

3）云計算管理平臺軟件選用國產知名云計算管理軟件構建云平臺。云計算平臺在單臺服務器虛擬化的基礎上，通過虛擬化管理中心將多臺服務器、存儲硬件基礎資源進行整合，構建硬件（CPU、內存、I/O）資源池，實現數據中心整體硬件資源的按需分配，并由操作系統（OS）軟件滿足對系統資源的統一調配，從而保障系統安全、數據同步，達到快速部署服務器及應用服務的要求。

3.3 云計算平臺實踐的意義

水利部云計算平臺建設是水利部對 IT 信息化發展的深入理解和實踐，體現了水利部信息化建設的領先性。

水利部云計算平臺采用國內自主研發的服務器和操作系統，從建設、管理到后期服務實現了全部國產化，保證了系統的自主可控和安全可靠，在信息安全頻頻遭受國外嚴重威脅的形勢下，杜絕了水利重要數據丟失的風險。

水利部云計算平臺于 2012年10月15日投入運行，目前已建立 Windows 2003，Windows 2008，RedHat 等 7 種操作系統模板，部署了水庫移民、水利 ArcGIS、水情會商、氣象后臺實施計算、水利普查成果查詢等核心應用系統，共計 54 個虛擬機。水利部云計算平臺自投入運行以來，至今運行穩定。

3.4 水利部電子政務云計算平臺功能亮點

云計算平臺在水利部電子政務系統中的應用主要有以下功能亮點：

1）資源充分共享。實現了各類不同品牌的硬件資源的統一管理，消除了不同廠商的技術壁壘，實現了服務器、網絡、存儲等資源的充分共享。

2）動態資源擴展。實現了物理資源池資源的在線動態擴充及虛擬機物理資源的靈活調整，大大提高了工作的便利。

3）業務快速部署。通過預置的應用服務、虛擬機模板，實現了業務的快速部署，縮短了業務部署時間，滿足了不斷增長的業務需求，屏蔽了添加服務器的復雜性；通過對已建虛擬機創建快照，虛擬機操作系統故障時可以直接恢復到快照，免去重新安裝軟件的麻煩。

4）系統可靠安全。通過關鍵數據加密、虛擬機動態遷移、P2V 等手段，保障了系統與數據的安全，實現了物理環境向虛擬環境、虛擬環境之間的平滑遷移，無縫切換，當某臺物理主機故障宕機后，虛擬機可以自動遷移到別的主機上，避免了硬件問題導致的單點故障。

5）全面資源監控。實現了資源的統一管理調配及云計算平臺 CPU、內存、網絡、存儲資源的動態監控。

3.5 云計算模式推廣的優勢

3.5.1 管理政策層面

1）提高資源利用率。傳統服務器資源利用率為10%～15%；云計算平臺實現服務器利用率在 60%以上，通過云計算整合，服務器資源的功耗可下降50%～75%。

2）改變產業結構。信息化不再是工業化的支撐平臺，而是業務創新的新平臺，信息化產業作為低碳產業，對優化產業結構，可發揮重要作用。

3）降低成本。云計算中心的建設從傳統的信息化建設逐步升級到基礎設施建設的高度，云計算的本質是業務的高度共享和服務模式的轉變，云計算的最終目標是降低用戶的成本，提高業務的效率。

3.5.2 數據中心層面

1）節省空間。云計算中心可以大幅減少服務器的數量，最高可節省 90% 的空間。

2）降低功耗。云計算中心功耗為傳統數據中心的 25%～35%。

3）簡化管理。云計算中心大幅減少物理服務器的數量，管理難度大大降低；云計算平臺上運行的業務可以根據負載自動遷移，硬件故障不會導致系統停機；從設備管理升級到資源池的管理，管理的是資源而非設備。

4）快速部署。云計算中心的建設，可以直接在資源池中分配新資源給新開發的業務系統，通過模板復制技術，將系統上線周期從傳統的 1～3 月降低到 1～3 周。

5）支持異構。資源池的建設，支持不同廠商的硬件產品，從而有效利用舊有設備。

6）按需調動資源。實現跨資源池動態調整計算資源，基于預定義的規則智能分配資源。

3.5.3 業務應用層面

1）數據高度共享。云計算中心采用集中的數據存儲方式，可以對集中的數據實現統一的數據安全策略；將業務整合到統一的云計算平臺，有利推動業務應用系統的融合和數據的共享。

2）系統可靠性提高。云計算中心實現所有的應用高可用，當設備出現故障，應用會自動從故障設備遷移到其他服務器上，實現系統高可靠應用。

3）運維成本降低。云計算模式下，可以將不需要的服務器置于待機模式，當工作負載需要增加時，再恢復服務器的在線狀態，保證服務水平的同時能減少電力消耗。

4）IT 創新提升業務競爭力。云計算中心可以大幅簡化 IT 管理，降低 IT 復雜度，系統管理人員得到釋放，有更多精力用于 IT 業務創新。

4 結語

云計算在水利部電子政務系統的實踐，提升了電子政務應用系統的部署速度，縮短了應用上線時間，提高了系統資源擴充的靈活性，增加了維護工作的便利，同時避免了業務重復建設造成的資源浪費。但是，目前應用仍停留在云計算的底層服務模式 IaaS 上，未來的發展中應挑戰更高級別的服務模式，如 PaaS，SaaS。通過 PaaS 服務模式將軟件研發的平臺作為一種服務提交給用戶，用戶無需自行建立開發平臺，可以進一步加快應用開發的速度；通過SaaS 服務模式可根據用戶需求直接申請使用軟件應用服務模塊，更進一步實現信息資源的高度共享。

[1]百度文庫. Google 云計算的現狀與發展[EB/OL]. [2014-02-23]. http://wenku.baidu.com/link?url=mEzbPWRGyX7SA-qjsfZbnovinZR8v_a1ZttdE8JpDjnqpxRR-rab4qVMJu48JHQP-tJgTSpe4PtZSSAvTrfo8O3HFMB4OlZ2CJHpKLjGz9f23.

[2]楊光雨. 淺析云計算技術[J]. 福建電腦，2010 (1): 44-45.

[3]鄧倩妮，陳全. 云計算及其關鍵技術[J]. 高性能計算發展及應用，2009, 29 (9): 2-6.

[4]劉越. 云計算技術及應用專題研究報告[R]. 北京：工業和信息化部電信研究院通信信息研究所，2009: 1-41.