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1 研究背景

油氣生產(chǎn)領(lǐng)域是較早應(yīng)用各類(lèi)信息系統(tǒng)解決生產(chǎn)及管理問(wèn)題的行業(yè)。油氣領(lǐng)域的信息系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)時(shí)間的積累后形成了不同的系統(tǒng)。同時(shí),在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中,各類(lèi)數(shù)字化信息系統(tǒng)也在大量投入生產(chǎn)運(yùn)行。而這些系統(tǒng)具有不同的架構(gòu)體系,在接口標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)體系等方面并不一致,因此系統(tǒng)之間的兼容性以及交互性較差,從而形成了不同系統(tǒng)之間的信息孤獨(dú)問(wèn)題。由于系統(tǒng)存在重復(fù)建設(shè),不同的系統(tǒng)之間的功能也有重合,因此導(dǎo)致業(yè)務(wù)系統(tǒng)的功能較為臃腫。隨著石油行業(yè)的業(yè)務(wù)發(fā)展,這些舊有的系統(tǒng)架構(gòu)難以被優(yōu)化,而運(yùn)維這些系統(tǒng)的成本卻不斷提高,原有系統(tǒng)架構(gòu)成為提升業(yè)務(wù)效率,促進(jìn)石油業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的障礙。PaaS架構(gòu)下,為所有的應(yīng)用系統(tǒng)提供底層的解決方案,可以統(tǒng)一數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)以及交互接口標(biāo)準(zhǔn),可以打破組織在不同地域的邊界,整合信息資源,提高系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)以及運(yùn)行效率。因此,基于PaaS架構(gòu)進(jìn)行石油信息化建設(shè)成為趨勢(shì)。

2 基于PaaS架構(gòu)石油信息化管理云計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)

PaaS架構(gòu)屬于云計(jì)算架構(gòu)中的平臺(tái)層,即提供云計(jì)算的基礎(chǔ)平臺(tái),并為應(yīng)用層提供底層的平臺(tái)[1]。本文設(shè)計(jì)的石油信息化管理云計(jì)算架構(gòu)如圖1所示。

圖1 架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Architecture design

針對(duì)PaaS平臺(tái),開(kāi)發(fā)者、管理者均能利用平臺(tái)提供的各類(lèi)資源。同時(shí)PaaS平臺(tái)提供各類(lèi)基礎(chǔ)的組件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行橫向擴(kuò)展。比如PaaS提供數(shù)據(jù)的擴(kuò)展功能,能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展。PaaS制定了嚴(yán)格的權(quán)限標(biāo)準(zhǔn),為使用平臺(tái)的不同人員分配權(quán)限,保障平臺(tái)的安全。在PaaS平臺(tái)的日常運(yùn)維中,提供各類(lèi)運(yùn)維工具,監(jiān)控平臺(tái)的各項(xiàng)指標(biāo),當(dāng)PaaS平臺(tái)運(yùn)行中出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)時(shí),及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。PaaS平臺(tái)也提供了開(kāi)發(fā)者的支持模式,提供各類(lèi)開(kāi)發(fā)工具,并建立開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)幫助開(kāi)發(fā)人員高效搭建應(yīng)用系統(tǒng)。PaaS平臺(tái)主要分為核心功能層、平臺(tái)服務(wù)層,并提供調(diào)度機(jī)制調(diào)度平臺(tái)的各類(lèi)資源。

2.1 PaaS平臺(tái)核心功能層

核心功能層提供了PaaS的各項(xiàng)核心基礎(chǔ)能力。核心功能層是PaaS的基礎(chǔ)接口,基礎(chǔ)接口實(shí)現(xiàn)了PaaS的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)、安全機(jī)制、運(yùn)行機(jī)制,并對(duì)外提供服務(wù)。安全上,核心功能層能夠?qū)崟r(shí)的、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控平臺(tái)各項(xiàng)資源,監(jiān)控異常應(yīng)用信息,該功能保障了平臺(tái)的正常運(yùn)行以及安全性,保障了應(yīng)用的質(zhì)量,并為系統(tǒng)的運(yùn)行提供了具有穩(wěn)健性以及容錯(cuò)性的機(jī)制。核心功能層的出現(xiàn)允許用戶(hù)能夠使用多租戶(hù)等形式利用平臺(tái)的資源,實(shí)現(xiàn)資源、計(jì)算的共享。

2.2 PaaS平臺(tái)服務(wù)層

平臺(tái)的服務(wù)層在核心功能層的基礎(chǔ)上,管理不同系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、對(duì)各項(xiàng)資源進(jìn)行集約化管理,同時(shí)對(duì)各個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用的安全、資源使用提供支撐。服務(wù)層有效的連接了PaaS平臺(tái)的上層應(yīng)用以及下層核心功能。能夠保障應(yīng)用的高效以及穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于開(kāi)發(fā)者而言,提供了統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)發(fā)者能夠高效的建立以及部署應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)的石油信息化管理云計(jì)算架構(gòu)也包括三層架構(gòu),第一層架構(gòu)提供基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),為平臺(tái)提供各項(xiàng)核心功能。其次是服務(wù)層,封裝各類(lèi)接口標(biāo)準(zhǔn),提供給開(kāi)發(fā)者進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)。第三層是應(yīng)用層,負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行管理。在部署環(huán)境上,可以支持v Sphere/v Cloud進(jìn)行虛擬化部署。通過(guò)虛擬化部署,將石油信息化資源進(jìn)行集成以及統(tǒng)一管理。在對(duì)用戶(hù)開(kāi)發(fā)的管理上,允許開(kāi)發(fā)者建立自身的應(yīng)用,并向平臺(tái)發(fā)起資源申請(qǐng),平臺(tái)根據(jù)申請(qǐng)的情況分配一定的基礎(chǔ)資源來(lái)支持應(yīng)用的運(yùn)行。同時(shí),平臺(tái)還提供資源的統(tǒng)一調(diào)度機(jī)制,對(duì)各個(gè)應(yīng)用的資源使用情況進(jìn)行平衡。

2.3 平臺(tái)調(diào)度機(jī)制設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)石油信息化云計(jì)算的動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制,與以往靜態(tài)調(diào)度機(jī)制不同,通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制,能夠基于系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況,分配各類(lèi)資源,并支持效率更高的負(fù)載均衡。為了提高調(diào)度的效率,本文設(shè)計(jì)的調(diào)度機(jī)制如下:

首先收集云平臺(tái)中各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)以及虛擬機(jī)節(jié)點(diǎn)的資源使用情況,根據(jù)虛擬機(jī)的歷史運(yùn)行信息進(jìn)行資源的再平衡。

設(shè)有Appid代表在平臺(tái)中編號(hào)為id的應(yīng)用,request(Appid)代表客戶(hù)發(fā)送對(duì)該應(yīng)用的訪問(wèn)請(qǐng)求,INSi(0

(1)接收請(qǐng)求,通過(guò)時(shí)將request(Appid)記錄到路由表中,并分配請(qǐng)求id。

(2)平臺(tái)的調(diào)度模塊根據(jù)請(qǐng)求的類(lèi)型、請(qǐng)求資源大小,搜索負(fù)載隊(duì)列中的資源模塊,并根據(jù)請(qǐng)求的資源對(duì)資源模塊進(jìn)行匹配,尋找最優(yōu)匹配資源。如果匹配失敗,則返回NULL值,如果匹配到最優(yōu)資源模塊,則執(zhí)行下一步操作。

(3)將匹配的資源分配給請(qǐng)求,并記錄在資源匹配及分配標(biāo)準(zhǔn)。然后調(diào)度該容器的資源給應(yīng)用程序,由應(yīng)用程序負(fù)責(zé)具體使用資源。

(4)執(zhí)行完畢后,系統(tǒng)釋放資源回資源隊(duì)列,重新執(zhí)行第一步。

(5)執(zhí)行完畢,返回第一步重復(fù)運(yùn)行。

3 基于PaaS架構(gòu)石油信息化管理云計(jì)算架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

本平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)基于Cloud Foundry平臺(tái),該平臺(tái)是開(kāi)源實(shí)現(xiàn)的云計(jì)算PaaS平臺(tái),該平臺(tái)目前被廣泛應(yīng)用在工業(yè)界,具有良好的彈性與支持能力,能夠提供云計(jì)算服務(wù)[2]。

平臺(tái)部署方案如圖2所示。

圖2 平臺(tái)部署方案Fig.2 Platform deployment plan

平臺(tái)的部署包括負(fù)載均衡器、各類(lèi)控制組件、數(shù)據(jù)庫(kù)、DEA組件、service組件等不同部分[3]。

(1)負(fù)載均衡服務(wù)器。在實(shí)現(xiàn)石油信息化管理云計(jì)算時(shí),配置nginx對(duì)各類(lèi)不同的請(qǐng)求進(jìn)行負(fù)載均衡。其中,路由組件負(fù)責(zé)分配不同的請(qǐng)求到不同的負(fù)載均衡服務(wù)器中,一般需要建立4 臺(tái)虛擬服務(wù)器用于處理各類(lèi)路由信息,并提供容錯(cuò)機(jī)制。

(2)Cloud Controller組件。云計(jì)算的控制組件主要用于對(duì)各類(lèi)計(jì)算資源進(jìn)行控制,其本身的運(yùn)行并不消耗太大的資源。一般采用2臺(tái)虛擬機(jī)來(lái)進(jìn)行控制,并相互備份。通過(guò)控制組件對(duì)云平臺(tái)的各類(lèi)資源進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)云平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督,防止平臺(tái)出現(xiàn)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)。

(3)CCDB數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)與其他組件的耦合性較低,一般采用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)云計(jì)算平臺(tái)的各類(lèi)信息,并隔離其他組件,防止修改信息造成系統(tǒng)錯(cuò)誤。

(4)DEA組件。本平臺(tái)的DEA組件主要用于保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行,本平臺(tái)搭建了6臺(tái)DEA組件服務(wù)器對(duì)平臺(tái)提供可靠的支撐。

(5)Service組件。該組織需要完成一定的功能,因此需要分配至少8臺(tái)虛擬機(jī)提供云平臺(tái)的服務(wù),同時(shí)該平臺(tái)的服務(wù)組件之間能夠相互備份,防止出現(xiàn)宕機(jī)。

(6)NATS組件。系統(tǒng)的各個(gè)主件之間需要相互通信,因此由NATS提供統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)制,通過(guò)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)提高通信效率。

本文搭建的平臺(tái)中,可以采用控制器組件建立系統(tǒng)任務(wù),核心代碼如下。

通過(guò)以上機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了云計(jì)算平臺(tái)的信息共享,通過(guò)物理機(jī)器的隔離,保障不同資源的安全。在組件的利用上,通過(guò)備份、熱同步等保障系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)宕機(jī)的情況,從而保障各類(lèi)石油信息系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

4 總結(jié)

本文基于PaaS架構(gòu)設(shè)計(jì)了石油信息化管理云計(jì)算架構(gòu),并基于Cloud Foundry搭建油氣類(lèi)企業(yè)私有云 PaaS平臺(tái)。