中國空間技術研究院 王海濤 周天啟 鄒云

隨著社會的進步，航天技術應用領域發(fā)展迅速，衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用作為航天技術應用的重要部分，為軍、民、商等各類用戶提供了越來越多的服務內容。同時，“云”技術的誕生，對現(xiàn)代化信息技術的發(fā)展也起到了極大促進作用。本文結合某系統(tǒng)的建設，探究基于云計算環(huán)境的適應多系統(tǒng)集成的信息網(wǎng)絡架構，有效開展多源異構復雜環(huán)境的信息系統(tǒng)建設，達到最優(yōu)資源配置的要求，為后續(xù)建設更加可靠、穩(wěn)定的信息網(wǎng)絡提供了實施方式和建設思路。

網(wǎng)絡已經(jīng)成為促進社會發(fā)展的重要工具，云計算技術的誕生，計算機網(wǎng)絡技術進入到新的發(fā)展階段。伴隨著衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用領域的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用模式中新興的應用場景具有數(shù)據(jù)存儲量大、業(yè)務增長速度快等特點。

某系統(tǒng)是開展衛(wèi)星數(shù)據(jù)使用效果驗證的核心環(huán)境，其基礎網(wǎng)絡環(huán)境設計的基本原則是“既要滿足當前急需，又能兼顧長遠規(guī)劃，同時考慮網(wǎng)絡分區(qū)的靈活可配置”。

1 某系統(tǒng)建設要求

為充分釋放某大型項目研制風險，優(yōu)化組織運用流程，評估和展現(xiàn)項目預期成效，需要構建某系統(tǒng)。系統(tǒng)的構建以用戶典型場景為想象，以衛(wèi)星真實數(shù)據(jù)為驅動，對用戶運用數(shù)據(jù)的流程和應用模式進行驗證，分階段展示和驗證項目中設計的衛(wèi)星數(shù)據(jù)支持的應用過程場景與主要功能性能，一方面為項目建設成果提供測試驗證環(huán)境；另一方面也為用戶研究衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用特點和組織運用方式提供手段。

2 某系統(tǒng)對信息網(wǎng)絡架構建設的需求分析

經(jīng)綜合評估，某系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡架構的建設為某項目提供測試和集成聯(lián)調手段，并在項目完成驗收后，為衛(wèi)星數(shù)據(jù)的加工處理與應用提供長期持續(xù)的研究條件，為后期項目持續(xù)建設提供可靠的技術保障，迭代實現(xiàn)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)綜合處理能力的不斷提升。

3 某系統(tǒng)信息網(wǎng)絡建設方法研究

通過需求分析，在網(wǎng)絡建設方面，預計規(guī)劃建設包括數(shù)據(jù)引接網(wǎng)、設備仿真驗證網(wǎng)絡、仿真驗證分系統(tǒng)網(wǎng)絡和頂層專網(wǎng)等幾類網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中接入衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使用多類型異構分系統(tǒng)開展分發(fā)處理，網(wǎng)絡中包含真實設備以及計算機和服務器組，需要將各類設備整合后協(xié)同開展工作。云計算是傳統(tǒng)計算機技術和網(wǎng)絡技術發(fā)展融合的結果，具備并行、分布式計算和網(wǎng)格化的特點。其核心思想是將不同網(wǎng)絡上的各類計算資源進行統(tǒng)一驅動、調度和管理，形成一個龐大且復雜的虛擬計算資源池，向各類用戶按需提供服務[1]。使用基于信息網(wǎng)絡的云存儲技術可以實現(xiàn)隨時隨地、按需、便捷地訪問共享資源池(如計算設施、存儲設備、應用程序等)。通過云計算動態(tài)分配資源，存儲某系統(tǒng)所需的各類數(shù)據(jù)，保障多源異構的多系統(tǒng)基礎網(wǎng)絡環(huán)境的暢通，支撐某系統(tǒng)快速、便捷、有效地完成任務。

4 云計算環(huán)境下的信息網(wǎng)絡架構設計

4.1 模塊設計

本文設計的云計算環(huán)境是在深入研究云計算架構服務后，形成的綜合多種服務類型特點的混合型云計算環(huán)境，本系統(tǒng)信息網(wǎng)絡架構包含4個模塊，具體為：（1）數(shù)據(jù)中心間的云計算網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)中心是云計算網(wǎng)絡中的核心模塊，其內部網(wǎng)絡相互連接，不同的數(shù)據(jù)中心區(qū)域間使用核心交換機與骨干網(wǎng)絡互聯(lián)。數(shù)據(jù)中心運行在云計算網(wǎng)上，根據(jù)實際工作需求開展技術升級和改造，并從業(yè)務需求角度出發(fā)，使用集群組件與數(shù)據(jù)中心搭建形成二級網(wǎng)絡[1]。（2）虛擬機間的云計算網(wǎng)絡。在虛擬的交換機上構建軟件，以形成網(wǎng)絡連接云計算網(wǎng)絡模塊與虛擬機，進而實現(xiàn)虛擬機間的信息互聯(lián)。（3）服務器間的云計算網(wǎng)絡。使用交換機連接網(wǎng)絡服務器進行網(wǎng)絡搭建，產(chǎn)生服務器間的橫向流量和用戶訪問服務器的縱向流量。橫向流量主要集中在分布式計算的數(shù)據(jù)中心上，服務器間的信息交互完成后，通過流量橫向遷移驅動二級網(wǎng)絡運行[2]。（4）用戶與數(shù)據(jù)中心間的云計算網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)中心中的用戶數(shù)據(jù)接入使得本系統(tǒng)的云計算網(wǎng)絡具有極高的實用價值。用戶數(shù)據(jù)通過城域網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心之間進行數(shù)據(jù)連接，并通過核心交換機構建的虛擬局域網(wǎng)來實現(xiàn)本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)交互中會產(chǎn)生大量的流量，因此需要適應性的調整網(wǎng)絡帶寬，以提升對系統(tǒng)業(yè)務模式的適應性。

4.2 網(wǎng)絡架構設計

某系統(tǒng)的網(wǎng)絡建設基于云計算中心，統(tǒng)籌設備配額，模擬多平臺、多語言研發(fā)的異構系統(tǒng)間的網(wǎng)絡以及這些網(wǎng)絡之間的互聯(lián)互通關系?；A網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡拓撲圖Fig.1 Network topology

以下分別對整個網(wǎng)絡拓撲結構中的網(wǎng)絡互聯(lián)/隔離、網(wǎng)絡高可用性、網(wǎng)絡連線、云存儲網(wǎng)絡、云計算策略設置進行說明。

4.2.1 網(wǎng)絡互連/隔離策略

接入交換機和核心交換機都有路由功能，可以通過設置路由來靈活配置各個網(wǎng)絡的互聯(lián)和隔離，以及各個網(wǎng)絡內部的VLAN（虛擬局域網(wǎng)絡）間的互聯(lián)互通。某系統(tǒng)網(wǎng)絡通信分為網(wǎng)絡內部通信和網(wǎng)間通信。

（1）網(wǎng)絡內部通信。數(shù)據(jù)幀轉發(fā)路徑：源設備—接入交換機轉發(fā)模塊—目的設備。各個網(wǎng)絡在內部使用接入交換機連接各個網(wǎng)絡終端設備，這些網(wǎng)絡終端設備都設置相同的網(wǎng)段，在同一個廣播域內，使用MAC地址通信。（2）網(wǎng)間通信。數(shù)據(jù)包轉發(fā)路徑：源設備—源網(wǎng)關—路由—目的網(wǎng)關—目的設備。通過在核心交換機配置路由策略，設置各網(wǎng)絡之間的網(wǎng)絡互通與隔離。發(fā)送方機器首先將目的IP與自己子網(wǎng)掩碼做與運算，發(fā)現(xiàn)目的IP不在自己網(wǎng)段內，就會將網(wǎng)絡包發(fā)給網(wǎng)關，網(wǎng)關將網(wǎng)絡包的源IP頭與MAC頭重新設置，轉給與之連接的核心交換機，而后通過路由策略將網(wǎng)絡包從對應的網(wǎng)口轉發(fā)出去，如此直至跳到下一目的IP所在的網(wǎng)關（接入交換機），網(wǎng)關緩存有該網(wǎng)段所有的IP與MAC映射關系，通過該映射關系獲得目的IP的MAC地址，而后接入交換機將該數(shù)據(jù)包轉發(fā)至目的MAC對應網(wǎng)口，與該網(wǎng)口連接的機器（也就是目的IP所在的機器）收到網(wǎng)絡包。

4.2.2 網(wǎng)絡高可用性

（1）連接高可用性。對于每一個連接，使用網(wǎng)卡/端口綁定，即兩頭分別是2個網(wǎng)卡，使用LACP協(xié)議，使2個網(wǎng)卡聚合為1個邏輯網(wǎng)卡，2根網(wǎng)線聚合為1個邏輯網(wǎng)線，實現(xiàn)“雙活”，既可以實現(xiàn)網(wǎng)卡和網(wǎng)線的高可用，也達到了流量的負載均衡。（2）設備高可用性。連接實現(xiàn)了高可用性，但交換機也有可能出現(xiàn)故障。對于業(yè)務網(wǎng)的交換機，使用堆疊技術，將2個交換機堆疊為1個邏輯交換機。服務器通過多根線分別連到多個接入交換機上，而接入交換機通過多根線分別連接到多個核心交換機上，并且通過堆疊的私有協(xié)議，形成“雙活”的連接方式，實現(xiàn)了交換機的高可用和流量的負載均衡。

4.2.3 網(wǎng)絡連接情況

接入交換機為千兆網(wǎng)交換機，核心交換機為萬兆網(wǎng)交換機，管理網(wǎng)交換機為千兆交換機。

（1）網(wǎng)絡終端與接入交換機。接入交換機與網(wǎng)絡終端設備采用雙絞線連接兩端的RJ45接口，服務器與接入交換機采用網(wǎng)卡綁定連接，其他網(wǎng)絡終端與接入交換機采用單線連接。（2）接入交換機與核心交換機。核心交換機與接入交換機之間采用光纖連接兩端的SFP+接口，為了提高可用性，采用端口綁定的連接方式。（3）核心交換機與萬兆交換機。核心交換機與萬兆交換機之間采用光纖連接兩端的SFP+接口，為了提高可用性，采用端口綁定的連接方式。（4）管理網(wǎng)與服務器。管理網(wǎng)交換機與服務器之間采用單根雙絞線連接兩端的RJ45接口。（5）單向光閘與交換機。衛(wèi)星真實數(shù)據(jù)與局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互通過FTP或RTSP協(xié)議傳輸。光閘前端與數(shù)據(jù)中轉工作站進行連接，后端與數(shù)據(jù)引接服務器連接，兩者都使用RJ45端口。

4.2.4 VLAN設置

基于云計算的網(wǎng)絡由接入交換機構成內部局域網(wǎng)，網(wǎng)間通信通過核心交換機轉發(fā)交互。所有多源異構分系統(tǒng)分配不同網(wǎng)段。同時，對于網(wǎng)段中模擬的地理上分離的系統(tǒng)設置不同的虛擬局域網(wǎng)，虛擬局域網(wǎng)通過接入交換機的三層路由互聯(lián)。

4.2.5 云計算設置策略

云計算單元內部有2個子網(wǎng)，一個是用于分布式文件系統(tǒng)NAS內部集群組網(wǎng)，NAS網(wǎng)絡終結于本局域網(wǎng)，不與其他網(wǎng)絡互通；另一個是用于與某系統(tǒng)中的業(yè)務內網(wǎng)，用于部署云計算基礎設施，作為整個物理基礎設施的虛擬化實現(xiàn)層，可對云上的計算、存儲和網(wǎng)絡資源進行統(tǒng)一管理和調度分配，提供應用軟件的部署托管[3]。

5 實現(xiàn)效果

5.1 預期效果

通過監(jiān)測本系統(tǒng)為網(wǎng)絡硬件設備以及網(wǎng)絡信息提供的各類服務性能，為網(wǎng)絡性能的分析和管理提供必要的依據(jù)[4]，重點從網(wǎng)絡層分析功能性能指標，其中主要的功能性能參數(shù)包括：

（1）網(wǎng)絡可用性：驗證物理鏈路的連通狀況，通過向目標節(jié)點發(fā)送ICMP報文和接收回應信息，逐個驗證鏈路上的所有連接和路由配置符合設計方案的要求。

（2）網(wǎng)絡往返延時：驗證報文在指定兩點間的往返時間RTT。通過向目標節(jié)點發(fā)送ICMP報文，測量接收到的ICMP報文回文與發(fā)送的ICMP報文間的時間差，測算出兩點間的網(wǎng)絡往返延時小于100ms。

（3）網(wǎng)絡丟包率：測試網(wǎng)絡中由于擁塞或其他原因而導致被路由器丟棄的報文占發(fā)出報文總數(shù)的百分比。通過向目標節(jié)點發(fā)送ICMP報文，測量接收到的ICMP報文回文占其發(fā)出報文總數(shù)的百分比，測算后得出網(wǎng)絡丟包率小于0.9%。

5.2 測試過程

網(wǎng)絡建設完成后，為有效測試網(wǎng)絡，擬訂了測試矩陣如表1所示。

表1 網(wǎng)絡測試矩陣表Tab.1 Network test matrix

（1）網(wǎng)絡連通性測試。使用50個物理節(jié)點，分別接入不同的VLAN并配置相應的網(wǎng)絡地址，對所有VLAN分別進行矩陣式的一對一驗證，所有互通的VLAN之間平均延時小于50ms，隔離的VLAN之間ICMP報文不可達，測試結果符合預期要求。（2）設備與線路間可靠性測試。該測試主要是利用主備線路、主備設備間的切換，來測試網(wǎng)絡出現(xiàn)故障的情況下，業(yè)務和網(wǎng)絡運行的可持續(xù)性。與第（1）項一樣，同樣使用50個物理節(jié)點，分別接入不同的VLAN，并設置相應的網(wǎng)絡地址，分別斷掉與之對應的接入交換機上的上聯(lián)主端口，發(fā)現(xiàn)流量可以自動切換到備份鏈路，并且本VLAN的業(yè)務數(shù)據(jù)包也同樣自動切換至備份鏈路。重新連接上聯(lián)主端口并斷掉備份鏈路，發(fā)現(xiàn)本VLAN業(yè)務自動切換至主鏈路，在兩次切換過程中，網(wǎng)絡丟包率僅為0.03%，測試結果符合預期要求。（3）壓力測試。繼續(xù)使用50個物理節(jié)點，設置同時從云存儲設備上下載一個試驗性超大文件，并同時由10臺PC端長Ping存儲設備，動作結束后，統(tǒng)計每臺PC端下載該超大文件所消耗的時間，并計算每秒內的下載量，發(fā)現(xiàn)下載量平均超過10MB/s，測試結果符合預期要求。長Ping的PC端Ping包延時小于100ms，測試結果符合預期要求。用同樣的方式向云存儲上傳試驗性超大文件，發(fā)現(xiàn)速度超過4M/s，測試結果符合預期要求。（4）總體測試結果。經(jīng)全局測試，網(wǎng)絡實現(xiàn)效果良好、整體延遲低、動態(tài)調整靈活，滿足某系統(tǒng)的各項需求。

6 結語

本文深入分析了某系統(tǒng)的具體網(wǎng)絡需求，設計了各系統(tǒng)間的網(wǎng)絡拓撲關系，結合某系統(tǒng)的軟硬件實際情況，將云計算方法融入基礎網(wǎng)絡配置方案中，做到了設備“接入簡單、歸屬明確、轉換方便”，多源異構的分系統(tǒng)網(wǎng)絡“鏈路暢通、架構簡潔、傳輸穩(wěn)定、處理高效”。云計算為某系統(tǒng)整體環(huán)境的改進、接入設備的運行原理、數(shù)據(jù)運轉傳輸要求以及測試實踐等提供了更加可靠的支持。此網(wǎng)絡的構建，支撐了某系統(tǒng)的整體效能驗證，為某項目研制工作的開展提供了可靠支撐，為后續(xù)建設更加可靠、穩(wěn)定的信息網(wǎng)絡提供了有效的實施方式和良好的建設思路。

引用

[1]顏驥,劉丙杰,潘應華.基于云計算的智能測試保障體系構建[J].測控技術,2020,39(12):34-40.

[2]劉勇.云計算虛擬化技術的發(fā)展與趨勢[J].信息與電腦,2019(12):25-27.

[3]顏驥,劉丙杰,潘應.基于云計算的智能測試保障體系構建[J].測控技術,2020(39):34-40.

[4]陳耿新,林若波,陳旭文.基于云計算的網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)關鍵技術研究［J].齊齊哈爾大學學報(自然科學版),2018,34(1):5-10.