張亞輝 馬海燕 王家平 茅磊 夏明昕

摘要：針對CMDB資源管理中缺乏可視化呈現(xiàn)，大數(shù)據(jù)量情況下資源計算查詢效率不高的問題，文章研究知識圖譜在IT配置管理中的價值，分析了配置管理數(shù)據(jù)庫CMDB的特點及需求?；谥R圖譜研究IT資源配置項管理方法，運用圖數(shù)據(jù)庫Neo4j替代傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，將原有單純的數(shù)據(jù)和表管理轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shù)據(jù)節(jié)點及其相互間關(guān)系鏈條的管理，通過Neo4j的Cypher語言實現(xiàn)便捷、快速、可自由定義的復雜查詢，同時對外提供豐富的資源可視化展示方案。該方案實現(xiàn)了CMDB與知識圖譜的融合，為提升資源管理的可視化水平和管理效率提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：配置管理；CMDB；圖計算；知識圖譜；圖數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP319? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著數(shù)據(jù)中心IT 基礎(chǔ)設施的快速擴增，IT資源配置數(shù)據(jù)規(guī)模日益龐大，層次關(guān)系也愈加復雜，IT配置管理的需求不再滿足于數(shù)據(jù)的基本檢索和呈現(xiàn)，而是更加傾向于對IT資源信息的上下文信息檢索需求，更需要基于關(guān)聯(lián)交織的海量數(shù)據(jù)為上層提供 IT 決策和服務交付所需的所有洞察力，傳統(tǒng)管理方法論ITIL中的配置管理數(shù)據(jù)庫（Configuration Management Database，CMDB）［1-3］已無法滿足對配置項（Configuration Item，CI）的最新管理需求。

以某IT運維項目為例，運維團隊承擔著數(shù)據(jù)中心近萬臺設備的日常維護和配置管理工作，傳統(tǒng)CMDB產(chǎn)品雖歷經(jīng)多年建設但仍專注于對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的增刪改查操作，且大多使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，主要存在以下問題：（1）對CI的查詢和操作效率較低，面對大數(shù)據(jù)量經(jīng)常出現(xiàn)頁面卡死現(xiàn)象；（2）對CI間關(guān)系的管理質(zhì)量低，關(guān)系覆蓋率幾乎為零；（3）無法挖掘和體現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的價值。

1 知識圖譜研究與應用

針對傳統(tǒng)CMDB無法進行高度自定義的復雜查詢、海量資源查詢速度偏慢、數(shù)據(jù)孤島問題嚴重、無法在業(yè)務線條建立立體關(guān)聯(lián)、配置管理可視化缺失等問題，網(wǎng)絡運維團隊基于知識圖譜相關(guān)技術(shù)理念，對IT資源中的所有配置項CI的關(guān)系管理［4-5］提出創(chuàng)新性思路，設計全新的資源CI關(guān)系，并運用主流圖數(shù)據(jù)庫Neo4j替代傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，將原有單純的數(shù)據(jù)和表管理轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shù)據(jù)節(jié)點及其相互間關(guān)系鏈條的管理，通過Neo4j的Cypher語言實現(xiàn)便捷、快速、可自由定義的復雜查詢，同時對外提供了豐富的資源可視化展示功能。

本研究主要定位于IT配置管理整體架構(gòu)（見圖1）中的功能實現(xiàn)層，基于資源數(shù)據(jù)層的海量數(shù)據(jù)進行資源配置管理、數(shù)據(jù)分析、管理關(guān)系生成、拓撲展現(xiàn)等功能，可替換傳統(tǒng)CMDB中的部分功能，解決其在關(guān)系分析、可視化呈現(xiàn)、查詢速度等方面的劣勢。本應用生成的關(guān)系數(shù)據(jù)和圖形展示可通過標準接口傳送給上層應用場景或提供給其他外部平臺調(diào)用。

本文將以上創(chuàng)新思路在運維的8 400余條資產(chǎn)CI管理中進行了應用，生成2.3萬余條關(guān)聯(lián)關(guān)系，相關(guān)記錄的創(chuàng)建、關(guān)聯(lián)和查詢速度均以毫秒級實現(xiàn)，形成了機房局址、機架、設備、操作系統(tǒng)、應用進程、業(yè)務系統(tǒng)等多層級立體管理體系，并與動力、空調(diào)、環(huán)境、維保等多個管理維度進行關(guān)聯(lián)，初步達成了應用創(chuàng)新目標。本應用主要通過數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)展現(xiàn)3個過程實現(xiàn)。

2 數(shù)據(jù)建模

本文通過知識圖譜技術(shù)體系對IT資源中的所有配置項CI進行管理，基于多年IT運維中積累的配置

管理經(jīng)驗，創(chuàng)新性地提出各類物理和邏輯資源的關(guān)系設計方法，形成了機房局址、機架、設備、操作系統(tǒng)、應用進程、業(yè)務系統(tǒng)等多層級架構(gòu)，并與動力、空調(diào)、環(huán)境、維保等多個管理維度進行關(guān)聯(lián)，建立了IT資源的立體管理體系［6-7］。

本研究創(chuàng)新了CI關(guān)系設計方法，通過分類分層的方式將CI進行縱向關(guān)聯(lián)（見圖2），在生命周期的前后向上進行橫向關(guān)聯(lián)（見圖3），所有物理、邏輯、應用、環(huán)境等各大類CI數(shù)據(jù)交織成數(shù)據(jù)網(wǎng)，生成各類依賴、從屬、連接的關(guān)系，從而形成以點帶線、由線成面的聯(lián)動效果［8-9］。

圖2 配置項分類分層縱向關(guān)聯(lián)關(guān)系

圖3 配置項生命周期橫向關(guān)聯(lián)關(guān)系

通過此CI關(guān)系設計方法使CI數(shù)據(jù)進行縱向、橫向交織關(guān)聯(lián)，通過某一節(jié)點可實現(xiàn)雙維度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，例如：通過某一業(yè)務，可縱向關(guān)聯(lián)業(yè)務所屬主機、端口、進程及相關(guān)文件或數(shù)據(jù)庫，進而關(guān)聯(lián)所屬物理服務器、存儲及網(wǎng)絡設備、所屬機房環(huán)境、機架、資源池等，當某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時，可以對所有可能關(guān)聯(lián)的CI節(jié)點進行預警。

3 數(shù)據(jù)存儲

運用圖數(shù)據(jù)庫Neo4j替代傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，將原有單純的數(shù)據(jù)和表管理轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shù)據(jù)節(jié)點及其相互間關(guān)系鏈條的管理，在CI關(guān)系設計的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)各節(jié)點相互關(guān)聯(lián)。Neo4j數(shù)據(jù)庫配置管理具備多項技術(shù)優(yōu)勢，可進行實時、高速、深度遍歷查詢，操作效率高；圖可視化能力好，展示直觀清晰；擴展性好，支撐多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；易于維護和數(shù)據(jù)修改，可集成其他數(shù)據(jù)源；不鎖表，讀寫效率很高。

Neo4j具備豐富的圖數(shù)據(jù)科學算法：連通分量算法可將圖切分成彼此不連通的子圖；頁面排行算法可計算節(jié)點在網(wǎng)絡中的影響力；Louvain算法可識別頻繁出現(xiàn)的集群；Jaccard相似度算法可判斷節(jié)點間的相似度。豐富的算法支撐了對數(shù)據(jù)價值的挖掘，從而提供決策支撐。

4 資源展現(xiàn)

本應用利用Neo4j的Cypher語言實現(xiàn)了便捷、快速、可自由定義的復雜查詢，項目團隊在充分調(diào)研業(yè)務的基礎(chǔ)上設計了大量貼近業(yè)務場景的查詢規(guī)則［10］，可對IT資源數(shù)據(jù)進行深度查詢，探索關(guān)系結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡拓撲，對隱患識別和風險防范提供了充實依據(jù)，同時對外提供了豐富的資源可視化展示功能。

部分應用場景如下：

（1）以3 000個CI間的關(guān)聯(lián)關(guān)系為例，輸出關(guān)聯(lián)拓撲。

（2）以圖4中的服務器A為例，進行上下級關(guān)系查詢，結(jié)果輸出其關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡設備、所屬機架、機房等物理位置、包含的應用、進程、主機歸屬系統(tǒng)部門、維保等各類數(shù)據(jù)關(guān)系，如圖4所示。

（3）以某系統(tǒng)為例，展示其內(nèi)部設備組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5中線條數(shù)量與占用端口和物理線纜數(shù)量有關(guān)，可根據(jù)自動生成的線纜數(shù)量判斷物理設備之間的端口占用情況及鏈路主備用情況。圖5僅展示了簡單網(wǎng)絡關(guān)系，依據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)生成的網(wǎng)絡拓撲一般較為復雜，邏輯結(jié)構(gòu)及其關(guān)系價值更高。

（4）以某機房為例，展示UPS、列頭柜、機架、設備各層級供電關(guān)系，如圖6所示。

從供電角度進行多層級CI關(guān)聯(lián)，可實現(xiàn)機房供電系統(tǒng)安全性排查，提前且直觀地發(fā)現(xiàn)未實現(xiàn)雙路供電的設備或機架，及早進行供電方案優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，當機房供電系統(tǒng)或設備掉電時，可及時發(fā)現(xiàn)供電依賴關(guān)系，分析可能造成的影響范圍。結(jié)合圖4中的配置項上下級關(guān)聯(lián)關(guān)系，可進一步實現(xiàn)相關(guān)業(yè)務、應用、進程等故障預警。

5 本研究應用效果

本研究應用初步達成數(shù)據(jù)交織、隱患識別、風險聯(lián)動的設計目標，解決了傳統(tǒng)IT配置管理中的各類重點難點問題，應用效果如下。

5.1 大幅提升各類資源操作的效率

經(jīng)驗證，資源相關(guān)記錄的創(chuàng)建、關(guān)聯(lián)和查詢速度均不超過10 ms，徹底解決了傳統(tǒng)CMDB中對大量數(shù)據(jù)進行遍歷時的延時問題，完全杜絕了操作頁面卡死無響應的現(xiàn)象。該方式和傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相比可大幅提升資源讀寫性能，避免因海量數(shù)據(jù)頻繁讀寫造成的數(shù)據(jù)庫壓力。經(jīng)對比測算，各類操作效率提升比例在50%以上。

5.2 全面生成資源間的關(guān)聯(lián)關(guān)系

圖計算基于節(jié)點、關(guān)系生成關(guān)聯(lián)記錄，數(shù)據(jù)保存質(zhì)量高，可輕松形成機房局址、機架、設備、操作系統(tǒng)、應用進程、業(yè)務系統(tǒng)等多層級立體管理體系，并與動力、空調(diào)、環(huán)境、維保等多個管理維度進行關(guān)聯(lián)，對所有配置項CI做到全部生成了關(guān)聯(lián)關(guān)系，達到關(guān)聯(lián)關(guān)系100%覆蓋，質(zhì)量提升達100%。

5.3 可視化呈現(xiàn)各類關(guān)系線條

對網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)依賴、層次架構(gòu)等業(yè)務場景實現(xiàn)可視化展示，可直觀、清晰地進行隱患識別、風險聯(lián)動，將傳統(tǒng)IT資源由表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖數(shù)據(jù)，極大地提升了數(shù)據(jù)可讀性，也可通過標準接口傳送給其他應用或外部平臺調(diào)用。本可視化呈現(xiàn)手段可作為應用嵌入各類生產(chǎn)功能模塊，進一步實現(xiàn)定制化開發(fā)。

5.4 充分挖掘海量資源的數(shù)據(jù)價值

本應用通過分類分層的方式進行縱向關(guān)聯(lián)，在生命周期的前后向上進行橫向關(guān)聯(lián)，所有數(shù)據(jù)交織成網(wǎng)，徹底解決數(shù)據(jù)孤島問題?；趧討B(tài)變化且相互依存的數(shù)據(jù)更能充分挖掘其數(shù)據(jù)價值，為上層提供 IT 決策和服務交付所需的洞察力。

6 結(jié)語

本研究提出了一種創(chuàng)新性的配置管理方法，結(jié)合先進的知識圖譜理念，應用主流開源圖數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開辟了數(shù)據(jù)中心IT配置管理方面新的研究方向，在此研究成果基礎(chǔ)上可進一步優(yōu)化CI關(guān)系設計，豐富業(yè)務線條下的配置管理，以完善運維為業(yè)務服務的最終目標。

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（編輯 王雪芬編輯）

Application scheme of CMDB and knowledge graph fusion

Zhang Yahui1， Ma Haiyan2， Wang Jiaping1， Mao Lei1， Xia Mingxin1

（1.Shandong Branch of China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd.， Jinan 250101， China;

2.Shandong College of Electronic Technology， Jinan 250200， China）

Abstract： In response to the lack of visual presentation in CMDB resource management and the low efficiency of resource calculation and query in the case of large amounts of data， the value of knowledge graph in IT configuration management is studied， and the characteristics and requirements of the configuration management database CMDB are analyzed. Based on the knowledge graph， IT resource configuration item management methods are studied， and the graph database Neo4j is used to replace traditional relational databases， Transforming the original simple data and table management into the management of data nodes and their interrelationships， using Neo4js Cypher language to achieve convenient， fast， and freely defined complex queries， while providing rich resource visualization display solutions to the outside world. This solution achieves the integration of CMDB and knowledge graph， providing a new solution for improving the visualization level and management efficiency of resource management.

Key words： configuration management; CMDB; figure calculation; knowledge graph; graph database