云计算在水利部电子政务系统中的应用实践

陈真玄 ，丁 宁 ，范宇楠

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

0 引言

随着水利信息化的快速发展，水利业务应用系统的建设大规模开展，大大提升了水利业务应用的信息化管理水平。然而，随着水利应用种类的逐步增多、应用系统规模的逐渐增大，从系统建设的角度看，需要频繁地购置更多数量和更高性能的服务器资源。但是，硬件性能的更新和购置成本的提升，与中央推行的厉行节约的政策相违背；同时，软硬件资源的快速增长与技术支撑能力之间也存在严重的矛盾。在这种背景下，水利信息化建设积极引入云计算概念，将云计算技术与水利部电子政务系统结合，通过云计算将计算资源进行整合，各业务应用部门只需申请计算资源便可直接使用，这样可以节约大量的购置成本，并且有效降低系统维护的负担，能够更好地适应水利信息化高速发展的需要。这正是当今云计算实现的重要目标之一。

1 云计算概述

1.1 云计算的定义

2006年8月9日，Google 首席执行官埃里克•施密特在搜索引擎大会（SES San Jose 2006）首次提出“云计算”的概念[1]。云计算这个概念的直接起源是亚马逊 EC2（Elastic Compute Cloud 的缩写）产品和Google-IBM 分布式计算项目，这 2 个项目直接使用到了“Cloud Computing”这个概念[2]。

但是到目前为止，云计算还没有一个统一的定义，各个厂商和研究机构，都对云计算给出了自己的定义。维基百科对云计算的定义为，云计算将 IT相关的能力以服务的方式提供给用户，允许用户在不了解提供服务的技术、没有相关知识及设备操作能力的情况下，通过 Internet 获取需要服务；中国云计算网将云定义为，云计算是分布式、并行和网格计算的发展，或者说是这些科学概念的商业实现；Forrester Research 的分析师 James Staten 定义云为“云计算是一个具备高度扩展性和管理性并能够胜任终端用户应用软件计算基础架构的系统池”[3]。

结合上述定义，可以总结出云计算的一些本质特征，即随需应变自助服务、多人共享资源池、高扩展性、用户友好性、良好的管理性。云计算技术具有以下特点：

1）用冗余方式提供可靠性。云计算系统由大量物理服务器资源组成集群，通过云计算平台统一向用户提供数据处理服务。单台物理服务器的故障不会影响到业务应用，云计算平台可实现虚拟机的平滑迁移、无缝切换，大大减少硬件问题导致的单点故障。

2）资源快速弹性扩展。可根据需要实现资源池的快速动态扩充及虚拟机物理资源的弹性灵活调整。

3）应用快速部署。可通过预先定制操作系统模板，实现业务应用的快速部署。

4）经济性好。组建一个云计算平台相对于购置同样数量同等性能的服务器花费的资金要少很多，同时可以大大降低功耗，降低用户的成本，提高资源利用率。

5）服务可计量。云计算系统对服务类型通过计量的方法自动控制和优化资源使用。资源的使用可被监测、控制，可对供应商和用户提供透明的报告。

1.2 云计算的服务模式 [4]

一般认为，云计算的服务模式有 3 类：“基础设施即服务（IaaS）”，“软件即服务（SaaS）”，“平台即服务（PaaS）”。

IaaS 是指云计算服务商提供虚拟的硬件资源，如虚拟的计算、存储、网络等资源，用户无需购买服务器、网络和存储设备，通过网络租赁即可搭建自己的应用系统。IaaS 向用户提供可快速部署、按需分配、按需计费的高安全可靠的计算及存储能力的租用服务，并提供开放的云基础设施服务接口，用户可以根据业务需求定制租用相应的基础设施资源。

SaaS 是指用户通过标准的 Web 浏览器使用Internet 上的软件，前期无需在服务器或软件许可证授权上进行投资；与常规的软件服务模式相比，供应商维护应用软件的成本要相对低廉。供应商通常按客户租用的软件模块进行计费，用户可以按需订购软件应用服务，系统的部署、升级和维护由供应商负责。

PaaS 是指云计算服务商提供应用服务引擎，用户基于服务引擎构建服务。PaaS 是基于 SaaS 发展起来的，将软件研发的平台作为一种服务，以 SaaS 的模式提交给用户，可以加快 SaaS 的发展和应用开发速度。用户无需自行建立开发平台，在不同平台兼容性方面不会遇到困扰；供应商可以对产品实现多元化和定制。

无论是 Iaas，Paas，还是 SaaS，核心概念都是为用户提供按需服务，于是产生了“一切皆服务”（EaaS 或 XaaS）的理念。基于这种理念，以云计算为核心的创新型应用不断产生。云计算与水利部电子政务系统的结合就是典型的应用之一。

2 水利部电子政务云计算应用背景

2.1 水利部电子政务信息化现状及问题

目前，水利部电子政务信息化虽然作用显著，但在运行管理过程中仍存在以下一些突出问题：

1）信息化建设缺乏统一规划。各自为政、条块分割的建设模式，造成信息不能共享，各个部门业务建设缺乏统一标准，无序发展，造成重复建设和投资浪费。

2）IT 建设模式制约信息化发展。多数大的信息化项目都由单个部门牵头建设，已建成的应用系统模式不统一，系统之间难以互通互联，形成大量的信息孤岛。

3）数据中心规划面临新的挑战。新业务系统的建设，对数据中心的规划提出了新的挑战。新技术层出不穷，新业务部署周期长，业务量的增长和旧平台的性能不平衡。

4）安全威胁日益严重。各个部门独立建设系统，信息化的战略性安全问题越来越突出，对信息化基础设施的可靠性要求越来越高。

5）软硬件系统管理难度日益增大。新的应用系统建设，需要部署新的硬件和应用，造成众多设备的数量绝对值持续增大，管理难度也越来越大，系统越来越复杂，专业性维护要求越来越高。

6）IT 需求与能源效率的矛盾凸显。IT 设备数量多，整体资源利用率低，数据中心技术落后，能源利用率低。

2.2 水利部电子政务信息化整治目标

为了使水利部电子政务系统的使用更高质量、可靠、成熟，希望实现以下目标：

1）实现基础 IT 资源整合，减少系统重复建设和资源浪费；

2）实现业务集中部署，打破传统信息孤岛，缩短新业务部署周期；

3）实现对整个系统资源的统一调配，满足未来电子政务系统计算、存储和网络等资源的发展需要，对系统基础架构留有充分的扩充能力，方便已建系统使用过程中资源的平滑扩展；

4）实现基础资源的统一管理，减轻系统的维护压力。

2.3 水利部电子政务云计算克服的技术难点

云计算在水利部电子政务系统的实践中克服了以下技术难点：

1）针对服务器、存储、网络等设备品牌的不同，需要克服不同厂商技术壁垒的难点，云计算系统实施前针对水利部电子政务系统现有的设备品牌进行了充分兼容性测试后才进行系统上线。

2）为保障系统安全、数据同步，系统无缝切换，实施时采用 vmvare converter 迁移技术将原有虚拟机平台的虚拟机平滑迁移到现有云平台环境。

3）针对操作系统及软件种类繁多、版本复杂，添加服务器复杂性高的难点，预先定制各种可能用到的虚拟机模板，方便虚拟机的快速创建。

4）对于不断增长的业务需求导致的服务能力下降，通过云平台的搭建，大大减少了物理设备的数量，减轻了运维部门的压力。

3 云计算在水利部电子政务系统的应用实践

3.1 云计算平台的建设思路

经过前期的调研分析，制定的建设思路如下：充分借鉴其他行业信息化建设的成功经验，提出从业务及数据需求出发，以“云计算”基础架构为基础，以业务应用为突破口，充分整合各种水利信息化建设成果，建设以“水利云”为目标的“水利部云计算平台”。

图1 拓扑结构

3.2 云计算平台的系统架构

水利部云计算平台拓扑结构如图 1 所示。

经过大量调研和多方面的对比分析，水利部云计算平台软硬件搭建环境最终选择如下：

1）服务器资源池利用水利部电子政务信息化建设已购置的 4 台高性能 8 路 10 核服务器（共计 320 核）作为计算资源池服务器，可搭建约 200 台虚拟机（2 个CPU，16 GB 内存），为水利部电子政务系统提供强大的支撑能力，满足不断增长的业务需求。

2）存储资源池基于 FC-SAN 结构，采用水利部水利信息中心现有的光纤存储重新构建，从而达到有效利用现有资源、充分利旧、保护前期投入的目的，克服不同厂商的技术壁垒。

3）云计算管理平台软件选用国产知名云计算管理软件构建云平台。云计算平台在单台服务器虚拟化的基础上，通过虚拟化管理中心将多台服务器、存储硬件基础资源进行整合，构建硬件（CPU、内存、I/O）资源池，实现数据中心整体硬件资源的按需分配，并由操作系统（OS）软件满足对系统资源的统一调配，从而保障系统安全、数据同步，达到快速部署服务器及应用服务的要求。

3.3 云计算平台实践的意义

水利部云计算平台建设是水利部对 IT 信息化发展的深入理解和实践，体现了水利部信息化建设的领先性。

水利部云计算平台采用国内自主研发的服务器和操作系统，从建设、管理到后期服务实现了全部国产化，保证了系统的自主可控和安全可靠，在信息安全频频遭受国外严重威胁的形势下，杜绝了水利重要数据丢失的风险。

水利部云计算平台于 2012年10月15日投入运行，目前已建立 Windows 2003，Windows 2008，RedHat 等 7 种操作系统模板，部署了水库移民、水利 ArcGIS、水情会商、气象后台实施计算、水利普查成果查询等核心应用系统，共计 54 个虚拟机。水利部云计算平台自投入运行以来，至今运行稳定。

3.4 水利部电子政务云计算平台功能亮点

云计算平台在水利部电子政务系统中的应用主要有以下功能亮点：

1）资源充分共享。实现了各类不同品牌的硬件资源的统一管理，消除了不同厂商的技术壁垒，实现了服务器、网络、存储等资源的充分共享。

2）动态资源扩展。实现了物理资源池资源的在线动态扩充及虚拟机物理资源的灵活调整，大大提高了工作的便利。

3）业务快速部署。通过预置的应用服务、虚拟机模板，实现了业务的快速部署，缩短了业务部署时间，满足了不断增长的业务需求，屏蔽了添加服务器的复杂性；通过对已建虚拟机创建快照，虚拟机操作系统故障时可以直接恢复到快照，免去重新安装软件的麻烦。

4）系统可靠安全。通过关键数据加密、虚拟机动态迁移、P2V 等手段，保障了系统与数据的安全，实现了物理环境向虚拟环境、虚拟环境之间的平滑迁移，无缝切换，当某台物理主机故障宕机后，虚拟机可以自动迁移到别的主机上，避免了硬件问题导致的单点故障。

5）全面资源监控。实现了资源的统一管理调配及云计算平台 CPU、内存、网络、存储资源的动态监控。

3.5 云计算模式推广的优势

3.5.1 管理政策层面

1）提高资源利用率。传统服务器资源利用率为10%～15%；云计算平台实现服务器利用率在 60%以上，通过云计算整合，服务器资源的功耗可下降50%～75%。

2）改变产业结构。信息化不再是工业化的支撑平台，而是业务创新的新平台，信息化产业作为低碳产业，对优化产业结构，可发挥重要作用。

3）降低成本。云计算中心的建设从传统的信息化建设逐步升级到基础设施建设的高度，云计算的本质是业务的高度共享和服务模式的转变，云计算的最终目标是降低用户的成本，提高业务的效率。

3.5.2 数据中心层面

1）节省空间。云计算中心可以大幅减少服务器的数量，最高可节省 90% 的空间。

2）降低功耗。云计算中心功耗为传统数据中心的 25%～35%。

3）简化管理。云计算中心大幅减少物理服务器的数量，管理难度大大降低；云计算平台上运行的业务可以根据负载自动迁移，硬件故障不会导致系统停机；从设备管理升级到资源池的管理，管理的是资源而非设备。

4）快速部署。云计算中心的建设，可以直接在资源池中分配新资源给新开发的业务系统，通过模板复制技术，将系统上线周期从传统的 1～3 月降低到 1～3 周。

5）支持异构。资源池的建设，支持不同厂商的硬件产品，从而有效利用旧有设备。

6）按需调动资源。实现跨资源池动态调整计算资源，基于预定义的规则智能分配资源。

3.5.3 业务应用层面

1）数据高度共享。云计算中心采用集中的数据存储方式，可以对集中的数据实现统一的数据安全策略；将业务整合到统一的云计算平台，有利推动业务应用系统的融合和数据的共享。

2）系统可靠性提高。云计算中心实现所有的应用高可用，当设备出现故障，应用会自动从故障设备迁移到其他服务器上，实现系统高可靠应用。

3）运维成本降低。云计算模式下，可以将不需要的服务器置于待机模式，当工作负载需要增加时，再恢复服务器的在线状态，保证服务水平的同时能减少电力消耗。

4）IT 创新提升业务竞争力。云计算中心可以大幅简化 IT 管理，降低 IT 复杂度，系统管理人员得到释放，有更多精力用于 IT 业务创新。

4 结语

云计算在水利部电子政务系统的实践，提升了电子政务应用系统的部署速度，缩短了应用上线时间，提高了系统资源扩充的灵活性，增加了维护工作的便利，同时避免了业务重复建设造成的资源浪费。但是，目前应用仍停留在云计算的底层服务模式 IaaS 上，未来的发展中应挑战更高级别的服务模式，如 PaaS，SaaS。通过 PaaS 服务模式将软件研发的平台作为一种服务提交给用户，用户无需自行建立开发平台，可以进一步加快应用开发的速度；通过SaaS 服务模式可根据用户需求直接申请使用软件应用服务模块，更进一步实现信息资源的高度共享。

[1]百度文库. Google 云计算的现状与发展[EB/OL]. [2014-02-23]. http://wenku.baidu.com/link?url=mEzbPWRGyX7SA-qjsfZbnovinZR8v_a1ZttdE8JpDjnqpxRR-rab4qVMJu48JHQP-tJgTSpe4PtZSSAvTrfo8O3HFMB4OlZ2CJHpKLjGz9f23.

[2]杨光雨. 浅析云计算技术[J]. 福建电脑，2010 (1): 44-45.

[3]邓倩妮，陈全. 云计算及其关键技术[J]. 高性能计算发展及应用，2009, 29 (9): 2-6.

[4]刘越. 云计算技术及应用专题研究报告[R]. 北京：工业和信息化部电信研究院通信信息研究所，2009: 1-41.