基于虚拟化的智慧图书馆数据层建设研究

2019-03-18蒋继平韦岩鹰

新世纪图书馆 2019年1期

蒋继平韦岩鹰

摘要 传统图书馆面临越来越多的挑战，加快建设智慧图书馆，是实现图书馆转型的关键。论文通过分析智慧图书馆的核心内容和系统框架，提出作为负责大数据存储和计算的数据层，其建设重点在于将图书馆数据中心虚拟化。最后文章以广西师范大学建设智慧图书馆实践为例，提出智慧图书馆数据中心数据层建设的解决方案。

关键词 智慧图书馆数据中心数据层虚拟化技术

分类号 G250.76

1 相关研究

随着云计算、大数据、互联网、物联网等技术的飞速发展和广泛融合应用，传统图书馆正面临着严峻挑战。为实现传统图书馆成功转型，“智慧图书馆”孕育而生。在图书馆界，第一个提出“智慧图书馆”概念的是芬兰奥卢大学图书馆的AITTOLA M教授，他认为智慧图书馆（Smart library）是一个不受空间限制且可被感知的移动图书馆服务^[1]。但真正引起全球范围内广泛关注和探讨的是从2008年11月IBM提出“智慧地球”概念开始^[2]。紧接着从“智慧地球”又延伸了“智慧城市”、“智慧社区”、“智慧校园”等相关概念。至此，“智慧+某领域”概念已然深入人心，智慧图书馆亦如此。

在我国图书馆学界，对智慧图书馆的相关研究已经非常丰厚，这些研究成果归纳总结起来主要分为三类。第一类是由于智慧图书馆的定义尚未统一，于是有学者试图从理论层面对智慧图书馆定义进行总结，如孙利芳^[3]等人的《再论智慧图书馆定义》、李显志^[4]的《国内智慧图书馆理论研究现状分析与对策》等;第二类是结合图书馆新馆建设，构建智慧图书馆，提出解决方案，如姚国章^[5]等人的《智慧图书馆的总体设计与应用系统建设研究》、曹轶^[6]的《三维智慧图书馆的设计和实现——以宝山图书馆为例》、康晓丹^[7]的《构建第三代图书馆的技术思考——以上海大学图书馆为例》等;第三类是研究学者和研究成果最多的，他们主要结合相关理论和技术对智慧图书馆系统框架如感知层、应用层等进行描述，进而提出策略对策或服务模式，如胡海燕^[8]等人的《基于全面感知的智慧图书馆创新服务研究》、曾子明^[9]的《融合情境的智慧图书馆个性化服务研究》、陈嘉懿^[10]的《智慧图书馆的构建之道——浅谈高校图书馆RFID技术应用新思路》、毕丽菊^[11]的《指尖上的图书馆：论移动互联网时代智慧图书馆的服务模式》以及周玲元^[12]等人的《基于SOA的图书馆情境感知中间件架构研究》等等。

笔者以“智慧图书馆”为主题词，在CNKI全文期刊数据库中，从检索出的相关文献里发现，学者们几乎都认为智慧图书馆框架应至少包含“感知层—数据层—应用层”这三层。从目前的研究成果来看，对于感知层和应用层的探讨研究很多，但对数据层（或者数据传输层）的研究少之又少。凌征强^[13]的《基于智能家居的智慧图书馆数据层建设》谈到了建设智慧图书馆可以借鉴智能家居，建立数据中心和数据中心管理系统作为智慧图书馆数据层的两个核心部分，深入探讨了智慧图书馆数据中心应具备的特点、建立数据层需面临的问题以及推进策略。但该研究没有论述如何建立智慧图书馆数据层，没有提出结合实际的解决方案。

本文从分析智慧图书馆定义的核心内容出发，结合广西师范大学图书馆（以下简称：我馆）新馆建设实际，对如何建设基于虚拟化平台的智慧图书馆数据层进行探讨，希望能为兄弟图书馆建设智慧图书馆提供借鉴。

智慧图书馆核心内容及系统框架

2.1 核心内容

从2008年底IBM提出“智慧地球”迄今为止，智慧图书馆在图书馆界还没有一个统一明确定义，不同的文献从不同的视角进行描述，进而得出不同的结论。严栋^[14]提出智慧图书馆是通过物联网来实现智慧化的服务和管理。董晓霞^[15]等人认为智慧图书馆是感知智慧化和数字图书馆服务智慧化的综合。乌恩^[16]认为智慧图书馆是在物联网、云计算、智慧化设备的支撑下，实现书书相联、书人相联、人人相联，为用户提供智慧化服务。曾子明^[17]等人认为智慧图书馆是以信息技术为支撑，以人和物的互联互通和协同感知为核心要素，不断提升读者阅读体验的智慧型知识服务。沈奎林^[18]等人在建设南京大学智慧图书馆的实践中，认为关于智慧图书馆其核心内容应有互联、便利和高效三个内在特点，而要建设互联便利高效的智慧圖书馆，必须依靠物联网等技术实现全方位感知，进而智慧化服务读者。

从目前的文献和研究成果来看，在关于智慧图书馆的相关论述中，利用新一代信息技术实现设备互联互通，资源深度融合和为读者提供智慧化服务，这三项是智慧图书馆的核心内容。

2.2 系统框架

实现智慧图书馆的互联互通、深度融合、智慧化服务，需要新一代信息技术为支撑。新一代信息技术指大数据、物联网、云计算、智能感知等技术。这些实现智慧图书馆的关键技术不应仅仅只是简单堆砌，应是一个系统工程，具有完整的系统框架。从我馆建设智慧图书馆的实践来看，我们认为智慧图书馆的系统框架应包含感知层、网络层、数据层、应用层。如图1所示。

2.2.1 应用层

指智慧图书馆直接面向读者的具体应用服务，主要包括承载馆藏数据和读者信息数据的图书管理系统即汇文系统、移动图书馆、统一认证平台、古籍普查平台、自助选位系统、新生培训系统、自助借还系统、opac检索系统、虚拟化云桌面系统、门禁系统、无线管理系统和地图导航系统等各个业务应用服务系统。

2.2.2 数据层

作为智慧图书馆的数据支撑层，负责感知层和应用层之间进行数据传递和处理^[19]。从技术形式上，数据层融合云计算、大数据、存储技术等多种技术，高度集成，负责来自感知层和应用层的数据存储和处理。从内容形式上，数据层是智慧图书馆异构数据的融合迁移、资源调度、安全管理，其异构数据包括馆藏数据、读者数据、环境感知数据等来自于感知层的智慧设备终端和应用层的各个应用系统数据库产生的各类信息数据。

网络层

介于数据层和感知层之间，由覆盖整个图书馆的有线网和无线网，校园网和电信网，局域網和互联网，物联网和通信网等多种网络融合构成，实现各类信息数据的高效、安全传输。由于我馆为高校馆，本身网络环境处于学校网络框架下，不存在复杂的网络环境。为避免所属教科网的局限性，我们租用了一条电信光纤，主要用于读者自助上网体验。校园网与电信网之间通过汇聚交换机链路，做到读者访问不同网络地址时，网络环境自动切换。

感知层

面向读者的第一层，为上层提供采集读者数据和环境数据。主要包括 RFID图书自助系统、基于VR的虚拟图书馆、二维码信息标识、3D感知体验、读者实时定位采集和温度湿度烟雾噪声的环境感知等前端服务内容。

虚拟化数据层

数据层作为承上启下的中间处理层，是整个智慧图书馆系统的关键和基础。图书馆服务智慧化就是对数据的智慧化处理，通过采集来自感知层的各种异构信息数据，在数据层对数据进行采集存储、整理加工、计算处理、统计分析，得出符合读者需求的结果，最后在应用层上进行互动式呈现。因此，智慧图书馆数据层必须具备大容量存储能力和高性能计算处理能力。

支撑数据层运营的硬件系统的物理存放地在图书馆中心机房。随着大数据存储和云计算处理需要，图书馆中心机房升级为图书馆数据中心。数据中心合理布局和硬件系统高效运转是数据层的性能保障和实现方式。结合我馆建设实践，我们认为实现数据中心数据层的建设目标，关键在于将数据中心模块化和虚拟化。模块化数据中心和虚拟化数据中心是实现智慧图书馆的前提和基础。

3.1 虚拟化数据中心

3.1.1 虚拟化技术定义及优势

随着智慧图书馆感知层设备不断丰富，感知层和应用层系统产生大量异构数据，对于负责信息计算和数据处理的中介层——数据层的计算性能和存储能力的要求变得异常高。图书馆传统中心机房硬件布局本质上是采用硬件与服务应用单一对应模式。这种“一设备一应用”的硬件简单管理模式存在诸多问题。①建设成本高。随着智慧图书馆应用广泛开展，应用服务系统会不断增加，按照传统布局，每新增一应用就应购置一套服务器和存储，而不考虑服务器系统资源利用率，这样的建设模式不但导致中心机房空间、动力、制冷等资源越来越紧张，建设成本也相当昂贵。②资源利用率低。服务器和存储资源往往以应用峰值来进行配置，一旦分配完毕，系统资源闲时利用率低，而其他应用又不能共享已分配的空闲资源，造成大量硬件资源浪费。③管理效率低下。一个应用对应一套硬件设备的传统机房管理模式，会随着应用的增加，导致系统资源调度、硬件健康监控、数据备份与恢复等机房管理效能非常低，硬件设备和系统资源都得不到统一管理与高效利用。

而虚拟化数据中心（Virtual Data Center，VDC）是建设智慧图书馆的新模式，针对传统图书馆中心机房的诸多弊端，摒弃“烟囱式”的建设模式，弱化异构硬件自身结构，强调以系统资源的有效管理、安全调度、实时监控、合理利用为统一管理目标，对智慧图书馆数据层的数据处理和计算具有重要支撑作用。

虚拟化数据中心的核心是虚拟化技术（ Virtual Technology，VT），它是将各种计算及存储资源充分整合和高效利用的关键技术^[22]。虚拟化技术的主要目的是对 IT基础设施和资源管理方式的简化^[23]。虚拟化技术在智慧图书馆数据中心的应用，按照信息数据处理和存储要求，主要集中在对服务器和存储上进行虚拟化，即服务器虚拟化和存储虚拟化。

服务器虚拟化

服务器虚拟化是指将服务器软件和硬件相互分离，把CPU、内存、硬盘、网卡等硬件转换成动态资源，使得在单台大型服务器主机上可以同时运行多个不同类型的操作系统^[24]。服务器虚拟化的主要优势在于将原有固定分配的闲时资源动态分配，简化系统资源管理，实现服务器整合，提高系统资源运行效率。

存储虚拟化

存储虚拟化是指存储设备（存储系统）和服务器操作系统分隔开来，为存储用户提供统一的虚拟存储池^[25]。智慧图书馆数据中心部署服务器虚拟化，必然涉及云计算和大数据，而首要解决的问题就是存储I/O性能瓶颈问题。近年来，硬件计算性能的发展远远快于存储性能。存储虚拟化优势在于：①所有存储空间实行中央管理，集中管理，有效提高存储利用率，从而降低图书馆采购存储硬件成本;②不同品牌的存储硬件可以统一在一个平台上，这样操作不但可以整合当前旧存储到新存储系统中来，而且还可以根据需要购买不同供应商的存储产品。

3.1.2 我馆VDC建设解决方案

服务器虚拟化

目前，我馆运行着38套系统，其中应用服务系统14个，11个电子期刊系统和13个数据库系统，这些系统分散运行在各个服务器上，所有的系统均采用物理化部署。这些服务器老化严重，使用年限较长，宕机风险大。服务器配置也远远不能后满足应用发展需求，迫切需要更换现有的设备，以提高图书馆的应用系统运载能力。更为重要的是，我馆雁山新馆建设按照智慧图书馆设计要求部署，以此应对开展的多项智能化服务。目前，已部署了多种智能化服务项目如读者行为习惯智能感知、RFID自助借还、3D导航、实时定位、自助选位、智能灯控等等。我馆中心机房服务器原有运行模式为一对一对应模式，如图4所示。资源利用率低。服务器虚拟化后，服务器资源将实现按需分配，动态调度，共享使用，高效利用。同时，原来各个应用系统的系统安全，也将有主机统一管理，安全策略和防火墙得到快速统一部署。服务器虚拟化架构模式如图5所示。

存儲虚拟化

目前，我馆的存储系统还处于依附于服务器的从属设备的地位。由于在原中心机房建设之初，并没有针对存储系统做统一整体规划，所以存储系统是伴随着应用系统拓展、服务器个数的增加而无序发展，存在着资源分散，管理繁琐等问题。存储系统的现状既不能满足我馆对智慧图书馆的建设要求，也不符合当前存储技术发展的趋势。

为解决上述存储问题，应建立高效的图书馆数据中心，为打造智慧图书馆的奠定坚实基础。根据我馆实际情况，我馆分为雁山馆、育才馆和王城馆三个馆舍。因此，对校区间的网络延时要求特别高。以服务器通过光纤交换机连接磁盘阵列的传统、单地模式已经不能适应我馆发展要求。经过广泛调研发现，建立图书馆双活数据中心是今后图书馆存储构架的发展趋势，也为智慧图书馆提供数据支撑。而对于存储异地数据库的最好方式则是异地双活模式。

图书馆双活数据中心是指数据中心共享网络以及服务器资源，两套存储同时对外提供服务，整个系统具有业务负载均衡和自动故障切换功能。存储双活作为整个系统的核心基础架构平台，主要解决以下两个核心问题：一是如何在数据中心间实现数据实时同步，从而保证异常情况下，零数据丢失（RPO≈0）;二是如何实现存储资源的虚拟化，提供可同时被数据中心主机访问的存储共享卷，从而实现主机应用集群的跨站点部署，保证异常情况下，应用的自动切换（RTO≈0）。

随着我馆以后主要业务都集中在雁山馆。我馆数据中心应以雁山校区为主存储，实现镜像数据的集中存储和统一保护，简化数据管理并带来数据管理的高效性。雁山校区本地通过10GE网络将两台存储互连，完成本地存储双活，镜像存储经由高速光纤将数据复制到育才校区灾备中心存储。育才馆作为灾备中心，负责备份雁山馆的重要数据，同时兼顾少量应用。王城馆由于馆舍被进一步压缩，学生教师人员相对较少，因此，没有建立中心机房。根据我馆智慧图书馆数据中心建设要求、实际应用和未来拓展等因素综合考量，存储双活解决方案如下，见图6。

4 结论

构建智慧图书馆以建设一个高效安全稳定的数据中心为前提，而建设计算性能高，数据处理快的数据层则是数据中心良好运行的有力保障。综上所述，文章对于数据建设提出了结合实际的解决方案，具有一定的借鉴意义。当然，文章探讨的智慧图书馆数据层建设主要偏向硬件平台建设，而要充分发挥智慧图书馆的内涵意义，作用于具体服务应用形式，还需要我们不断开拓思路，大胆应用云计算、互联网、网联网、大数据处理等先进技术，为图书馆信息数据智慧化地进的来、出的去、玩得转助力。智慧图书馆数据层建设，随着信息技术的不断发展而拓展出新的内容，是一个长期的建设探索过程。

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