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1、精选优质文档-倾情为你奉上云计算在高速铁路列控调度中的应用 课程名称： 现代铁路信息技术姓 名： 向勇潮 张丹丹 杨 丽 指导教师： 李红辉 完成日期： 2011年10月22日摘 要云计算具有大规模、虚拟化、高可靠性、通用性、高可扩展性、按需服务和价格低廉等优势，目前已在许多领域应用。基于云计算以上的优势，本文讨论了云计算在铁路运维中的应用，实现多个系统共享一个云平台，集中建设，集中维护，节约开支，避免大量的重复性建设，并且在系统容灾方面具有一定优势。关键词：云计算；虚拟化；铁路运营支撑系统AbstractCloud computing have gained the effective ap
2、plications in various fields currently. It has advantages such as large scale, virtualization, high reliability, versatility, high scalability, on-demand service, low cost and so on. Based on the above advantages of cloud computing, this paper discusses the application of cloud computing in railway
3、operation and maintenance, implementing the sharing of one cloud platform for multiple systems. Using this kind of design, the System could not only concentrate on construction and protection, avoid a large number of repetitive constructions, but also had great advantages on system disaster recovery
4、.Key words: Cloud Computing; virtualization; Railway Operation Support System前 言铁路是我国的重要交通工具，伴随着高铁的迅猛发展，铁路越来越受到广大民众的青睐。铁路信息化经过多年的发展已经成为铁路日常工作的重要支撑，各类信息系统在运输组织、客货营销、经营管理和安全监控等工作中发挥的重要作用日益彰显。为满足业务需求，在运输站段、铁路局、铁道部都建立了各种等级的信息系统机房，并根据业务最大数据量及计算量的需求购置了主机、存储设备及相应的平台软件等，为确保信息系统安全可靠运行，主要系统大多数采用了主备机、单（或多）存储阵列
5、结构。这些设备分布在铁路局或站段机房。350公里/小时的高铁给铁路信息系统带来的不仅是更快的即时数据处理压力，而且对路网安全等级与精细维护的要求也大大提升，铁路信息管理的范围也从传统的票务系统、客货运管理、呼叫中心与铁路专业办公，延伸到为确保安全而在路网密集处实施信息监测、采集与处理。与此同时，呈指数级增长的数据对铁路信息化管理带来了巨大的挑战和压力，传统的基于大型机的数据中心，离散的信息管理模式已无法应对高铁时代的铁路信息化需求。提供商向铁路装备行业展示了云计算技术的美好前景，把传统的铁路信息应用系统、管理系统迁移到云计算的大平台上，给未来铁路信息系统带来巨大变革。目前，铁路信息化系统正处于
6、发展阶段，而云计算则可以为之提供一个新的IT基础设施平台。通过云计算概念，可以节省大量的硬件设施，减少运行和维护上的费用。云技术在铁路上的应用给铁路带来了飞跃式的发展，提供了更安全，更准时，更可靠的服务，使铁路管理更加系统化、完善化。1 云计算1.1 云计算概述云计算( cloud computing) 是一种动态的，可扩展的而且可以通过互联网提供虚拟化资源的计算方式。其核心思想，是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务。在这一共享模式中，“云”是指各种虚拟化的计算资源池，它包括各种用于构造应用程序的基础设施，以及在这些基础设施上的具体的云计算应用。云计算由
7、分布式计算、网格计算等技术发展而来，并融合了虚拟化和SOA等技术。根据云计算的运行模式可以将其分为私有云和公有云。公有云计算部署在服务提供商的环境中，为不同的客户同时提供计算服务。私有云计算部署在用户环境当中、并只为用户提供计算存储服务，企业拥有资源分配的自主权，并且可以基于自己的需求改进服务，进行自主创新。大企业可以开发自己的私有云计算，既享受云计算的高伸缩、易维护和易访问等好处，也可以保证数据安全。 云计算通常可以认为包括以下几个层次的服务：基础设施层，平台层和服务或软件层。云计算服务通常提供通用的通过浏览器访问的在线商业应用，软件和数据可存储在数据中心。在后文中作者会结合云计算基本的系统
8、层次介绍基于云计算的铁路信息系统的各个系统层次。1. 2 云计算的主要特征云计算通过互联网将资源以按需服务的形式提供给用户，而用户并不需要了解、知道或者控制支持这些服务的技术构架。资源作为一项服务提供给客户，并按照效用计算模式向最终用户收取费用，这类似于传统公用事业中的电力消耗。多个用户共享云计算能力，这样服务器不闲置，可以在保证应用程序开发速度的同时，提高利用率并大大降低成本。更具体的说，云计算具有以下基本特征：1）经济性。整合了硬件和软件资源，提高了整体效能，大幅简化了IT系统维护的复杂度。组建一个采用大量的商业机组成的资源池的资金远远少于各个终端用户配置计算机的总和，也少于同样性能的超级
9、计算机花费。 2) 灵活性。隔离了软件与硬件，减少了软件对于某台具体设备的依赖。不针对特定的应用，既可以满足个人用户的需求，也可以满足全球级大型用户的需求。服务的实现机制对用户透明，用户无需了解云计算的具体机制就可以获得所需服务。3) 可靠性。云计算系统由大量商用计算机向用户提供数据处理服务，采用软件的数据冗余和分布式存储来保证数据的可靠性。2 RITS（铁路智能交通系统）云技术2.1铁路智能交通系统( RITS )的云概念铁路智能运输系统(RITS) 就是集成了计算机技术、电子技术、现代通信技术、信息处理技术、控制与系统技术、管理与决策支持技术和智能自动化技术等以实现信息采集、传输处理和共享
10、为基础，通过高效利用与铁路运输相关的所有移动、固定、空间、时间和人力资源，以较低的成本达到保障安全、提高运输效率、改善经营管理和提高服务质量的目的。RITS致力于强化铁路运输的安全可靠性，提升对旅客服务的水平，提高铁路企业的运营效益。RITS 的基础是信息集成，核心是智能。在RITS中，人、系统与服务对象以全新方式相联并相互作用，智能贯穿于整个运输过程，信息在系统的各成员间共享，包括旅客、货主、司机、调度员、代理商及各级政府机构。2.2 RITS云层次机构2.2.1 基础设施层整合资源基础设施层主要包括计算资源和存储资源，整个基础设施也可以作为一种服务向用户提供，不仅包括虚拟化的计算资源和存储
11、，同时还要保证用户访问时的网络带宽等。这也是硬件产品提供商推荐的云计算模式。在基础设施层整合资源，既有的应用系统软件可以简单地移植到新的环境中。虚拟化是云架构的一种基础性设计技术，它允许将服务器、存储设备和其他硬件视为一个资源池，而不是离散系统，可以根据需要分配这些资源，通过快速提供虚拟机器或物理机器，迅速部署和增加工作负载。除服务器和存储整合之外，还提供整合系统架构，包括应用程序基础设施、数据和数据库、接口、网络、桌面系统甚至业务流程。铁路运输安全平稳的运行依靠运营核心管理系统和与之协调工作的运营支撑系统。这些系统常常由各铁路局自主招标设计采购，管理和维护，这就造成了重复性建设和管理维护过程
12、中人力物力资源的浪费。在云计算平台上建立一个能供多个系统同时运行的平台，可解决上述问题。首先，系统建设、运行及维护的成本低廉。采用集中建立与维护的方式，系统建立的过程中不需要为单个系统分配单个的硬件设备，每个系统都在一片虚拟的云中，他们只需要对于各自所需要的计算与存储能力向云平台申请部分虚拟的资源即可，大大节约了系统建设的成本投资。加之在系统冗余方面，将原系统硬件需求量扩充为原来的2倍，改成集中在云内开辟一片虚拟空间，作为系统容灾备份。在系统建成之后，后期只需要在中心机房对于硬件设备进行维护即可，减少了各铁路局分散的维护管理所需的人力物力，降低了设备的维护和使用的成本。其次，服务的高效性。当每
13、个用户向平台中的应用提交请求时，他面对的是整个云团中的众多设备为其请求进行服务，执行效率远远大于传统的单机版应用系统。再次，系统的高可靠性。云平台可以将发生故障的设备上的负载平衡到其他设备上，另外通过信息存储时的冗余设计，在一般情况下信息不会丢失。在用户层面上，根本不会察觉到故障的发生。而当故障排除后，原故障设备又可以继续回到云中，扮演原有的角色。基于虚拟化的资源整合后，特别是微机服务器虚拟化后，可以大幅度提高资源可靠性，通过减少服务器数量可以减少动力电力、耗能以及数据中心机房空间。可以将更多的应用（包括以前使用小型机的项目）移植到虚拟化的资源池中，降低投资和维护成本，提高运行可靠性。2.2.
14、2 平台层整合资源在基础设施之上的平台层主要包括并行程序设计和开发环境、结构化海量数据的分布式存储管理系统、海量数据分布式文件系统以及实现云计算的其他系统管理工具，如云计算的系统中资源的部署、分配、监控管理、安全管理和分布式并发控制等。平台层主要为应用程序开发者设计，开发者不用担心应用运行时所需要的资源，平台层提供应用程序运行及维护所需要的一切平台资源。平台层服务技术门槛相对较高，仍处于不断发展中。在平台层整合资源，需要建立新的软件平台，既有的应用系统移植难度较大，在开发新的应用系统或升级既有的系统时可以采用这种方式。 2.2.3 应用层整合资源它是面向用户提供简单的软件应用服务以及用户交互接
15、口等，用户无需购买和管理服务器端软件，称为软件即服务。对于传统的软件，应用层服务解决方案有明显的优势，包括较低的前期成本，便于维护，快速展开使用等。应用层服务的底层可以基于基础设施层或平台层。 应用服务（SaaS，软件即服务）业务，基于互联网的商业运营历史悠久，也是技术发展非常成熟的云计算业务。可以在铁路信息系统应用层面实现资源整合，许多站段的管理应用软件功能基本相同，如各专业日常管理软件、办公管理软件、 电子邮件等。 每个站段都安装管理服务器端软件，既要配置更多的软硬件资源，又对技术能力有更多的要求。可以把这些软件安装在铁路局的基础设施“云”，实行专业化管理，站段只要“享用”这些服务就可以了
16、。可以采用SOA技术，具体来说就是Web Service 技术。SOA 是一种IT 架构，通过把任务和软件功能封装为能够通过网络访问的一组相互连接的服务模块，实现软件功能的柔性组合，为云平台应用软件功能服务化提供了可行的方案。 应用层整合资源对于降低投资成本、 便于维护和快速部署使用也是非常重要的。图1 RITS云的结构层次模型2.3 RITS云技术在铁路运维中发挥的作用（1）强大的计算和存储能力。RITS 云将系统各节点和终端的计算和数据分布在大量的分布式计算机上，云中成千上万的计算机提供强大的计算能力，针对中国巨大的铁路交通规模和庞大的系统数据，RITS 云提供强大的计算和储存能力。（2）
17、系统良好的扩展性与经济性。智能铁路交通系统中所有节点或者计算机终端，需要硬盘、配置显示器、CPU、内存等一整套设备，并且确保其性能满足该节点或终端的计算和储存需求。但利用RITS 云，可能只需要一个现实设备，接入铁路智能交通网中，就可以根据权限实现计算和储存功能，而且不必担心自己购置的设备遭淘汰，因为RITS云所采用的硬件设备是由系统核心节点单位负责维护和更新，这样电力系统在信息交互的这个层面就具有良好的扩展性和经济性。（3）资源动态扩展分配。系统信息网的所有资源可以按需分配和自动增长，而上层的数据及应用可以根据级别和重要程度的不同,，搭配出各种互相独立的应用，形成一个以服务为导向的内部RIT
18、S 云架构。（4）计算存储的虚拟化。虚拟化是云计算的技术基础，它将底层所有硬件虚拟化，建立一个共享的，可以按需分配的庞大的系统资源虚拟池。而RITS云同样也是建立了一个铁路智能交通系统资源的虚拟池。3 基于RITS云的列车运行控制系统( CTCS )实例CTCS 的体系结构可以分为3 层：1) 铁路运输管理层。铁路运输管理系统是行车指挥中心，以CTCS为行车安全保障基础，通过通信网络实现对列车运行的控制和管理。2) 地面设备层。主要包括列控中心、轨道电路和点式设备、接口单元、无线通信模块等。列控中心是地面设备的核心，根据行车命令、列车进路、列车运行状况和设备状态，通过安全逻辑运算，产生控车命令
19、，实现对运行列车的控制。3) 车载设备层。车载设备层是对列车进行操纵和控制的主体，具有多种控制模式，并能够适应轨道电路、点式传输和无线传输方式。车载设备层主要包括车载安全计算机、连续信息接收模块、点式信息接收模块、无线通信模块、测速模块人机界面和记录单元等。其中地面设备可视为 RITS云的虚拟资源池，通过云接口与车载设备和铁路运输管理层实现互动。这样不仅可以减少地面设备的硬件设施，同时实现了资源的融合与共享，使列车控制与运输管理从更大范围进行与调控，实现设备间无缝连接，提高工作效率。CTCS 系统如图2所示。图2 CTCS系统的体系结构图4 RITS云在铁路智能交通系统的发展障碍与展望4.1
20、RITS云在铁路智能交通系统的发展障碍1 规模问题如果搭建的运算规模太小，节能性、投资收益等经济指标并不显著。2 隐私问题虽然RITS云在铁路智能交通系统应用服务中发挥了巨大好处，但它们可能会导致数据的隐私和机密性面临危险。存储在基于云计算的系统中的数据包括客户记录、税务和财务数据、电子邮件、健康记录、文字处理文档、电子表格和PowerPoint演示文稿等。云技术要求大量用户参与，也不可避免的出现了隐私问题。用户参与即要收集某些用户数据，从而引发了用户数据安全的担心。很多用户担心自己的隐私会被云技术收集。正因如此，在加入云计划时很多厂商都承诺尽量避免收集到用户隐私，即使收集到也不会泄露或使用。
21、但不少人还是怀疑厂商的承诺，他们的怀疑也不是没有道理的。不少知名厂商都被指责有可能泄露用户隐私，并且泄露事件也确实时有发生。3 网络和负载均衡网络是云计算的环境基础，云计算会使网上传输的数据急剧增长，这对网络带宽和可靠性提出了更高的要求。目前的铁路信息网络状况无法满足这样的要求，必须优化网络布局、提高主干网络速度和增加网络冗余，避免出现单点故障。负载均衡技术通过虚拟IP地址把多个服务器和服务组合起来，根据资源情况调度服务器和服务。负载均衡技术对于云计算数据中心也很重要。4.2高速铁路网间切换问题例如原本属于A基站网段的列车开到B基站网段，在边界的通信和控制权切换问题。可以借用一下LISP（Lo
22、cator ID Separation Protocol)，LISP已应用在手机跨基站的切换中。LISP（Locator/ID Separation Protocol）实质是个IPinIP的协议，其主要思想早在15年前就已经被人提出来进行研究，然而一直没有太具体的东西产出。直到2006年，Cisco重新开始投入资源进行研究，目前已经提交了很多的IETF Draft，最新版是今年4月份的DraftVersion12。但就应用来说，Cisco的LISP目前也只处于试验阶段，距离能够推广商用还有不短的时间，很多技术细节方面问题需要解决。LISP提出将标识Locator的IP（RLOC）和标识目的节点
23、ID的IP（EID）进行区分和叠加封装，在公网传输时只根据Locator IP转发，只有到达站点边缘时才会剥离外层IP，使用内层标识EID的IP进行转发。LISP有两个主要的目标：一是公网设备不需要学习站点内部明细IP路由项，可以有效减少公网的路由数目；二是当访问的目标服务在站点间迁移时，可以只变更Locator的外层IP，不需要对服务节点的内部IP地址进行变更，可以避免TCP等上层应用的中断重建，此点主要是应用于数据中心vMotion和手机上网漫游的场景。1、由源主机发往目的主机的数据报文第一次到达客户区域的LISP边界设备ITR。2、ITR会根据报文的目的IP地址EID，向Director
24、y区域的本地查询服务器MR请求EID对应的目的站点边缘设备公网Locator IP。3、MR会根据本地EID所属路由网段与MS的对应表项将查询请求提交给数据服务器MS。4、MS上拥有EID对应目的站点边缘设备ETR的对应表项信息，MS会查表将此请求转发给ETR。5、ETR会根据自身设置的规则（如优先级等）选择站点的某个公网IP作为Locator IP反馈会ITR。ITR会根据ETR回应报文中的Locator IP封装外层报头将数据报文发到公网上，同时记录此EID与Locator IP的临时对应表项，当再有去往此EID的数据报文流经时直接封装转发。如果觉得1-5步的过程复杂不易理解，请回想一下D
25、NS整套的域名解析过程，都是相通的。注意上述名称都是技术角色，一台设备可以实现多个LISP的角色功能，如同时实现ITR/ETR功能，或同时实现MR/MS功能等。另外ALT是用于搭建MR和MS之间Directory区域互联用的中间角色，通过BGP扩展报文为MR和MS之间传递路由信息；PITR和PETR是用于LISP与不支持LISP的网络对接时做ITR和ETR代理用的角色。由于目前LISP也还没有定稿，此部分设备功能没有完整定义，有兴趣的同学请自行深入研究。LISP中各角色之间大都通过手工指定的方式建立连接关系，如ITR上需要指定MR地址，ETR上需要指定MS地址，只有MR和MS之间可通过BGP来
26、建立邻接关系并通过扩展报文传递EID表项信息，但目前实现出来的还是以手工指定方式为主。而且ETR上要将哪些EID信息发送到MS上，也同样需要通过配置网段掩码的方式手工进行指定。LISP并不是专门为数据中心开发的技术，因而Cisco如果想将其在数据中心场景进行研究推广，估计会进行一些协议改造使其更加适用于数据中心的场景需求。个人理解如果希望LISP应用于数据中心多站点选路，还需要解决以下一些技术问题： 1、迁移后服务器EID在新站点的ETR注册问题。既VM迁移后，新站点的ETR如何知道它此时需要向外发布对应的EID。Cisco的当前做法是使用IP报文侦听，先配置个侦听范围，既可能会迁移过来的IP
27、地址段，当监听到本地出现此地址段为源IP地址的IP报文时，会激活此EID表项并发给MS进行注册。个人感觉侦听免费ARP会更方便一些，vMotion后VM肯定会发免费ARP报文的，但发IP报文就得看服务器的应用层协议设置了。不过此方案需要在站点间过滤免费ARP，不能使其跨站点传输，否则二层隧道会将免费ARP扩散到所有站点，侦听就没意义了，而过滤后会不会有其他问题还需细琢磨。这里只随口提个思路，什么方案都是有利就有弊的，需权衡清楚再实现。另外也可以让vCenter等管理平台去通知ETR，类似于前面的GSLB方案，这样必须和VMware等虚拟机厂商做强联动，有些违背使用LISP的初衷。2、迁移后通知
28、ITR快速切换新的Locator IP问题。这个就更加复杂了，VM刚由站点A迁移到站点B，ITR不知道啊，还是在用旧的Locator IP封包发送，此时应用业务肯定就断了，直到ITR获取到新的Locator IP后才能再建立起连接恢复业务。如果是时间敏感型的业务，中断个几分钟，上下几百万就没了不是。当前LISP提了很多解决方向出来，但还没有什么确定的技术方案。个人思路如下，此问题需分解为两个小问题各自解决：首先是要解决ITR如何感知迁移发生的问题：1）管理平台通知，需要联动，而且ITR那么多，也不会都注册到管理平台上去，不太靠谱。2）由ITR探测EID存活状态，探测范围太大，EID可能以主机路
29、由居多，对ITR负担太重，可行但不是很好。3）由原始站点ETR探测EID状态，当迁移后探测到EID不在本地站点，则通知ITR删除临时表项。ETR上是保存了所有ITR表项的，可以很方便知道都要通知谁。但由于各站点间服务器前端网络二层互通，因此还要想办法将此探测报文在站点间隔离，否则迁移前后始终都是通的，和前面的ARP侦听方案存在相同的问题。4）在问题一已经解决的情况下，当服务器EID在新站点的ETR注册完成后，由新站点ETR向所有原始站点ETR发通知，再由原始站点ETR通知ITR删除临时表项。这个方案感觉相对更靠谱一些，可以将所有可能运行同组业务的数据中心站点ETR都设定到一个组里面，大家有事没
30、事互通有无一下。再有要解决ITR感知迁移后如何切换EID对应的Locator IP问题：1）使用上面几种感知迁移发生的方法后，都可以将ITR的EID对应Locator IP临时表项删除，由ITR重新发起一套EID的寻址流程获取新的Locator IP，缺点是稍慢。2）在上面第4种解决方案中，原始ETR收到新ETR的通知后，向ITR发个EID变更信息告知新的ETR地址，由ITR向新的ETR直接发请求获取新的Locator IP，不经MR/MS倒腾一遍手了，这样需要在LISP中多定义一个EID变更报文和相关处理流程。切换速度能提升些，但也稍微复杂了些。4.3 RITS云在铁路智能交通系统的展望应用
31、技术探索铁路信息化，目标是为铁路提供可管理、可连通、可靠的信息化环境，并随时关注业界动态，力争使已有的成果在铁路行业甚至业界产生广泛的影响力。一方面主要表现信息化运营系统基本已进入到平稳运行阶段，对IT硬件设备的需求较为平稳，转而加大了对软件升级改造和服务的投入。另一方面，铁路近几年的基础建设呈跨越式发展，铁路新干线、客运专线、高速铁路、客运车站等的建设大量出现，也带动了很多IT新项目的建设以及IT基础设施的建设投入，因此云计算的应用增长保持了很高的势头。 根据铁路交通系统的基本特点, RITS云的建立不能完全效仿普通的云计算，而是要构建适合铁路智能系统现有信息网络架构的RITS云。1) 铁路
32、智能交通系统可以视为智能交通系统的一部分。智能交通系统结构庞大, 考虑到权限判定的繁琐，任何一个小节点或者计算机终端的需求不能全部提交到需求分配中心，因此可以将不同系统建立主云和子云来限定权限分配和资源分配。而铁路智能交通系统则可作为智能交通系统的一个子云接入到更为广阔的云中。2) 目前，铁路交通系统发展很快，信息网络扩建也很迅速。以前的扩建需要很大的投入在处理器和存储器上。而在RIT S云的体系结构下扩建信息网络，信息设备只需要很小的投入，即人机交互设备的投入，从而大大节省了硬件投资。3) 云计算模式下，数据的存储和管理不是类似一个更大规模的虚拟数据库。传统的数据库是有组织有规律的。而云计算
33、下的数据是半组织，甚至无组织规律的。因此，如何存储和管理显得不那么重要，而如何找到这些数据才是当务之急，更重要的是找到了之后还要进行解读以提交给相应的服务。5 结束语 RITS云的提出和建立，将对整个铁路智能交通系统信息交互、计算和储存带来巨大的影响。同时也是对智能交通云计算的前期试探。通过RITS云的建立，在完全不改变现有系统内网和设备的情况下，最大限度发掘系统现有计算和储存能力，提高当前系统的整体性能。促进铁路智能交通系统发展的同时，也对智能交通系统的整体云规划做出一个典范，以便未来从更广阔的空间发展智能交通系统的云计算尝试。参考文献1 金锦辉，毛中亚，郭其一铁路智能交通系统的云计算交通信
34、息与安全，2011，4(29)：62652 张乐，刘云基于CCOA的铁路运营支撑系统资源共享平台的设计铁路计算机应用，2011，3(20)：21253 于正水基于云计算的铁路信息系统数据中心的研究铁路计算机应用，2011，1(20)：23254 Ranmu M JNetwork forensics and traffic monitoringJComputer Security Journal, 1997(13)：35395 陈全，邓倩妮云计算及其关键技术J 计算机应用，2009，29(9)：256225676 张健勋，古志民，郑超云计算研究进展综述J 计算机应用研究，2010(2)7 魏珺云计算整合计算资源J 信息方略，2008(11) 8 陈康云计算后台大规模数据处理技术探讨J 电信工程技术与标准化，2009(11) 9 辛军虚拟化的集群资源管理技术研究计算机科学探索，2010(4) 10 刘兆健中国列车运行控制系统的技术解析J 城市轨道交通与研究，2009，2(12)：811 谭浩强,计算机网络管理案例教程.清华大学出版社,2010.11.12 刘峰,现代铁路信息技术导论.中国铁道出版社,2010.8.专心-专注-专业