1、    基于虛擬化技術的民航氣象數據庫系統的應用設計    劉韜+張英華摘 要：虛擬化技術于20世紀70年代開始在ibm system 370等大型主機上應用。通過將硬件層抽象化，減少物理資源的管理，虛擬化技術把應用、數據和物理系統分隔開，從而增加了靈活性，使得物理資源可以更好地配合工作負載和數據要求。虛擬化技術有著如提高資源利用率、執行效率以及數據中心敏捷性等等好處，但它在提供強大功能的同時也增加了系統的復雜度，無論何種虛擬化技術都會帶來一定的系統開支，必定會降低整個虛擬化系統的性能。在己經產生數十種虛擬化技術的今天，如何評測虛擬計算系統的性能表現成為

2、一個越來越重要的問題。相對而言，針對虛擬計算系統性能評測的理論與方法，相關的研究剛剛起步，目前這方面的系統理論與方法還不成熟和完善，國內的研究水平與世界水平還有著較大的差距。隨著經濟的高速發展，我國氣象事業也取得了較大的進展，國家氣象局與民用航空氣象部門分別建成了各自的氣象資料傳輸網絡，對應虛擬化氣象業務系統也分別建立。關鍵詞：虛擬化技術；計算機；航空航天1 服務器虛擬化技術介紹在計算機中，虛擬化（英語：virtualization）是一種資源管理技術，是將計算機的各種實體資源，如服務器、網絡、內存及存儲等，予以抽象、轉換后呈現出來，打破實體結構間的不可切割的障礙，使用戶可以比原本的組態更好的

3、方式來應用這些資源。這些資源的新虛擬部份是不受現有資源的架設方式，地域或物理組態所限制。一般所指的虛擬化資源包括計算能力和資料存儲。在實際的生產環境中，虛擬化技術主要用來解決高性能的物理硬件產能過剩和老的舊的硬件產能過低的重組重用，透明化底層物理硬件，從而最大化的利用物理硬件。目前非常熱門的virtualization虛擬化技術的出現和應用其實已經有數十年的歷史了，在早期，這個技術主要應用在服務器以及大型主機上面，隨著pc性能的不斷增長，virtualization也開始逐漸在x86架構上流行起來。虛擬化可以將it環境改造成為更加強大、更具彈性、更富有活力的架構。通過把多個操作系統整合到一臺高

4、性能服務器上，最大化利用硬件平臺的所有資源，用更少的投入實現更多的應用，還可以簡化it架構，降低管理資源的難度，避免it架構的非必要擴張。客戶虛擬機的真正硬件無關性還可以實現虛擬機的運行時遷移，可以實現真正的不間斷運行，從而最大化保持業務的持續性，而不用為購買超高可用性平臺而付出高昂的代價。2 民航氣象數據庫系統介紹民航氣象數據庫系統分為氣象資料處理子系統和數據庫管理子系統。2.1 氣象資料處理子系統：資料處理子系統共有12個進程，氣象資料處理子系統對服務器data目錄下接收到的氣象信息進行分析分解，質量控制后入庫。可處理的氣象信息包括：民航氣象報文、自動觀測系統（awos）、衛星云圖資料以及

5、雷達資料等。2.2 數據庫管理子系統：數據庫管理子系統采用客戶機/服務器模式，可對資料處理、數據庫等進行實時監控和管理，預報平臺和服務平臺則可通過獲取oracle數據庫中的氣象資料，以不同的形式展現給用戶。數據庫管理子系統主要側重于對數據庫中氣象資料的管理。主要功能有系統登錄、資料處理、數據庫管理、數據庫恢復、日志和統計、用戶管理、進程管理、系統配置等。其告警功能可對資料處理子系統的運行異常、服務器端運行異常、監控進程運行異常、數據庫的運行異常以及資料處理中的特殊情況進行告警。3 民航云南空管分局氣象數據庫系統的硬件組成由兩臺ibm服務器（型號：p520）組成，服務器運行的操作系統是aix5.

6、3。其中一臺服務器為主用服務器，另外一臺為備份服務器。4 應用設計的必要性民航氣象數據庫系統維護人員針對中國民航航空氣象數據庫及傳真廣播應用系統存在的問題所作的一些拓展和改進工作實例，然而從側面我們可以看出，系統維護人員所作的這些工作只是一些個體的優化和補充，不能形成系統全面的、廣闊覆蓋的標準體系，另一方面隨著計算機網絡技術以及航空氣象技術的發展，同時民用航空氣象用戶也不斷增多，民航航空氣象數據庫及傳真廣播應用系統的弊端和缺點開始不斷顯現出來，歸納起來主要表現在以下幾個方面：（1）隨著客戶端數目的不斷增加，服務器承受很大的壓力，整個系統的性能將大幅下降。另一方面各地區民航氣象部門投入了大量的人

7、力和物力來開發、維護和升級各種客戶端服務軟件以滿足不同客戶的不同需求，而靠原來那種個體的優化和補充顯然是不現實的；（2）在以前用戶可以到后臺數據庫來訪問數據，而現在由于網絡結構的復雜化，以及用戶數量的不斷增加，使得這種訪問方式的安全隱患不斷凸顯出來，系統及信息的安全變得至關重要，相應的維護工作也會變得困難重重。針對上述目前對于民航氣象資料的需求量在逐年增加，客服端數量增長很快，而如今民航云南空管分局的民航氣象數據庫中運行的只有兩臺ibm服務器，故而存在的服務器承載壓力過大。因此需要在現有的兩臺服務器上應用虛擬化技術，最大化利用硬件平臺的所有資源，用更少的投入實現更多的應用，還可以簡化it架構，

8、降低管理資源的難度，避免it架構的非必要擴張。客戶虛擬機的真正硬件無關性還可以實現虛擬機的運行時遷移，可以實現真正的不間斷運行，從而最大化保持業務的持續性，而不用為購買超高可用性服務器而付出高昂的代價。5 具體的應用設計5.1 航空氣象報文資料數據處理程序如圖所示：航空氣象報文資料數據處理程序程序由“報文數據處理接口模塊”、“公報處理模塊”、“報告要素處理模塊”、“質量控制模塊”、“數據庫入庫模塊”組成。其中除“報文數據處理接口模塊”外，都是由一組程序組成。例如公報處理模塊，由于有多種不同的公報格式，對應每一種公報就有相應的公報處理程序。航空氣象報文資料數據處理程序長駐內存，為可重入程序。一經

9、啟動，虛擬化系統可按控制參數的設定定時掃描通信接口目錄，如果發現有報文文件就讀入報文，分離一份公報，調用與之相應的處理程序，對一份公報處理完成后繼續下一個公報，直到該報文文件處理完成，將該文件從通信接口目錄中刪除，轉入垃圾備份目錄，然后處理下一個報文文件。endprint為了有效解決機場信息系統所面臨的難題，本文擬采用兩臺ibm服務器虛擬平臺軟件的服務器虛擬化整合解決方案。（如表1）民航信息系統解決方案主要由兩臺ibm服務器構成信息系統的資源池，可有效避免服務器出現硬件故障時，只有1臺服務器提供服務，導致資源負荷過度集中而形成性能瓶頸；通過1臺低端獨立的pc服務器安裝v center完成資源池

10、的集中管理；本方案不需要獨立的磁盤陣列，系統中需要的共享存儲由v m ware的專為中小企業打造的vsa組件、利用服務器的本地存儲來實現；針對集群ha問題，可通過使用v m ware v sphere自身擁有的ha功能解決，在硬件平臺級別，不需要額外的ha軟件。方案分析：資源利用率提升情況：采用兩臺ibm服務器虛擬平臺軟件的服務器虛擬化整合解決方案后，各類資源的利用率明顯提升。同時，機房設備采用量減少，包括數據中心機房空間、機柜數量、交換機端口及網線數量、耗電量、空調和人力成本，實現綠色機房、節能減排的目標。模板功能提升系統的可維護性：模板功能可通過向虛擬化平臺申請所需的硬件資源，安裝操作系統

11、后，完成配置數據庫管理軟件和應用服務器，驗證確保應用成功運行后，利用克隆功能把所有的ibm制作為模板，放入模板倉庫中。后期部署則直接通過vm模板完成部署，簡化了現場安裝部署工作復雜程度，縮短應用上線時間，簡化了系統維護的難度。系統的高穩定性：方案通過v m ware v sphere的ha及vsa，可以實現可靠的運行環境，任何一臺服務器的失敗，v m ware v sphere虛擬化平臺都可以自動發現，并把失敗的服務器從可用服務器列表中剔除，從而保證任意時間用戶請求的計算資源都是建立的可用的服務器之上。同時，通過功能，還可以保證失敗的虛擬機計算資源可以自動遷移到其他可用的服務器上。5.2 數據

12、結構數據庫的數據結構由數據庫目錄結構，數據庫表和字典組成。5.2.1 數據表數據表根據存取的時間和種類不同有不同的表結構。如：公報表，報告表，要素表和圖形圖象表等，在如有實時庫表，歷史庫表和反演庫庫表。5.2.2 數據字典數據字典是對數據的說明。這種說明數據的數據也稱為元數據。數據字典存放在目錄字典目錄中，數據庫建立是由應用程序讀出在數據庫中建立數據字典表。如控制字典表，清除字典表和區站號字典表。5.2.3 數據庫目錄結構數據庫目錄結構中由四部分組成，執行程序目錄；源程序目錄；字典目錄；數據工作目錄。對于數據目錄中又分四個子目錄分別為：口志文件存放目錄；監控信息文件存放目錄；存檔備份文件目錄；

13、通信與數據庫接口目錄。不同的目錄中存放不同的文件。5.3 程序結構整個系統下分為三個子系統：數據庫數據生成子系統、數據庫數據檢索應用子系統以及數據庫系統管理子系統。5.3.1 數據庫數據生成子系統的作用是將從通信系統收集到的氣象資料進行收集、處理、存儲歸檔作用。按氣象資料類型分類主要由氣象報文的處理儲存、航空報文的處理儲存、圖形圖像及各點資料處理儲存三部分程序組成，分別包括地面和探空實況資料處理模塊、口常航空報文處理模塊、數值預報格點資料處理模塊、雷達和衛星云圖圖像資料處理模塊等各類常規數據處理模塊，其分類歸檔主要是依靠文件的命名規則實現。5.3.2 數據庫檢索應用子系統的使用對象是用戶，其作

14、用是為氣象預報人員和航空氣象用戶提供各機場實況報文、預報、圖像圖形產品、重要氣象信息等豐富的氣象產品。數據庫檢索應用子系統由：程序檢索調用接口函數、圖形界面用戶管理程序組成。5.3.3 數據庫系統管理子系統主要面向系統管理員或維護人員，包括數據存檔/恢復程序、數據自動/手動清除、數據庫管理程序、數據庫監視信息采集程序構成。包括數據存檔模塊、存檔數據恢復模塊、數據庫手動清除模塊、數據庫自動清除模塊、元數據加載模塊、數據表生成模塊、字典數據載入模塊、數據庫進程信息采集模塊、數據庫口志信息采集模塊、數據庫數據統計信息采集模塊等。5.4 系統功能設置（1）庫生成功能是指從將通信系統或其它加工系統獲取的

15、氣象資料進行格式檢測和轉換，然后按數據庫所設計的格式寫入庫中。民航氣象數據庫應用系統獲取資料方式主要通過通信分系統獲得，通信分系統將收到的數據分門別類存放在指定的接口目錄，然后由數據庫處理程序讀出數據進行處理入庫，另外系統庫生成功能還可以通過分布式恢復功能和存檔功能分別從其它的系統數據庫中和存檔文件中生成數據。（2）質量控制功能主要是針對實況觀測資料而言的。從氣象數據特點來看民航氣象數據庫應用系統需要對實況觀測進行兩個方面的檢測：一是對各種實況觀測資料編碼格式進行檢測，檢測項目包括觀測資料種類標志檢測、臺站號檢測、經緯度檢測、組指示碼檢測及數字字母變換檢測等等，在檢測的同時，對于不符合格式規定

16、但又在業務允許范圍內的錯，則需要按預定的原則自動訂正，而對于不能訂正的則將其相應的要素作缺測值處理，如果是特別嚴重錯誤致使系統無法進行修訂的報文則需要將整份報告舍棄。另外一方面是需要對部分氣象要素值的物理意義進行質量控制，比如氣溫的值范圍應該在常理范圍內等，因此檢測內容需要有要素極值檢測、要素值和時間一致性檢測等。（3）為了維持庫生成程序的正常運行，民航氣象數據庫應用系統需要檢測由于資料異常問題而出現的庫生成程序的中斷或死循環，并設法跳過該異常資料的處理進程。（4）針對不同的用戶民航氣象數據庫應用系統需要有不同的方式提供檢索服務功能。針對數據庫維護人員可以采用程序調用方式，即通過接口提交參數從

17、而獲得所需資料；而針對資料使用人員（航空氣象用戶和氣象預報人員）則需要采取分布式的檢索方式，用戶必須首先通過授權，然后通過系統界面查詢檢索到分布式數據庫系統中的任意節點庫數據。6 結論過去幾年來，基于軟件的虛擬化技術在民航系統上迅猛發展，更強大的功能和更簡單的管理使得虛擬化己經成為橫向擴展硬件資源共享的一項重要技術，邁漸走向成熟和普及。虛擬化技術若要實現其全部潛能并拓寬其應用范圍，必須與硬件實現更緊密的結合。隨著技術的純熟，硬件輔助的虛擬化技術，虛擬仕技術投入實用的成本和復雜性大幅降低，虛擬化技術的發展也從此進入了一個全新的時代，正朝著更強大、更高效、更可靠、更靈活的方向邁進。隨著民用航空運輸的快速發展，各國對民航業務運行系統的投入也不斷加大，先后有美國和歐洲在空管運行上提出了發展規劃，同時也為我國民航事業的發展特別是空管運行方面提供了借鑒的思路，在各國的運行發展規劃虛擬化航空氣象系統的建設和運行能力的增強是其發展的重點，而虛擬化數據庫應用系統的建立也正好是民航氣象業務運行不斷發展的一個體現。參考文獻1趙西峰.北京高