摘要：随着高速公路的不断发展，交通智慧化建设已成为高速公路现代化管理的重要途径。依托云计算技术，本文将介绍如何运用私有云软件，实现兴华高速机电系统的云化。私有云在高速公路的应用，极大地提高了高速公路基础架构的性能、可靠性，并带来灵活扩展的能力。
关键词：私有云 软件定义 无缝扩展
1、项目背景
近年来高速公路IT应用发展迅速，按过往的建设方式，路段数据中心基础架构一般设置了收费服务器、前置服务器、域服务器、路侧标识服务器、高清卡口服务器、视频管理服务器、监控平台服务器、通信网管服务器等等，各种独立硬件承载着各自的业务，形成一个个信息孤岛。信息孤岛的资源完全独立，容易出现部分系统满载，部分系统空闲资源较多，无法统一调度，也无互为冗余的能力，完全依赖于单机可靠性。
此外，由于应用叠加部署（单一操作系统部署多应用）会导致兼容性以及耦合问题，后期有新业务加入时需要新购服务器，但因设备购置流程长，还需要占用的空间、消耗更多的电力和制冷量，对基础架构的管理和运维毫无灵活性可言。
2、适用于高速公路的私有云技术介绍
私有云数据独立性、私密性较好，较为适合高速公路行业，以下为完整私有云需要具备的几项主要技术：
（1）软件定义计算
软件定义计算技术能实现硬件资源与计算能力的解耦，将计算能力以资源池的形式提供给用户，并根据应用需要灵活地进行调配。软件定义计算可实现物理服务器、虚拟机以及容器的统一管理、调度。
（2）软件定义存储
软件定义存储将存储资源（基于X86的大容量服务器）抽象为虚拟共享存储资源池，实现跨物理设备的存储资源整合。软件定义存储具备分布式控制器、多节点并发读取、闪存加速、多副本备份等特性，可根据应用的不同需要设置不同的策略，提供兼顾性能、成本、可靠性的存储资源，并具备无缝扩展的能力。
（3）软件定义网络
软件定义网络通过在现有物理网络上构建虚拟的逻辑网络层，将网络控制逻辑从物理网络设备中解耦出来，交由私有云中的网络控制器进行统一处理；用户可以根据实际业务需求灵活构建逻辑网络结构及调整网络策略，如直接在虚拟机和物理网络之间配置分布式虚拟防火墙与虚拟路由器，实现对虚拟网络在路由、IP、端口方面的精确控制。
（4）云平台软件
云平台软件可理解为私有云的大脑，负责将计算、存储、网络资源依据策略进行自动化调度与统一管理、编排和监控，同时根据用户需求形成不同的服务并提供计量功能。云操作系统从功能上一般可分为资源管理、服务管理和运营管理三个主要功能模块。
3、私有云平台在兴华高速的应用分析
兴华高速建设者勇于创新，秉承着高效、节俭、专业的理念，率先将私有云应用于兴华高速公路机电系统。本节以兴华高速私有云应用为例，对路段数据中心的计算、存储、网络的配置与应用情况进行分析。
兴华高速路段数据中心负责对全线的收费、通信、监控日常管理，包括交通量采集和处理、视频监视、营运收费、通信网管、信息发布、数据查询、事故事件响应和处理等，各系统之间有许多数据交换和资源共享。如路段高清卡口管理、防逃费系统、标识点系统、流媒体系统、视频管理、通信管理、监控一体化、软交换网管等等，均需要进行针对性的软件硬配置。私有云的引入大幅减少了需要维护和管理的设备，基于软件定义技术建设了一个安全、高效、可靠、灵活、只能的云平台。本项目采用全新的通用硬件设备与主流云平台软件，为路段数据中心提供统一的资源池，构建了完整的云计算平台。建设内容主要包括以下几部分：
（1）低成本的硬件设备。
服务器、交换机。本项目服务器采用配备写入密集型闪存的x86通用双路服务器，共计4个计算节点；物理网络采用全万兆以太网通用交换机，2台配置堆叠。
（2）成熟的云平台软件
兴华高速选用基于Openstack的云平台软件建设新一代高速公路基础架构平台。
OpenStack是一套完整的云平台软件，可在数据中心中控制大量的计算、存储和网络资源，所有资源都通过统一的控制面板进行管理，并让管理员以及用户通过Web界面来使用资源。如图1所示
OpenStack云平台为数据中心提供便捷的管理能力，提供了完整的基础架构服务，例如：虚拟机与容器管理、存储管理、网络管理、用户管理、配额管理、资源计量以及智能监控功能。它通过结合软件定义计算、软件定义存储、软件定义网络，将各个物理服务器节点的计算、存储、网络资源整合起来，使这些资源在整个数据中心实现统一调度与运用，形成完整的私有云平台。
（3）敏捷高效的计算资源管理。
兴华高速通过私有云平台中软件定义计算技术，对计算资源进行管理。主要体现于以下几点：
为各个应用厂家建立独立用户，设置资源配额，使原厂运维时环境最简化，减少误操作的可能性；
为已将应用封装为容器镜像的厂家提供容器运行环境；
管理员统一管理、监控各用户所创建计算资源，提高管理便捷性。
（4）快速、可靠的存储资源管理。
兴华高速通过私有云平台中的软件定义存储技术，根据应用需要对存储资源进行针对性规划，主要体现于以下几点：
全局默认使用双副本策略，即同一数据保存于两个不同的物理服务器节点中，任一物理服务器节点宕机不影响应用；
对监控一体化系统使用三副本策略，即任何二个物理服务器节点宕机不影响应用；
使用全局分布式读取策略，在数据一致的物理节点同时读取数据，提高读性能；
利用服务器上配备的写入密集型闪存，全局使用优先写入闪存策略，提高写性能。
（5）安全、精确的网络资源管理。
兴华路段数据中心利用私有云中软件定义网络技术，并根据各应用的实际需求，规划出高性能、高可用性、高安全性的网络架构，为个应用系统提供稳定、安全的数据传输通道，具体体现如下：
根据各类应用需要，配置对应的分布式虚拟防火墙，精确实现出入栈、源与目标地址、端口的精确控制；
于群集应用前端配置分布式路由器进行端口转发，避免未来内网IP地址不足。
4、私有云平台应用在高速公路机电工程应用优势总结
随着我国智慧交通的日益发展，我省高速公路信息化建设也稳步推进，特别是交通部全国联网收费的重视，对高速公路基础架构提出了更高的要求。所幸，随着IT技术的发展，为交通智慧化提供了具备更强计算能力、更大存储空间、更低建设成本的基础架构平台。在此背景下，私有云就体现了云计算技术的整合优势：
（1）节能与低成本
私有云平台可提高设备利用率，整合各应用系统，减少设备数量，同时节省机房空间、减少能源消耗，减少制冷需求。
此外，私有云所用到的硬件设备均为通用硬件，无需绑定品牌，实现低成本与自主选择的灵活性。
（2）提高资源管理效率
私有云平台使跨物理设备的资源实现统一调配、集中管理。对管理员与用户来说，只需通过单一管理界面即可完成对路段数据中心内所有基础架构资源的安装配置、容量监控等管理任务。
（3）具备灵活的扩展能力
私有云平台提供的软件定义技术，使得整套基础架构既可以像传统多机群集一样实现纵向扩展（添加计算节点增加计算资源，添加存储设备扩充存储资源），也可以横向扩展（添加计算存储节点以同时增加计算资源与存储资源），且在操作上非常便捷，真正实现无缝扩展。
（4）提供弹性的计算能力
在传统基础架构上，应用的计算能力是固定且受限的，可扩展性受到硬件制约。而私有云环境中，不但可根据应用需要进行资源热添加，为应用提供更强的计算能力，还能实现动态自动部署，即计算资源不足时，动态添加应用节点到应用群集参与相关的计算任务，提高应用性能；而当云平台监测到资源占用率大幅下降并持续一段时候后，将自动删除相应节点，减少资源占用，具备动态部署、动态回收的灵活调度能力。
（5）便捷的维护
私有云可以极大地简化用户的运维管理，实现业务系统快速部署、灵活变更。通常情况下，此前机电维护人员需要借助服务器iKvm远程管理模块解决底层技术问题，不同服务器的iKvm界面不一，用法也不尽相同，且常出现与浏览器不兼容现象，导致远程维护较为艰难。
而使用私有云平台，大部分资源相关的技术问题都可以在统一界面上分析、解决。
（6）敏捷部署
通过私有云来提供基础架构资源，可以方便、迅捷地实现应用快速部署，从而加快业务系统的上线进度。因此，私有云极大地提高了路段数据中心应对各类新业务资源需求的能力，节约了大量时间，提高了路段的管理效率。
根据咨询公司IDC分析，在传统的IT模式中，45%是能耗成本、20%是人力资源资本，而创新投资仅占了35%。而通过使用私有云，利用软件定义、标准化、自动化的技术，可以帮助高速公路机电系统降低成本，把更多的资源投入到其他创新上去。
4、结语
目前高速公路机电系统正转向低成本、高能效，目前在兴华高速使用的私有云平台已初步提现出此特性。随着云计算技术日益完善，必将为高速公路机电系统带来更多的发展和创新。
参考文献：
[1]陈全.邓倩妮.云计算及其关键技术[J].计算机应用2009（9）.
[2]肖伦营.浅析云计算在高速公路中的应用[J].城市建设理论研究 2013（23）.
论文作者:张海
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
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