1.云计算

1.1. 云计算的背景及定义

随着技术和业务需求的发展，现在的系统应用功能变得越来越复杂。伴随着大量信息汇聚的同时，对大数据挖掘、高性能计算、智能分析功能的需求也变得越来越迫切。人们越来越需要强大计算能力、海量数据支撑以及稳定安全保障能力的系统。

“云计算”的概念在06年被首次提出。简单来说，云计算就是把IT资源、数据、应用以按需获取、易扩展的方式，作为服务通过网络进行提供^[1]。

1.2. 云计算的特点

（1）资源共享：基于虚拟化技术，用户不需要关心具体的硬件实体，降低整合门槛；

（2）弹性伸缩：云的规模是可以动态伸缩的，在对基础物理层设备不作大改动的前提下，通过增加虚拟机等方式实现功能分配。

（3）增强计算：依靠数据中心所提供的分布式服务端资源，能获得远超传统模式的计算和存储能力，不再局限于单台计算机的能力^[2]。

（4）降低成本：云平台提供自动化管理能力，使数据中心的运维管理成本大幅降低，云平台的通用行和虚拟化技术也大大提高了资源共享能力和利用率。

1.3. 云计算体系架构

       图1 云计算体系架构

从图1可以看出，安全保密以及运维管理一直贯穿整个系统的各个层级。

最底层是数据中心物理设施层，是我们用来布置实体存储设备、运算设备、服务器、交换机等基础设备设施的。数据中心可以由多个组成，并且进行数据备份；每个数据中心之间将有限的物理传输链路作为与外部数据交互的唯一窗口。因为结构相对简单，因此系统网络安全将会得到很好的防护。

在物理设施层上的是IaaS基础设施服务层，也就是我们常说的软件层。这层主要负责实现云管理与虚拟化管理两大方面功能。

在此之上是PaaS——平台服务层，这层主要完成大数据应用、分布式计算、机器学习、信息服务等功能。

最上层是SaaS软件服务层，即提供信息系统软件应用服务。^[3]。

1.4. 云计算的主要技术

（1）容器技术（docker）

云平台上会有很多应用服务在同时运行，服务与服务之间在信息交互时很有可能会相互影响。为了防止这种情况发生，专家们开发了容器技术来实现应用服务之间隔离的目的。

（2）云资源管理-K8S

因为容器具有很强的动态灵活性，用户很难通过监控系统查看其状态，因此我们需要对容器进行管理，通过Kubernetes（简称K8S）可以实现全平台系统服务健康状态监控及可视化自动运维。

（3）云平台运维——DevOps

DevOps是集开发运维一体云平台维护模式，程序员将写好的应用服务放在DevOps上进行测试，在测试通过后构建服务基础框架，然后转成jar包并通过docker容器上传到云平台上。在云平台上再次进行测试，并在通过后正式部署到云平台并将该服务发布。

2.云计算的基础-虚拟化

2.1虚拟化的概念

虚拟化就是由位于下层的软件模块，通过向上一层软件模块提供一个与它原先所期待的运行环境完全一致的接口的方法，抽象出一个虚拟的软件或硬件接口，使得上层软件可以直接运行在虚拟的环境上。

也就是说，虚拟化模式下操作系统不是直接发指令给cpu,而是将许多cpu通过作为中间件的虚拟化软件联系起来，操作系统将指令发给虚拟化软件，由软件决定将指令交给哪个cpu来完成操作。

虚拟化主要包括：计算虚拟化、存储虚拟化、桌面虚拟化以及网络虚拟化几部分组成。

3.云计算及虚拟化技术在自动化系统中的应用

3.1自动化系统现状

自动化系统作为空管的关键信息基础设施，其基础性、全局性作用日益突出。尽管目前部署的传统双机三网模式有着比较好的稳定性，但是传统架构仍面临以下挑战：例如软件升级周期长、影响大；系统资源利用率不高；数据交互不充分；软件功能之间深度耦合等，伴随着空管云数据中心规划的17125架构蓝图的形成，提升资源使用率，建设高效云平台管理，增强能力降低成本必将成为自动化未来的发展方向^[4]。

3.2虚拟化构架的自动化系统

图3 虚拟化构架的自动化系统

如图3所示，根据自动化系统运行特点，使用目前成熟的虚拟化技术，可以实现将计算、网络、储存等资源的最大化利用，可将有限的服务器和席位等物理硬件，共享形成虚拟化基础设施资源池（数据中心物理设施层）。然后将服务器的软件功能部署到虚拟机上（SaaS软件服务层）。

  图4 自动化系统虚拟桌面结构

如图4，通过桌面虚拟化将软件的各个功能部署到桌面虚拟机。通过虚拟化集群，将划分的资源池通过局域网与客户端相连接，客户端通过局域网将信息送至虚拟化桌面，虚拟化界面完成将相应内容投射至客户端的操作^[5]。

大体上说，自动化系统的虚拟化架构流程是，当自动化系统发布服务后，通过K8S的虚拟化管理功能，在云平台的代码仓库提取到相应代码，通过镜像构建，将镜像后的服务通过云平台对外发布，从而实现用户需求。用户访问到云平台微服务的某个容器的服务，容器将获取信息反馈给镜像仓库。当访问数量增加后，镜像也随之增加形成新的容器，此时云平台的负载均衡功能可以帮助把新生成镜像服务合理分配给对应的访问用户。弹性伸缩功能可以在用户访问量回落后，将多余的容器镜像释放，实现良好的弹性计算性能。

3.3虚拟化自动化系统的优点

（1）计算资源方面

新架构中资源池化，将cpu放在一起使用提高了设备利用率，可以做到按需迅速扩展、按需分配，提高了可用性及保障能力。

（2）存储方面

新构架采用分布式存储方式，扩展性好，灵活性及性价比高，集成灾备能力，系统自愈能力强。

（3）网络方面

新架构中可以用软件定义网络，成本低，管理维护简单，便于集中管理，扩展性强。

（4）业务方面

随业务增长，可以动态加入新资源，弹性扩张基础架构，快速创建。虚拟机可以批量部署，弹性扩张、收缩资源满足业务需要、缩短业务部署周期^[6]。

4.结束语

   云计算及虚拟化的采用，将会为自动化系统带来一次全新的革命。通过将现有物理资源变为虚拟化的资源池，会彻底地改变之前自动化系统的旧架构，大幅提高了服务器的使用效率。可以将服务程序以及备份存储灵活迁移及调用变成现实，随着技术的飞速发展，相信新架构的自动化系统将会得到应用。

参考文献

[1] 王侃.人工智能、大数据和云计算的融合发展[J].信息记录材料，2022，23（2）：170-172.

[2] 王雪.浅析云计算在网络体系构建中的应用及发展[J].中国设备工程，2021（18）：109-110.

[3] 罗军舟，金嘉晖，宋爱波，东方.云计算：体系架构与关键技术[J].通信学报，2011,32（7）：3-21.

[4] 丁靖宇.面向企业虚拟化私有云的虚拟专用网技术研究[D].东华大学，2012.

[5] 朱勇.桌面虚拟化技术在数据安全管理中的应用[J].网络安全技术与应用，2016（3）：56-57.

[6]宋婧.云计算：开启新一轮黄金发展期[N].中国电子报，2021-12-21（6）.