0 引言
高速公路是国家交通运输系统的重要组成部分，也是国民经济发展的重要支撑。高速公路收费站是高速公路网的重要节点，也是收费公路的主要收入来源。收费站不仅负责计算和收取车辆的通行费，还负责对车辆进行监控和管理，保障道路的安全和畅通。随着我国汽车保有量和人们出行需求的不断增加，高速公路网日益拥堵，收费站也面临着巨大的压力和挑战。传统的收费站架构通常由独立的服务器、存储设备和网络设备组成，需要单独进行管理和配置，主要存在以下问题。
（1）设备成本高：传统的存储设备价格昂贵，且需要专门的网络连接和维护，增加了收费站的投资和运营成本。
（2）管理复杂：传统的收费站需要多个管理平台和工具，对人员技能要求高，管理效率低。
（3）性能低下：传统的存储设备性能有限，无法满足大量数据和业务的处理需求，导致系统响应慢、延迟高。
（4）可靠性差：传统的存储设备容易出现故障或损坏，影响数据安全和业务连续性。
超融合技术是一种集计算、存储、网络和虚拟化等多种技术于一体的IT基础架构解决方案，旨在简化数据中心的部署、管理和扩展，并提供更高的灵活性和效率，其主要特点如下。
（1）设备成本低：超融合技术利用标准的商用服务器，通过软件定义的方式实现存储功能，无需专门的存储设备和网络连接，降低了收费站的硬件投入和维护成本。
（2）管理简单：超融合技术提供了统一的管理平台和工具，可以对计算、存储、网络和虚拟化等资源进行集中监控和配置，提高了管理效率和便利性。
（3）性能高：超融合技术利用分布式文件系统，对存储资源进行池化和分配，实现了存储性能的线性扩展，满足了大数据和高并发业务的处理需求，提高了系统的响应速度和吞吐量。
（4）可靠性强：超融合技术利用数据冗余和备份机制，保证了数据的安全性和完整性，实现了业务的高可用性和容灾能力。
本文以天津津富高速公路有限公司（以下简称“津富高速”）超融合改造项目为例，探讨了超融合技术在高速公路收费站中的应用。
1 超融合技术架构
1.1 基础架构
超融合技术（Hyper-Converged Infrastructure，HCI）是一种将计算、存储、网络和虚拟化等多种技术集成在一台服务器上，通过软件定义（Software-Defined）的方式实现资源的统一管理和动态调配的IT基础架构解决方案。
在同一组标准x86服务器设备中，超融合基础架构不仅具备计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，还包含快照、纠删码、数据或IO本地化等多种技术。多台x86服务器设备可以通过万兆网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展（scale-out），形成统一的资源池，提供存储、一站式工单、多租户、安全网元、备份等多样化云服务，对数据中心的效率、灵活性、规模、成本和数据保护进行优化。
超融合解决方案融合了计算、网络、存储、安全四大模块，将x86服务器上的cpu、内存、硬盘、网络进行抽象化和池化，对外可提供自动化的部署和服务等，通过全虚拟化的方式构建IT架构资源池。所有模块资源均可按需部署，灵活调度，动态扩展。超融合解决方案为后期迈向私有云平台奠定了基础，且能够实现多租户的管理和计费审计等功能。
超融合解决方案软件架构如图1所示，可以通过一体机的方式实现开机即用，也可以采用纯软件的形成进行交互。只需配合传统的园区网交换机（背板带宽和交换容量够用即可）即可完成整个平台的搭建，无需功能复杂、价格昂贵的数据中心级交换机。可通过超融合平台上的虚拟安全网元设备实现安全功能。
在计算和存储节点的配合上，超融合架构可以同时使用内置分布式存储和外置共享存储，虚拟机可实现跨存储卷和存储类型的热迁移，无论业务在何种存储上运行，均可实现虚拟机的高可用性能。
1.2 与传统架构对比
超融合架构与传统集中存储架构对比如下表所示。
2 超融合改造项目
目前，津富高速数据中心采用传统架构部署的业务系统包括收费站传输系统、收费站管理系统、片区传输系统、片区管理系统、数据库等，在天津收费站和津同收费站均设有数据中心，通过数据中心将信息分别定时传输到联网中心。收费站采用传统架构部署业务，影响了运行效率和服务质量。为此，津富高速开展了收费站超融合改造项目，以提升收费站的性能、可靠性和管理水平。
2.1 架构设计
超融合改造项目架构设计如图2所示。每个收费站采用两台超融合服务器作为节点，通过万兆以太网互连，形成一个集群。每个节点上都运行着虚拟化软件，将服务器资源虚拟化为计算资源（CPU、内存）和存储资源（SSD、HDD）。存储资源通过分布式文件系统进行池化和分配，形成一个共享的存储空间。在该共享存储空间上可以创建多个虚拟机或容器，运行各种收费站业务应用（如车牌识别、计费系统、监控系统等）。每个节点上还运行着管理软件，可以对集群中的计算、存储、网络和虚拟化等资源进行统一监控和配置。
2.2 实施过程
超融合改造项目的实施过程分为以下几个步骤。
（1）现场勘察：对每个收费站的现有设备、网络环境、业务需求等进行详细调研，确定改造方案和设备清单。
（2）设备采购：根据设备清单，从合格的供应商处采购所需的超融合服务器、网络设备和软件许可证等。
（3）设备安装：将超融合服务器和网络设备安装到收费站的机房内，连接好电源、网线和光纤等，进行设备开机和自检。
（4）软件部署：在超融合服务器上安装虚拟化软件、分布式文件系统和管理软件，配置集群参数和网络参数，创建虚拟机或容器。
（5）业务迁移：将收费站的原有业务应用从传统的服务器和存储设备上迁移到超融合服务器的虚拟机或容器中，进行业务测试和验证。
（6）系统优化：根据业务性能和可靠性的要求，对超融合系统进行优化调整，如增加存储冗余度、开启数据压缩和去重、调整缓存策略等。
（7）系统交付：完成超融合系统的部署和测试后，提供相关的培训和技术支持。
2.3 效果评估
目前，该项目的超融合平台承载了2个收费站的7套业务系统，通过统一管理平台进行管理，所有系统运行平稳，资源占用率较低。从成本、效率和可靠性3个方面对改造后的收费站系统进行效果评估，得出以下结论。
（1）成本低。大幅减少了收费站的设备数量和类型，节省了设备采购和维护的成本。同时，减少了收费站的IT人员数量和培训费用，节省了人力成本。
（2）管理简单。与传统架构相比，超融合架构减少了约60%的管理平台和工具，提高了管理效率和便利性。
（3）性能高。与传统架构相比，超融合架构提高了约3倍的存储性能，满足了大数据和高并发业务的处理需求，提高了系统的响应速度和吞吐量。通过超融合技术，显著提高了收费站的数据处理速度和准确性，提高了收费效率和服务质量，提升了用户的满意度和信任度。
（4）可靠性强。有效提高了收费站的系统稳定性和安全性，减少了系统故障和数据丢失的风险，避免了用户的损失和投诉。
综上所述，津富高速超融合改造项目在收费站的应用取得了显著的效果，提升了收费站的运行效率和服务质量。
3 超融合技术优势
3.1 简化部署和管理
超融合技术将多种IT资源集成在一台服务器上，实现了快速部署和即插即用。收费站无需配置多台服务器、存储设备和网络设备，也无需进行复杂的网络连接和调试，大大降低了部署时间和难度。通过统一的管理平台，实现了对所有收费站资源、性能、安全等的集中监控、配置和优化，无需专业的IT人员或复杂的操作。收费站可以通过简单的界面和命令，对各个收费站的IT资源进行统一管理和调整，大大降低了管理的成本和风险。
3.2 提升性能
超融合技术通过内部网络连接各个服务器节点，实现了数据的快速传输和处理，避免了外部网络的延迟和拥塞，使收费站更快地完成收费业务，更准确地记录收费数据，提高了收费效率和服务质量。同时，超融合技术通过分布式存储和冗余备份，实现了数据的高可用性和容错性，避免了单点故障和数据丢失，使收费站更稳定地运行，更安全地保护数据，提高了系统的稳定性和安全性。
3.3 适应业务变化
超融合技术支持多种操作系统和应用程序，可根据业务需求动态调整资源分配。收费站可以根据不同的收费模式、政策、规则等因素，灵活地选择和切换适合的操作系统和应用程序，以满足业务需求。同时，超融合技术支持水平扩展和垂直扩展，可根据业务规模增加或减少服务器节点。收费站可以根据不同的车流量、季节、节假日等因素，灵活地增加或减少IT资源，适应业务变化。
4机遇与挑战
4.1 技术成熟度
超融合技术是一种相对新兴的IT基础架构解决方案，在市场上还没有形成统一的标准和规范。不同厂商的超融合技术产品可能存在兼容性和互操作性的问题，给用户的选择和使用带来了困难。
4.2 技术创新度
超融合技术虽然集成了多种技术，但没有创造出新的技术。其核心价值在于软件定义，即通过软件定义的方式实现对硬件资源的管理和调配。因此，超融合技术的创新点在于软件层面，而非硬件层面。超融合技术的竞争力和优势取决于软件的质量和性能，而非硬件的规格和参数。超融合技术的发展和进步需要不断更新和优化软件，而非更换和升级硬件。
4.3 技术适用性
超融合技术适用于多种场景，但不是万能的。超融合技术更适用于数据量较小、数据处理较简单、业务变化较快的场景，如高速公路收费站等。对于数据量较大、数据处理较复杂、业务变化较慢的场景，如大型数据库或大数据分析场景，超融合技术可能不是最优选择。在这些场景中，数据的存储和处理需要更高的性能和容量，超融合技术的服务器节点可能无法满足这些需求；业务的变化需要更多的时间和成本，超融合技术的灵活性和扩展性可能无法发挥出优势。因此，在选择和使用超融合技术时，需要根据自身的需求和条件进行权衡和判断。
5 结束语
本文以津富高速超融合改造项目为例，探讨了超融合技术在高速公路收费站中的应用。超融合技术是一种简化部署和管理、提高性能和可靠性、适应业务变化的IT基础架构解决方案，在高速公路收费站场景有显著的应用价值。然而，超融合技术在技术成熟度、创新度和适用性方面仍存在挑战，需要用户根据自身需求和条件进行选择和使用。
作者：王向勇1，韩豪2，吴光业3（1.天津津富高速公路有限公司；2.天津市政工程设计研究总院有限公司；3.越秀（中国）交通基建投资有限公司）
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