基于超融合架構(gòu)的船舶云設(shè)計(jì)平臺(tái)

趙正彬，石光偉，張舜欽，倪健，瞿瓊燕

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前 言

目前，以計(jì)算機(jī)云設(shè)計(jì)和三維數(shù)字化技術(shù)作為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和發(fā)展的重要抓手，船舶行業(yè)各大總體院所和總裝廠都在開(kāi)展數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)探索，解決船舶詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)和管理數(shù)據(jù)之間存在的信息孤島現(xiàn)象，共享各階段設(shè)計(jì)與管理數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)人員提供標(biāo)準(zhǔn)可靠、 靈活開(kāi)發(fā)的云設(shè)計(jì)平臺(tái)，提高設(shè)計(jì)工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

規(guī)劃建設(shè)的船舶云設(shè)計(jì)平臺(tái)基于超融合基礎(chǔ)架構(gòu)，依托設(shè)計(jì)院智能化數(shù)值水池、多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、全流程項(xiàng)目管理及信息化建設(shè)多年積累的經(jīng)驗(yàn)以及大量船舶研發(fā)數(shù)據(jù)，貫通研發(fā)、設(shè)計(jì)全過(guò)程。 以三維一體化協(xié)同設(shè)計(jì)為主線，將數(shù)值水池仿真分析與數(shù)字化設(shè)計(jì)聯(lián)合應(yīng)用，形成符合船舶研發(fā)設(shè)計(jì)需求的優(yōu)化仿真與協(xié)同設(shè)計(jì)一體化平臺(tái)。

1 云設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)和功能

以“一臺(tái)服務(wù)器、一種應(yīng)用”為典型工況的傳統(tǒng)架構(gòu)模式，計(jì)算機(jī)資源的使用率不到25%［1］，造成了極大的資源浪費(fèi)。 目前， 在KVM、VMWare、Hyper-V、Xenserver、Openstack 等虛擬化技術(shù)的支持下，單臺(tái)物理服務(wù)器可以運(yùn)行若干臺(tái)“虛擬”的主機(jī)，這些虛擬主機(jī)都擁有獨(dú)立的操作系統(tǒng)與應(yīng)用［2］，但是這種單主機(jī)虛擬化往往受限于I/O 讀寫與存儲(chǔ)， 而超融合架構(gòu)可以將計(jì)算機(jī)的計(jì)算、存儲(chǔ)、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)資源集中到一起，組成一個(gè)大的資源池，將硬件資源進(jìn)行充分利用，有利于企業(yè)根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求來(lái)調(diào)整服務(wù)器的負(fù)載。

1.1 超融合底層架構(gòu)

超融合基礎(chǔ)架構(gòu)是一個(gè)軟件定義的IT 基礎(chǔ)架構(gòu)，它由虛擬化計(jì)算（hypervisor）虛擬存儲(chǔ)（SDS）和虛擬網(wǎng)絡(luò)組成。 麥肯錫研究顯示：目前服務(wù)器的瓶頸主要在于傳統(tǒng)存儲(chǔ)的硬盤讀取速度，CPU 大部分計(jì)算能力都處于等待存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)來(lái)的狀態(tài)。 傳統(tǒng)存儲(chǔ)容量和性能不具備和計(jì)算能力匹配的可擴(kuò)展性，不能滿足企業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)的需求。 超融合架構(gòu)是集計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)為一體的虛擬化平臺(tái)，通過(guò)超融合軟件將集群中若干臺(tái)服務(wù)器的存儲(chǔ)整合成一個(gè)大的存儲(chǔ)池，成倍地提升整個(gè)集群的I/O 性能，并將CPU 和網(wǎng)絡(luò)虛擬化［3］，在此基礎(chǔ)上提供業(yè)務(wù)系統(tǒng)所需的全部資源。 超融合架構(gòu)相比于傳統(tǒng)虛擬架構(gòu)，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，具體對(duì)比如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)虛擬化架構(gòu)與超融合架構(gòu)對(duì)比

由表1 可知，超融合架構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，可實(shí)現(xiàn)物理服務(wù)器間的無(wú)縫橫向擴(kuò)展，當(dāng)其中任意一臺(tái)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，其他主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，超高的整合比讓其具有更高的性價(jià)比。 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的云設(shè)計(jì)平臺(tái)具有高可用、高可靠、高效率和高彈性的特點(diǎn)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

采用2 臺(tái)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)作為超融合內(nèi)部數(shù)據(jù)交互通道， 由10G 雙鏈路萬(wàn)兆光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行平臺(tái)內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸，保證網(wǎng)絡(luò)的冗余可靠，為整個(gè)平臺(tái)提供高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。超融合對(duì)外數(shù)據(jù)傳輸同樣采用雙萬(wàn)兆鏈路網(wǎng)絡(luò)連接至核心交換機(jī)。

云設(shè)計(jì)平臺(tái)主機(jī)與外部通過(guò)虛擬以太交換機(jī)（vSwitch）連接，根據(jù)不同的使用場(chǎng)景進(jìn)行VLAN 劃分，通過(guò)VLAN 劃分可以達(dá)到以下效果［4-5］：

1） 不同VLAN 之間的機(jī)器必須通過(guò)3 層路由才能實(shí)現(xiàn)通信，有助于控制網(wǎng)絡(luò)流量，提高網(wǎng)絡(luò)安全性；

2） 由于廣播域可以被限制在1 個(gè)VLAN 內(nèi)，能大大提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度與利用率；

3） 根據(jù)部門不同，劃分不同的VLAN，有助于運(yùn)維管理，一旦網(wǎng)絡(luò)不通，可快速定位到故障點(diǎn)；

4） 可以避免因業(yè)務(wù)需要物理隔離而需增加物理交換機(jī)的情況，可有效減少硬件設(shè)備的投資。

1.3 船舶云設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)

盡管各大總體院所和總裝廠都在數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)探索的道路上已經(jīng)取得了不少成果，但目前還沒(méi)有形成統(tǒng)一的工具平臺(tái)，在總體布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、振動(dòng)噪聲分析方面需要重復(fù)建立三維模型，以滿足不同場(chǎng)景的使用需求。 船舶云設(shè)計(jì)平臺(tái)通過(guò)上下游數(shù)據(jù)，開(kāi)展共模技術(shù)研究，打通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元強(qiáng)度分析以及振動(dòng)噪聲分析的模型信息傳遞，達(dá)到一體化協(xié)同工作、一次建模多次應(yīng)用的目的。 一體化協(xié)同設(shè)計(jì)模式可進(jìn)一步提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

整個(gè)平臺(tái)采用負(fù)載均衡架構(gòu)［6］，該技術(shù)通過(guò)平衡云設(shè)計(jì)平臺(tái)底層不同服務(wù)器的負(fù)載來(lái)達(dá)到性能最佳的目的，即當(dāng)某一臺(tái)服務(wù)器過(guò)載甚至掉線的情況，將會(huì)拿出一部分甚至全部運(yùn)行的業(yè)務(wù)至另外一臺(tái)負(fù)載較小的服務(wù)器，這大大增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的健碩性，極大地降低了整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的可能性。 采用雙服務(wù)器架構(gòu)， 保證了整個(gè)云設(shè)計(jì)平臺(tái)高可用性。在云平臺(tái)后端布置統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)云盤，云盤隨著用戶賬號(hào)進(jìn)行漂移，可同時(shí)應(yīng)用于云主機(jī)、云應(yīng)用和高性能計(jì)算集群。 同時(shí)，通過(guò)云平臺(tái)內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)共模技術(shù)。 具體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 超融合架構(gòu)圖

船舶云設(shè)計(jì)平臺(tái)除了可以打通設(shè)計(jì)與管理數(shù)據(jù)之外，還有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

1） 提升數(shù)據(jù)安全，提高工作效率，減少運(yùn)維工作量。 在傳統(tǒng)辦公模式下，企業(yè)數(shù)據(jù)文件比較分散，無(wú)法真正確保信息的安全性以及分散數(shù)據(jù)的有效備份。 云設(shè)計(jì)平臺(tái)改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)的模式， 根據(jù)用戶的角色設(shè)置用戶對(duì)應(yīng)的訪問(wèn)權(quán)限，在不影響設(shè)計(jì)人員正常使用的前提下，管理員可通過(guò)云管平臺(tái)對(duì)每一個(gè)云設(shè)計(jì)主機(jī)進(jìn)行管控。 在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，員工在辦公大樓可通過(guò)任意PC 或筆記本終端隨時(shí)訪問(wèn)云設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)辦公漫游，提升工作效率。 由于云設(shè)計(jì)平臺(tái)是統(tǒng)一部署，所以在生產(chǎn)環(huán)境中能解決由于系統(tǒng)或設(shè)備差異而導(dǎo)致的軟件兼容性問(wèn)題， 有助于減少設(shè)計(jì)院辦公電腦的投入和運(yùn)維人員的維護(hù)成本，增加員工的辦公效率。

2） 資源最大化利用。 根據(jù)文獻(xiàn)［7］中公式可計(jì)算出本次建設(shè)的船舶云設(shè)計(jì)平臺(tái)主機(jī)的數(shù)量約為106 臺(tái)；按內(nèi)存承載力，可計(jì)算出船舶云設(shè)計(jì)平臺(tái)主機(jī)的數(shù)量為115 臺(tái)。 根據(jù)“木桶短板”原理，本平臺(tái)最多可以同時(shí)運(yùn)行106 臺(tái)用于三維設(shè)計(jì)的虛擬主機(jī)，這些虛擬主機(jī)可以在這3 臺(tái)測(cè)試服務(wù)器間進(jìn)行不停機(jī)漂移。 管理員可以根據(jù)生產(chǎn)、科研的需求不同，從“質(zhì)”和“量”兩個(gè)維度實(shí)現(xiàn)云設(shè)計(jì)平臺(tái)資源的精準(zhǔn)分配：一方面，可以針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的使用要求，對(duì)云平臺(tái)主機(jī)進(jìn)行定制化配置，如將CPU 或內(nèi)存成倍擴(kuò)展，增強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力；另一方面，從云設(shè)計(jì)平臺(tái)平行設(shè)計(jì)使用人數(shù)角度出發(fā)，定制項(xiàng)目所需資源的總體用量。 當(dāng)使用高峰期結(jié)束之后，釋放不需要的資源，降低使用成本。 然而，傳統(tǒng)電腦，用戶只能根據(jù)現(xiàn)有的資源進(jìn)行使用，不能做到配置的靈活變動(dòng)與調(diào)度。

3） 降低能耗，節(jié)能減排。 由文獻(xiàn)［7-8］可知，臺(tái)式機(jī)的平均功耗約為150 W， 云設(shè)計(jì)平臺(tái)終端約為8.5 W。 通過(guò)對(duì)服務(wù)器監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：在工作時(shí)間消耗功率為750 W、非工作時(shí)間功率為300 W，由于機(jī)房需要空調(diào)不間斷制冷，一般空調(diào)與服務(wù)器功耗按1 比1 配置。以云設(shè)計(jì)平臺(tái)共106 個(gè)用戶計(jì)算，平均每人每天工作8 小時(shí)，每個(gè)月工作22 天，可得出月度不同終端的用電量，如表2 所示，每年可以節(jié)約用電14 570.7 kWh，全年用電量約可減少43.39%。

表2 不同終端功耗與電費(fèi)對(duì)比

2 云設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用測(cè)試

為了驗(yàn)證超融合架構(gòu)與傳統(tǒng)架構(gòu)的性能差別，選取2 臺(tái)同樣配置的傳統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)器和超融合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行壓力測(cè)試。 選取8 種工況：256 K 順序讀、256 K順序?qū)憽? K 隨機(jī)70%讀30%寫、8 K 隨機(jī)讀、 8 K隨機(jī)寫、4 K 隨機(jī)70%讀30%寫、4 K 隨機(jī)讀和4 K 隨機(jī)寫。 具體測(cè)試結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

圖2 超融合和傳統(tǒng)架構(gòu)IOPS 性能對(duì)比圖

圖3 超融合和傳統(tǒng)架構(gòu)延遲性能對(duì)比圖

從圖2 和圖3 可知： 超融合架構(gòu)IOPS 性能最高為傳統(tǒng)架構(gòu)的50.54 倍，最低為2.85 倍，平均為27.37 倍，即1 個(gè)超融合的讀寫性能約相當(dāng)于27 臺(tái)傳統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)器。 同時(shí)延遲方面，超融合也體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)，延遲相比于傳統(tǒng)架構(gòu)，最大縮短為1/51.72，最低為1/2.91，平均為1/26.23。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可知，超融合架構(gòu)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前傳統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)器的性能。

除了壓力測(cè)試，為了驗(yàn)證本次建設(shè)的船舶云設(shè)計(jì)平臺(tái)能否滿足生產(chǎn)環(huán)境要求，選取對(duì)配置要求較高的CADMATIC 軟件進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試對(duì)象具體配置如表3 所示，為目前常用的臺(tái)式機(jī)機(jī)型和云平臺(tái)主機(jī)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。 性能提升計(jì)算方式為：在進(jìn)行軟件操作時(shí)，云主機(jī)相比于臺(tái)式機(jī)減少的響應(yīng)時(shí)間與臺(tái)式機(jī)的響應(yīng)時(shí)間之比。

表3 臺(tái)式機(jī)與云平臺(tái)主機(jī)配置對(duì)比

表4 CADMATIC 軟件測(cè)試響應(yīng)時(shí)間

測(cè)試結(jié)果表明，在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行CADMATIC軟件操作，船舶云設(shè)計(jì)平臺(tái)各方面性能較之傳統(tǒng)臺(tái)式機(jī)都得到了不同程度的提升，其中：在進(jìn)行Auto-Numbering（零件自動(dòng)編號(hào)）操作時(shí)，性能提升最少；為5.12%，進(jìn)行Code Part（分離零件）操作時(shí)，性能提升最多， 為328.13%； 所有操作性能平均提升106.83%。 云平臺(tái)較之臺(tái)式機(jī)具有較高的讀寫性能和較低的延遲。

綜上， 云設(shè)計(jì)平臺(tái)較之傳統(tǒng)臺(tái)式PC 機(jī)性能有了質(zhì)的飛躍，能夠滿足船舶研發(fā)設(shè)計(jì)工作的實(shí)際需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

船舶云設(shè)計(jì)平臺(tái)以超融合為底層架構(gòu)， 可以在不影響正?？蒲小⑸a(chǎn)的基礎(chǔ)上，將閑置的計(jì)算資源進(jìn)行回收，通過(guò)再分配的方式按需交付給用戶，最大化地利用現(xiàn)有資源。 該平臺(tái)突破了員工只能在自己工位上工作的局限，且不會(huì)因設(shè)備故障而影響工作，同時(shí)還能解決原有傳統(tǒng)架構(gòu)運(yùn)維工作量大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“按需分配、統(tǒng)一管理、高效運(yùn)維”的建設(shè)目標(biāo)。