基于超融合架構的船舶云設計平臺

趙正彬，石光偉，張舜欽，倪健，瞿瓊燕

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前 言

目前，以計算機云設計和三維數字化技術作為推動產業轉型和發展的重要抓手，船舶行業各大總體院所和總裝廠都在開展數字化研發設計探索，解決船舶詳細設計、生產設計和管理數據之間存在的信息孤島現象，共享各階段設計與管理數據，為設計人員提供標準可靠、 靈活開發的云設計平臺，提高設計工作效率和產品質量。

規劃建設的船舶云設計平臺基于超融合基礎架構，依托設計院智能化數值水池、多專業三維協同設計平臺、全流程項目管理及信息化建設多年積累的經驗以及大量船舶研發數據，貫通研發、設計全過程。 以三維一體化協同設計為主線，將數值水池仿真分析與數字化設計聯合應用，形成符合船舶研發設計需求的優化仿真與協同設計一體化平臺。

1 云設計平臺架構和功能

以“一臺服務器、一種應用”為典型工況的傳統架構模式，計算機資源的使用率不到25%［1］，造成了極大的資源浪費。 目前， 在KVM、VMWare、Hyper-V、Xenserver、Openstack 等虛擬化技術的支持下，單臺物理服務器可以運行若干臺“虛擬”的主機，這些虛擬主機都擁有獨立的操作系統與應用［2］，但是這種單主機虛擬化往往受限于I/O 讀寫與存儲， 而超融合架構可以將計算機的計算、存儲、內存和網絡資源集中到一起，組成一個大的資源池，將硬件資源進行充分利用，有利于企業根據實際業務需求來調整服務器的負載。

1.1 超融合底層架構

超融合基礎架構是一個軟件定義的IT 基礎架構，它由虛擬化計算（hypervisor）虛擬存儲（SDS）和虛擬網絡組成。 麥肯錫研究顯示：目前服務器的瓶頸主要在于傳統存儲的硬盤讀取速度，CPU 大部分計算能力都處于等待存儲數據傳輸過來的狀態。 傳統存儲容量和性能不具備和計算能力匹配的可擴展性，不能滿足企業進行數據訪問的需求。 超融合架構是集計算、存儲和網絡為一體的虛擬化平臺，通過超融合軟件將集群中若干臺服務器的存儲整合成一個大的存儲池，成倍地提升整個集群的I/O 性能，并將CPU 和網絡虛擬化［3］，在此基礎上提供業務系統所需的全部資源。 超融合架構相比于傳統虛擬架構，具有無可比擬的優勢，具體對比如表1 所示。

表1 傳統虛擬化架構與超融合架構對比

由表1 可知，超融合架構簡單可靠，可實現物理服務器間的無縫橫向擴展，當其中任意一臺主機出現故障時，其他主機可以實現無縫對接，超高的整合比讓其具有更高的性價比。 在此基礎上構建的云設計平臺具有高可用、高可靠、高效率和高彈性的特點。

1.2 網絡規劃

采用2 臺數據中心網絡交換機作為超融合內部數據交互通道， 由10G 雙鏈路萬兆光纖網絡進行平臺內部存儲數據傳輸，保證網絡的冗余可靠，為整個平臺提供高速穩定的網絡環境。超融合對外數據傳輸同樣采用雙萬兆鏈路網絡連接至核心交換機。

云設計平臺主機與外部通過虛擬以太交換機（vSwitch）連接，根據不同的使用場景進行VLAN 劃分，通過VLAN 劃分可以達到以下效果［4-5］：

1） 不同VLAN 之間的機器必須通過3 層路由才能實現通信，有助于控制網絡流量，提高網絡安全性；

2） 由于廣播域可以被限制在1 個VLAN 內，能大大提高網絡傳輸速度與利用率；

3） 根據部門不同，劃分不同的VLAN，有助于運維管理，一旦網絡不通，可快速定位到故障點；

4） 可以避免因業務需要物理隔離而需增加物理交換機的情況，可有效減少硬件設備的投資。

1.3 船舶云設計平臺架構

盡管各大總體院所和總裝廠都在數字化研發設計探索的道路上已經取得了不少成果，但目前還沒有形成統一的工具平臺，在總體布置、結構設計、強度分析、振動噪聲分析方面需要重復建立三維模型，以滿足不同場景的使用需求。 船舶云設計平臺通過上下游數據，開展共模技術研究，打通結構設計與有限元強度分析以及振動噪聲分析的模型信息傳遞，達到一體化協同工作、一次建模多次應用的目的。 一體化協同設計模式可進一步提高工作效率和設計質量。

整個平臺采用負載均衡架構［6］，該技術通過平衡云設計平臺底層不同服務器的負載來達到性能最佳的目的，即當某一臺服務器過載甚至掉線的情況，將會拿出一部分甚至全部運行的業務至另外一臺負載較小的服務器，這大大增強了整個系統的健碩性，極大地降低了整個系統癱瘓的可能性。 采用雙服務器架構， 保證了整個云設計平臺高可用性。在云平臺后端布置統一數據存儲云盤，云盤隨著用戶賬號進行漂移，可同時應用于云主機、云應用和高性能計算集群。 同時，通過云平臺內數據轉換模塊實現共模技術。 具體架構如圖1 所示。

圖1 超融合架構圖

船舶云設計平臺除了可以打通設計與管理數據之外，還有以下幾個優勢：

1） 提升數據安全，提高工作效率，減少運維工作量。 在傳統辦公模式下，企業數據文件比較分散，無法真正確保信息的安全性以及分散數據的有效備份。 云設計平臺改變了傳統數據分散存儲的模式， 根據用戶的角色設置用戶對應的訪問權限，在不影響設計人員正常使用的前提下，管理員可通過云管平臺對每一個云設計主機進行管控。 在保證數據安全的前提下，員工在辦公大樓可通過任意PC 或筆記本終端隨時訪問云設計平臺，實現辦公漫游，提升工作效率。 由于云設計平臺是統一部署，所以在生產環境中能解決由于系統或設備差異而導致的軟件兼容性問題， 有助于減少設計院辦公電腦的投入和運維人員的維護成本，增加員工的辦公效率。

2） 資源最大化利用。 根據文獻［7］中公式可計算出本次建設的船舶云設計平臺主機的數量約為106 臺；按內存承載力，可計算出船舶云設計平臺主機的數量為115 臺。 根據“木桶短板”原理，本平臺最多可以同時運行106 臺用于三維設計的虛擬主機，這些虛擬主機可以在這3 臺測試服務器間進行不停機漂移。 管理員可以根據生產、科研的需求不同，從“質”和“量”兩個維度實現云設計平臺資源的精準分配：一方面，可以針對不同應用場景的使用要求，對云平臺主機進行定制化配置，如將CPU 或內存成倍擴展，增強系統的處理能力；另一方面，從云設計平臺平行設計使用人數角度出發，定制項目所需資源的總體用量。 當使用高峰期結束之后，釋放不需要的資源，降低使用成本。 然而，傳統電腦，用戶只能根據現有的資源進行使用，不能做到配置的靈活變動與調度。

3） 降低能耗，節能減排。 由文獻［7-8］可知，臺式機的平均功耗約為150 W， 云設計平臺終端約為8.5 W。 通過對服務器監測發現：在工作時間消耗功率為750 W、非工作時間功率為300 W，由于機房需要空調不間斷制冷，一般空調與服務器功耗按1 比1 配置。以云設計平臺共106 個用戶計算，平均每人每天工作8 小時，每個月工作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對比

2 云設計平臺應用測試

為了驗證超融合架構與傳統架構的性能差別，選取2 臺同樣配置的傳統架構服務器和超融合節點進行壓力測試。 選取8 種工況：256 K 順序讀、256 K順序寫、8 K 隨機70%讀30%寫、8 K 隨機讀、 8 K隨機寫、4 K 隨機70%讀30%寫、4 K 隨機讀和4 K 隨機寫。 具體測試結果如圖2 和圖3 所示。

圖2 超融合和傳統架構IOPS 性能對比圖

圖3 超融合和傳統架構延遲性能對比圖

從圖2 和圖3 可知： 超融合架構IOPS 性能最高為傳統架構的50.54 倍，最低為2.85 倍，平均為27.37 倍，即1 個超融合的讀寫性能約相當于27 臺傳統架構服務器。 同時延遲方面，超融合也體現出較大的優勢，延遲相比于傳統架構，最大縮短為1/51.72，最低為1/2.91，平均為1/26.23。通過以上數據可知，超融合架構的性能遠遠高于目前傳統架構服務器的性能。

除了壓力測試，為了驗證本次建設的船舶云設計平臺能否滿足生產環境要求，選取對配置要求較高的CADMATIC 軟件進行性能測試。測試對象具體配置如表3 所示，為目前常用的臺式機機型和云平臺主機，測試結果見表4。 性能提升計算方式為：在進行軟件操作時，云主機相比于臺式機減少的響應時間與臺式機的響應時間之比。

表3 臺式機與云平臺主機配置對比

表4 CADMATIC 軟件測試響應時間

測試結果表明，在生產環境中進行CADMATIC軟件操作，船舶云設計平臺各方面性能較之傳統臺式機都得到了不同程度的提升，其中：在進行Auto-Numbering（零件自動編號）操作時，性能提升最少；為5.12%，進行Code Part（分離零件）操作時，性能提升最多， 為328.13%； 所有操作性能平均提升106.83%。 云平臺較之臺式機具有較高的讀寫性能和較低的延遲。

綜上， 云設計平臺較之傳統臺式PC 機性能有了質的飛躍，能夠滿足船舶研發設計工作的實際需求。

3 結 語

船舶云設計平臺以超融合為底層架構， 可以在不影響正?？蒲?、生產的基礎上，將閑置的計算資源進行回收，通過再分配的方式按需交付給用戶，最大化地利用現有資源。 該平臺突破了員工只能在自己工位上工作的局限，且不會因設備故障而影響工作，同時還能解決原有傳統架構運維工作量大等問題，實現“按需分配、統一管理、高效運維”的建設目標。