超融合技術在廣州港全自動化集裝箱碼頭中的應用

鞠 進,楊 瀟,黃炳林,張煥榮

(1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司,廣東 廣州 510290;2.廣州南沙聯合集裝箱碼頭有限公司,廣東 廣州 511462)

隨著高速網絡的普及、虛擬化及云計算技術的逐漸成熟，數據中心面臨著效率和成本的挑戰，傳統的數據中心底層架構已無法有效滿足大數據時代不斷變化的虛擬化需求，業務創新對IT基礎架構的靈活敏捷部署提出了新的要求，在這種新形勢下，超融合技術架構應運而生。超融合的發展也由剛起步的硬件堆砌轉為了軟件堆砌，直至現階段的“開箱即用”的云就緒服務平臺系統。為解決自動化集裝箱碼頭數據中心硬件利用率低、港口運行成本高的問題，有效采用超融合技術以及服務器虛擬化平臺將數據中心內的存儲、計算和網絡資源進行池化，對港口的業務和相應的數據進行有效重組、管理和資源調度，按需把資源分配給用戶，在節約成本的同時提高了系統設備的利用效率，提升了港口生產系統的可用性和容災性能[1]。

超融合技術是一種被廣泛應用在自動化集裝箱碼頭信息化建設中的先進技術，它的基礎架構不僅在同一套單元設備中擁有資源和技術，如計算、網絡、存儲和服務器虛擬化等，而且多套單元設備可以通過網絡聚合形成統一的資源池，從而實現模塊化的橫向無縫擴展[2]。近年來，隨著港口業務數據急劇增加，信息化平臺的建設模式已陸續發生了轉變，基于集中式共享磁盤的傳統虛擬化技術應用在性能、擴展性、安全性和可靠性等方面受限制，導致服務器蔓延、單點故障。超融合基礎架構作為全自動化集裝箱碼頭信息化建設的新模式，網絡對信息化平臺新定義、新部署和新應用，超融合的部署可以有效提升數據中心整體管理與建設水平。

1 信息化港口數據中心現狀

信息化程度已經成為建設和發展現代化港口的一個主要指標，同時也是我國港口建設和發展的一個重要趨勢。目前，與國內港口作業相關的信息管理與控制系統功能的應用子系統約30余項，主要包含管理模塊、計劃模塊、作業與計劃模塊、自動化設備控制模塊、統計分析模塊、對外服務平臺模塊以及外部接口模塊等。由于港口作業對管理水平和運作效率的要求不斷增加，港口業務逐步向專業化、規范化、標準化邁進，可以預見，隨著全球經濟一體化與信息技術的發展，特別是超融合技術應用日趨成熟和在各行業的廣泛應用，對數據資源整合的要求越來越高，導致傳統集裝箱港口的運營和管理困難重重。傳統的儲存面臨I/O瓶頸，企業需要改變儲存體系。

采用超融合技術，通過軟件定義的體系結構將計算、網絡以及存儲完全虛擬化并由軟件控制，服務器和存儲得到了有效的部署和管理、方便運維，同時也大大提升了系統設備利用效率。為港口未來的數據中心擴容發展乃至推動企業云基礎架構建設提供了便利條件。

2 超融合技術的特點

傳統的虛擬化架構一般采用計算和存儲分離并共享磁盤存儲，一臺物理機上可以實現多個虛擬操作系統同時操作多個應用軟件，傳統虛擬化架構見圖1。

圖1 傳統虛擬化架構

超融合技術架構是虛擬化、軟件定義數據中心、完全分布式架構的結合，它是軟件定義數據中心的縮影，以軟件為基礎提供更加靈活、敏捷的IT業務。超融合是將服務器、存儲和網絡功能模塊的單元重組和池化的技術，通過加入軟件層快速池化和再分配資產的一種融合基礎結構，超融合架構對比傳統架構具有開放性、擴展性、資源池、可維護性和成本上的諸多優勢。傳統架構和超融合架構各維度對比見表1。

表1 傳統架構和超融合架構比較

經濟性：通過部署超融合基礎架構，降低了空間和電力能源需求，節省了基礎設施支出費用，投產時間短、業務系統安裝部署時間不超過4 h。

可靠性：將計算、存儲、網絡及安全構建在一個大的資源池，靈活快速地構建數據中心里的業務系統；在不損失業務性能的情況下，采用了虛擬機的熱遷移技術、數據備份和恢復，存儲的多副本技術為業務系統提供了可靠性保障，易于管理和集成。

擴展性：利用分布式結構設計，可以提高應用容量和性能，提高靈活的擴展性能，只需在業務系統進行擴展和升級就可以提高相應的服務器計算節點。同時，IT基本結構的操作更簡化。

資源池化：相比傳統架構的集中式存儲，存儲資源規劃及管理較為復雜，通過分布式存儲的布局可有效簡化資源管理。

3 自動化碼頭數據中心對超融合架構的需求分析

針對先進、高效的自動化碼頭數據中心網絡運維和管理，實現網絡部署時間短、硬件選型更換便捷、硬盤及節點故障恢復快捷、擴容簡單快速、管理界面簡潔等尤為重要。構建虛擬化平臺的核心和關鍵是數據中心的建設，虛擬數據中心負責提供IT基礎設施服務，如運算處理資源、存儲資源和網絡資源等，按需滿足要求。虛擬化是信息平臺建設的基礎，通過虛擬化技術進行整合，在提供運行環境等基礎服務的同時，對外形成以計算資源(包括服務器池、存儲池、網絡池等)為主的池化管理[3]，自動化碼頭超融合架構見圖2。

綜上所述，在公路工程建設施工中，施工技術控制和管理與進度、質量、成本等很多方面都存在著聯系，為了做好這項工作，應建立完善的管理體系，設置專門的管理部門，進一步加強技術管理力度，從而保障施工質量。

圖2 自動化碼頭超融合架構

3.1 服務器虛擬化需求

自動化碼頭的服務器虛擬化要充分消除一臺服務器運營應用模式的低效率，大多數服務器在這種模式下沒有得到充分的利用。在服務器虛擬化技術的支持下，一臺服務器可以作為多臺虛擬機應用，每一臺都能在Windows、Linux等不同的環境中運作。通過服務器虛擬化手段可提高資源的利用率，從而降低基礎設施的運營成本。

3.2 網絡虛擬化需求

首先，自動化碼頭超融合結構可以將各種使用者在同一網中進行不同使用；其次，在自動化碼頭生產網、辦公網、視頻網的網絡交換上利用虛擬區域(VLAN)技術，區別于不同的業務網，從而達到隔離網絡的存??；再次，在部署現代化港口數據中心上，不同的邏輯網絡對安全策略的需求也不盡相同，可以將一個安全設備通過虛擬技術劃分為多個邏輯的安全設備，使各邏輯的網絡都能利用。

3.3 存儲虛擬化需求

在存儲的隨機性能方面，分布式存儲帶來多節點并發和性能擴展，集中式存儲性能和容量是瓶頸，分布式轉型是大勢所趨。對于自動化碼頭項目的基礎建設，從長遠考慮要選擇更符合長期發展、具備技術前瞻性的技術架構。針對廣州港常采用“小型機和共享存儲”的傳統單一存儲架構問題，更優質地實現零停機等待、零數據丟失功能，通過存儲虛擬化應用后能夠保證系統的靈活性以及穩定性，保障業務連續性。以數據中心軟件定義的分布式存儲技術可利用軟件作為介質，把服務器和存儲架構構成一個存儲資源的庫，不僅確保了存儲所需的性能，而且還通過硬件+軟件的應用實現良好擴展。

4 超融合技術構建自動化碼頭

4.1 總體架構

從廣州港南沙四期全自動化集裝箱碼頭(簡稱南沙四期)業務持續運行以及自動化碼頭對系統可靠、安全、延時和可管理性的要求，廣州港南沙四期服務器虛擬化平臺設計采用軟硬一體的超融合技術，項目配置了主、備兩個數據中心[4]。每個數據中心分別部署一套多節點全閃存超融合系統實現服務器資源虛擬化，提供易擴展的計算資源和存儲資源。每個集群配置一臺單獨的管理節點和一套大容量NAS 存儲，實現管理和業務分離、備份和生產分離的標準工業架構。同時需將應用分別部署在兩套超融上，形成應用層面的主備模式，一旦主機房發生不可恢復的災難，應用層面可以迅速切換到備機房，從而滿足性能、安全和可擴展性以及可管理的需要[5]。廣州港南沙四期工程虛擬化平臺的拓撲架構見圖3。

圖3 南沙四期工程虛擬化平臺拓撲架構

4.2 服務器虛擬化

為了實現更高的資源利用率、減少系統管理的復雜度、加快對業務需求的響應速度，對數據中心而言，將應用和數據進行整合來提供高可靠、高可用的應用服務。根據南沙四期業務應用以及碼頭TOS系統運行環境的需求，需要相應虛擬化配置WINDOWS環境虛擬CPU(24個)、虛擬內存(56 G)及LINUX環境虛擬CPU(412個)、虛擬內存(1 768 G)，結合廠家1個超融合結點所具備的物理資源可提供支持CPU(72個)、虛擬內存(384 G)的設備選型，計算出CPU計算所需的超融合服務器數量以及按照內存計算所需的超融合服務器數量均至少為5臺，綜合考慮環境應用，每個數據中心分別部署一套6節點全閃存超融合系統。相同VLan網段的業務VM間的數據通訊均可在本地完成數據交換，實現超低延時高速交換。南沙四期工程虛擬化資源見表2。

表2 南沙四期工程虛擬化資源

南沙四期配置的每個節點初始配置2顆18核處理器、384 G內存。在不增加節點的情況下，使用單條32 G內存可擴容至768 G，使用單條128 G內存可擴容至最大3 T內存。通過增加超融合節點或純計算節點，純計算節點支持4路服務器，可按需擴容集群計算資源至初始集群的8倍以上。每個集群由6個超融合節點組成，單集群總物理CPU12顆、216核處理器、單集群總內存2 304 G。

4.3 網絡虛擬化

網絡虛擬化是將網絡設備實現存儲虛擬化功能，南沙四期自動化碼頭根據碼頭的各類作業應用，如網絡交換、路由工功能、負載均衡服務以及網絡安全從物理網絡上耦合分離，利用融合技術進行池化應用，從而實現網絡連接服務高靈活性以及高分配性；通過全新的網絡連接運維模式，能夠安全穩定地解決傳統硬件網絡出現的管理和運維難題，可滿足港口業務應用對網絡快速、靈活自動化部署的需求[6]。

4.4 存儲虛擬化

4.5 雙活數據中心

南沙四期是將硬件資源集中起來，集中管理虛擬資源、業務資源和應用資源，并采取超融合虛擬化技術。該方法通過虛擬計算(Virtual Computing)、虛擬存儲(Virtual Storage)、虛擬網絡幫助企業客戶建立安全、綠色、節能的云數據中心，通過統一的接口調度和管理這些虛擬資源，以減少經營成本，保證系統的安全可靠，采用雙活數據中心可以實現業務的自動無縫切換，實現可靠的業務及數據訪問和存儲[7]。

4.6 數據庫應用

南沙四期的TOS的數據庫系統采用先進的Oracle數據庫一體化系統(ODA)。從技術先進性上，ODA內部為X86架構，符合技術主流方向，且自身為集群架構，在性能、可靠性、可用性等方面都比第三方組件集成的架構有很大提升。除此之外，在數據運維上也有很大程度的簡化，更適合自動化碼頭的業務場景。針對數據庫應用方面，比起小型機數據庫服務器匹配雙活存儲陣列架構，ODA一體機的使用實現了更好的性能優化、大大提高了存儲性能，同時能夠提供預定義模版。在生產和容災站點應用上具備高可用RAC集群性能。

5 結論

1)超融合技術的重點是以虛擬化計算為核心，它將計算資源、網絡資源、存儲資源、服務器設備聚合在一起。廣州港自動化碼頭建設的超融合架構的網絡對信息化港口進行了嶄新的設計、部署和應用。

2)整體而言，超融合架構在虛擬化和分布式存儲不斷發展的前提下，相對于傳統架構在可擴展性和可維護性方面優勢明顯，同時也在一定程度上壓縮了IT基礎資源的整體成本，很好地推動了數據中心架構的分布式和軟件定義轉型。