超融合技術(shù)在廣州港全自動(dòng)化集裝箱碼頭中的應(yīng)用

鞠 進(jìn),楊 瀟,黃炳林,張煥榮

(1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510290;2.廣州南沙聯(lián)合集裝箱碼頭有限公司,廣東 廣州 511462)

隨著高速網(wǎng)絡(luò)的普及、虛擬化及云計(jì)算技術(shù)的逐漸成熟，數(shù)據(jù)中心面臨著效率和成本的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心底層架構(gòu)已無(wú)法有效滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代不斷變化的虛擬化需求，業(yè)務(wù)創(chuàng)新對(duì)IT基礎(chǔ)架構(gòu)的靈活敏捷部署提出了新的要求，在這種新形勢(shì)下，超融合技術(shù)架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。超融合的發(fā)展也由剛起步的硬件堆砌轉(zhuǎn)為了軟件堆砌，直至現(xiàn)階段的“開(kāi)箱即用”的云就緒服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)。為解決自動(dòng)化集裝箱碼頭數(shù)據(jù)中心硬件利用率低、港口運(yùn)行成本高的問(wèn)題，有效采用超融合技術(shù)以及服務(wù)器虛擬化平臺(tái)將數(shù)據(jù)中心內(nèi)的存儲(chǔ)、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行池化，對(duì)港口的業(yè)務(wù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效重組、管理和資源調(diào)度，按需把資源分配給用戶，在節(jié)約成本的同時(shí)提高了系統(tǒng)設(shè)備的利用效率，提升了港口生產(chǎn)系統(tǒng)的可用性和容災(zāi)性能[1]。

超融合技術(shù)是一種被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化集裝箱碼頭信息化建設(shè)中的先進(jìn)技術(shù)，它的基礎(chǔ)架構(gòu)不僅在同一套單元設(shè)備中擁有資源和技術(shù)，如計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和服務(wù)器虛擬化等，而且多套單元設(shè)備可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聚合形成統(tǒng)一的資源池，從而實(shí)現(xiàn)模塊化的橫向無(wú)縫擴(kuò)展[2]。近年來(lái)，隨著港口業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)急劇增加，信息化平臺(tái)的建設(shè)模式已陸續(xù)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，基于集中式共享磁盤的傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)應(yīng)用在性能、擴(kuò)展性、安全性和可靠性等方面受限制，導(dǎo)致服務(wù)器蔓延、單點(diǎn)故障。超融合基礎(chǔ)架構(gòu)作為全自動(dòng)化集裝箱碼頭信息化建設(shè)的新模式，網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息化平臺(tái)新定義、新部署和新應(yīng)用，超融合的部署可以有效提升數(shù)據(jù)中心整體管理與建設(shè)水平。

1 信息化港口數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀

信息化程度已經(jīng)成為建設(shè)和發(fā)展現(xiàn)代化港口的一個(gè)主要指標(biāo)，同時(shí)也是我國(guó)港口建設(shè)和發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。目前，與國(guó)內(nèi)港口作業(yè)相關(guān)的信息管理與控制系統(tǒng)功能的應(yīng)用子系統(tǒng)約30余項(xiàng)，主要包含管理模塊、計(jì)劃模塊、作業(yè)與計(jì)劃模塊、自動(dòng)化設(shè)備控制模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、對(duì)外服務(wù)平臺(tái)模塊以及外部接口模塊等。由于港口作業(yè)對(duì)管理水平和運(yùn)作效率的要求不斷增加，港口業(yè)務(wù)逐步向?qū)I(yè)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化邁進(jìn)，可以預(yù)見(jiàn)，隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化與信息技術(shù)的發(fā)展，特別是超融合技術(shù)應(yīng)用日趨成熟和在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)資源整合的要求越來(lái)越高，導(dǎo)致傳統(tǒng)集裝箱港口的運(yùn)營(yíng)和管理困難重重。傳統(tǒng)的儲(chǔ)存面臨I/O瓶頸，企業(yè)需要改變儲(chǔ)存體系。

采用超融合技術(shù)，通過(guò)軟件定義的體系結(jié)構(gòu)將計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)以及存儲(chǔ)完全虛擬化并由軟件控制，服務(wù)器和存儲(chǔ)得到了有效的部署和管理、方便運(yùn)維，同時(shí)也大大提升了系統(tǒng)設(shè)備利用效率。為港口未來(lái)的數(shù)據(jù)中心擴(kuò)容發(fā)展乃至推動(dòng)企業(yè)云基礎(chǔ)架構(gòu)建設(shè)提供了便利條件。

2 超融合技術(shù)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的虛擬化架構(gòu)一般采用計(jì)算和存儲(chǔ)分離并共享磁盤存儲(chǔ)，一臺(tái)物理機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)虛擬操作系統(tǒng)同時(shí)操作多個(gè)應(yīng)用軟件，傳統(tǒng)虛擬化架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)虛擬化架構(gòu)

超融合技術(shù)架構(gòu)是虛擬化、軟件定義數(shù)據(jù)中心、完全分布式架構(gòu)的結(jié)合，它是軟件定義數(shù)據(jù)中心的縮影，以軟件為基礎(chǔ)提供更加靈活、敏捷的IT業(yè)務(wù)。超融合是將服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)功能模塊的單元重組和池化的技術(shù)，通過(guò)加入軟件層快速池化和再分配資產(chǎn)的一種融合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，超融合架構(gòu)對(duì)比傳統(tǒng)架構(gòu)具有開(kāi)放性、擴(kuò)展性、資源池、可維護(hù)性和成本上的諸多優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)架構(gòu)和超融合架構(gòu)各維度對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)架構(gòu)和超融合架構(gòu)比較

經(jīng)濟(jì)性：通過(guò)部署超融合基礎(chǔ)架構(gòu)，降低了空間和電力能源需求，節(jié)省了基礎(chǔ)設(shè)施支出費(fèi)用，投產(chǎn)時(shí)間短、業(yè)務(wù)系統(tǒng)安裝部署時(shí)間不超過(guò)4 h。

可靠性：將計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)及安全構(gòu)建在一個(gè)大的資源池，靈活快速地構(gòu)建數(shù)據(jù)中心里的業(yè)務(wù)系統(tǒng)；在不損失業(yè)務(wù)性能的情況下，采用了虛擬機(jī)的熱遷移技術(shù)、數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)，存儲(chǔ)的多副本技術(shù)為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供了可靠性保障，易于管理和集成。

擴(kuò)展性：利用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提高應(yīng)用容量和性能，提高靈活的擴(kuò)展性能，只需在業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)就可以提高相應(yīng)的服務(wù)器計(jì)算節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，IT基本結(jié)構(gòu)的操作更簡(jiǎn)化。

資源池化：相比傳統(tǒng)架構(gòu)的集中式存儲(chǔ)，存儲(chǔ)資源規(guī)劃及管理較為復(fù)雜，通過(guò)分布式存儲(chǔ)的布局可有效簡(jiǎn)化資源管理。

3 自動(dòng)化碼頭數(shù)據(jù)中心對(duì)超融合架構(gòu)的需求分析

針對(duì)先進(jìn)、高效的自動(dòng)化碼頭數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維和管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)間短、硬件選型更換便捷、硬盤及節(jié)點(diǎn)故障恢復(fù)快捷、擴(kuò)容簡(jiǎn)單快速、管理界面簡(jiǎn)潔等尤為重要。構(gòu)建虛擬化平臺(tái)的核心和關(guān)鍵是數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，虛擬數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)提供IT基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，如運(yùn)算處理資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源等，按需滿足要求。虛擬化是信息平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)，通過(guò)虛擬化技術(shù)進(jìn)行整合，在提供運(yùn)行環(huán)境等基礎(chǔ)服務(wù)的同時(shí)，對(duì)外形成以計(jì)算資源(包括服務(wù)器池、存儲(chǔ)池、網(wǎng)絡(luò)池等)為主的池化管理[3]，自動(dòng)化碼頭超融合架構(gòu)見(jiàn)圖2。

綜上所述，在公路工程建設(shè)施工中，施工技術(shù)控制和管理與進(jìn)度、質(zhì)量、成本等很多方面都存在著聯(lián)系，為了做好這項(xiàng)工作，應(yīng)建立完善的管理體系，設(shè)置專門的管理部門，進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)管理力度，從而保障施工質(zhì)量。

圖2 自動(dòng)化碼頭超融合架構(gòu)

3.1 服務(wù)器虛擬化需求

自動(dòng)化碼頭的服務(wù)器虛擬化要充分消除一臺(tái)服務(wù)器運(yùn)營(yíng)應(yīng)用模式的低效率，大多數(shù)服務(wù)器在這種模式下沒(méi)有得到充分的利用。在服務(wù)器虛擬化技術(shù)的支持下，一臺(tái)服務(wù)器可以作為多臺(tái)虛擬機(jī)應(yīng)用，每一臺(tái)都能在Windows、Linux等不同的環(huán)境中運(yùn)作。通過(guò)服務(wù)器虛擬化手段可提高資源的利用率，從而降低基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)成本。

3.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬化需求

首先，自動(dòng)化碼頭超融合結(jié)構(gòu)可以將各種使用者在同一網(wǎng)中進(jìn)行不同使用；其次，在自動(dòng)化碼頭生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)、視頻網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)交換上利用虛擬區(qū)域(VLAN)技術(shù)，區(qū)別于不同的業(yè)務(wù)網(wǎng)，從而達(dá)到隔離網(wǎng)絡(luò)的存取；再次，在部署現(xiàn)代化港口數(shù)據(jù)中心上，不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全策略的需求也不盡相同，可以將一個(gè)安全設(shè)備通過(guò)虛擬技術(shù)劃分為多個(gè)邏輯的安全設(shè)備，使各邏輯的網(wǎng)絡(luò)都能利用。

3.3 存儲(chǔ)虛擬化需求

在存儲(chǔ)的隨機(jī)性能方面，分布式存儲(chǔ)帶來(lái)多節(jié)點(diǎn)并發(fā)和性能擴(kuò)展，集中式存儲(chǔ)性能和容量是瓶頸，分布式轉(zhuǎn)型是大勢(shì)所趨。對(duì)于自動(dòng)化碼頭項(xiàng)目的基礎(chǔ)建設(shè)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮要選擇更符合長(zhǎng)期發(fā)展、具備技術(shù)前瞻性的技術(shù)架構(gòu)。針對(duì)廣州港常采用“小型機(jī)和共享存儲(chǔ)”的傳統(tǒng)單一存儲(chǔ)架構(gòu)問(wèn)題，更優(yōu)質(zhì)地實(shí)現(xiàn)零停機(jī)等待、零數(shù)據(jù)丟失功能，通過(guò)存儲(chǔ)虛擬化應(yīng)用后能夠保證系統(tǒng)的靈活性以及穩(wěn)定性，保障業(yè)務(wù)連續(xù)性。以數(shù)據(jù)中心軟件定義的分布式存儲(chǔ)技術(shù)可利用軟件作為介質(zhì)，把服務(wù)器和存儲(chǔ)架構(gòu)構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)資源的庫(kù)，不僅確保了存儲(chǔ)所需的性能，而且還通過(guò)硬件+軟件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)良好擴(kuò)展。

4 超融合技術(shù)構(gòu)建自動(dòng)化碼頭

4.1 總體架構(gòu)

從廣州港南沙四期全自動(dòng)化集裝箱碼頭(簡(jiǎn)稱南沙四期)業(yè)務(wù)持續(xù)運(yùn)行以及自動(dòng)化碼頭對(duì)系統(tǒng)可靠、安全、延時(shí)和可管理性的要求，廣州港南沙四期服務(wù)器虛擬化平臺(tái)設(shè)計(jì)采用軟硬一體的超融合技術(shù)，項(xiàng)目配置了主、備兩個(gè)數(shù)據(jù)中心[4]。每個(gè)數(shù)據(jù)中心分別部署一套多節(jié)點(diǎn)全閃存超融合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源虛擬化，提供易擴(kuò)展的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。每個(gè)集群配置一臺(tái)單獨(dú)的管理節(jié)點(diǎn)和一套大容量NAS 存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)管理和業(yè)務(wù)分離、備份和生產(chǎn)分離的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)架構(gòu)。同時(shí)需將應(yīng)用分別部署在兩套超融上，形成應(yīng)用層面的主備模式，一旦主機(jī)房發(fā)生不可恢復(fù)的災(zāi)難，應(yīng)用層面可以迅速切換到備機(jī)房，從而滿足性能、安全和可擴(kuò)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(tái)的拓?fù)浼軜?gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 南沙四期工程虛擬化平臺(tái)拓?fù)浼軜?gòu)

4.2 服務(wù)器虛擬化

為了實(shí)現(xiàn)更高的資源利用率、減少系統(tǒng)管理的復(fù)雜度、加快對(duì)業(yè)務(wù)需求的響應(yīng)速度，對(duì)數(shù)據(jù)中心而言，將應(yīng)用和數(shù)據(jù)進(jìn)行整合來(lái)提供高可靠、高可用的應(yīng)用服務(wù)。根據(jù)南沙四期業(yè)務(wù)應(yīng)用以及碼頭TOS系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的需求，需要相應(yīng)虛擬化配置WINDOWS環(huán)境虛擬CPU(24個(gè))、虛擬內(nèi)存(56 G)及LINUX環(huán)境虛擬CPU(412個(gè))、虛擬內(nèi)存(1 768 G)，結(jié)合廠家1個(gè)超融合結(jié)點(diǎn)所具備的物理資源可提供支持CPU(72個(gè))、虛擬內(nèi)存(384 G)的設(shè)備選型，計(jì)算出CPU計(jì)算所需的超融合服務(wù)器數(shù)量以及按照內(nèi)存計(jì)算所需的超融合服務(wù)器數(shù)量均至少為5臺(tái)，綜合考慮環(huán)境應(yīng)用，每個(gè)數(shù)據(jù)中心分別部署一套6節(jié)點(diǎn)全閃存超融合系統(tǒng)。相同VLan網(wǎng)段的業(yè)務(wù)VM間的數(shù)據(jù)通訊均可在本地完成數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)超低延時(shí)高速交換。南沙四期工程虛擬化資源見(jiàn)表2。

表2 南沙四期工程虛擬化資源

南沙四期配置的每個(gè)節(jié)點(diǎn)初始配置2顆18核處理器、384 G內(nèi)存。在不增加節(jié)點(diǎn)的情況下，使用單條32 G內(nèi)存可擴(kuò)容至768 G，使用單條128 G內(nèi)存可擴(kuò)容至最大3 T內(nèi)存。通過(guò)增加超融合節(jié)點(diǎn)或純計(jì)算節(jié)點(diǎn)，純計(jì)算節(jié)點(diǎn)支持4路服務(wù)器，可按需擴(kuò)容集群計(jì)算資源至初始集群的8倍以上。每個(gè)集群由6個(gè)超融合節(jié)點(diǎn)組成，單集群總物理CPU12顆、216核處理器、單集群總內(nèi)存2 304 G。

4.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化功能，南沙四期自動(dòng)化碼頭根據(jù)碼頭的各類作業(yè)應(yīng)用，如網(wǎng)絡(luò)交換、路由工功能、負(fù)載均衡服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)安全從物理網(wǎng)絡(luò)上耦合分離，利用融合技術(shù)進(jìn)行池化應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)高靈活性以及高分配性；通過(guò)全新的網(wǎng)絡(luò)連接運(yùn)維模式，能夠安全穩(wěn)定地解決傳統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的管理和運(yùn)維難題，可滿足港口業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)快速、靈活自動(dòng)化部署的需求[6]。

4.4 存儲(chǔ)虛擬化

4.5 雙活數(shù)據(jù)中心

南沙四期是將硬件資源集中起來(lái)，集中管理虛擬資源、業(yè)務(wù)資源和應(yīng)用資源，并采取超融合虛擬化技術(shù)。該方法通過(guò)虛擬計(jì)算(Virtual Computing)、虛擬存儲(chǔ)(Virtual Storage)、虛擬網(wǎng)絡(luò)幫助企業(yè)客戶建立安全、綠色、節(jié)能的云數(shù)據(jù)中心，通過(guò)統(tǒng)一的接口調(diào)度和管理這些虛擬資源，以減少經(jīng)營(yíng)成本，保證系統(tǒng)的安全可靠，采用雙活數(shù)據(jù)中心可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的自動(dòng)無(wú)縫切換，實(shí)現(xiàn)可靠的業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)訪問(wèn)和存儲(chǔ)[7]。

4.6 數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用

南沙四期的TOS的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用先進(jìn)的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)一體化系統(tǒng)(ODA)。從技術(shù)先進(jìn)性上，ODA內(nèi)部為X86架構(gòu)，符合技術(shù)主流方向，且自身為集群架構(gòu)，在性能、可靠性、可用性等方面都比第三方組件集成的架構(gòu)有很大提升。除此之外，在數(shù)據(jù)運(yùn)維上也有很大程度的簡(jiǎn)化，更適合自動(dòng)化碼頭的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用方面，比起小型機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器匹配雙活存儲(chǔ)陣列架構(gòu)，ODA一體機(jī)的使用實(shí)現(xiàn)了更好的性能優(yōu)化、大大提高了存儲(chǔ)性能，同時(shí)能夠提供預(yù)定義模版。在生產(chǎn)和容災(zāi)站點(diǎn)應(yīng)用上具備高可用RAC集群性能。

5 結(jié)論

1)超融合技術(shù)的重點(diǎn)是以虛擬化計(jì)算為核心，它將計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源、服務(wù)器設(shè)備聚合在一起。廣州港自動(dòng)化碼頭建設(shè)的超融合架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息化港口進(jìn)行了嶄新的設(shè)計(jì)、部署和應(yīng)用。

2)整體而言，超融合架構(gòu)在虛擬化和分布式存儲(chǔ)不斷發(fā)展的前提下，相對(duì)于傳統(tǒng)架構(gòu)在可擴(kuò)展性和可維護(hù)性方面優(yōu)勢(shì)明顯，同時(shí)也在一定程度上壓縮了IT基礎(chǔ)資源的整體成本，很好地推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的分布式和軟件定義轉(zhuǎn)型。