赵正彬，石光伟，张舜钦，倪健，瞿琼燕
（上海船舶研究设计院，上海 201203）
目前，以计算机云设计和三维数字化技术作为推动产业转型和发展的重要抓手，船舶行业各大总体院所和总装厂都在开展数字化研发设计探索，解决船舶详细设计、生产设计和管理数据之间存在的信息孤岛现象，共享各阶段设计与管理数据，为设计人员提供标准可靠、 灵活开发的云设计平台，提高设计工作效率和产品质量。
规划建设的船舶云设计平台基于超融合基础架构，依托设计院智能化数值水池、多专业三维协同设计平台、全流程项目管理及信息化建设多年积累的经验以及大量船舶研发数据，贯通研发、设计全过程。
以三维一体化协同设计为主线，将数值水池仿真分析与数字化设计联合应用，形成符合船舶研发设计需求的优化仿真与协同设计一体化平台。
以“一台服务器、一种应用”为典型工况的传统架构模式，计算机资源的使用率不到25%［1］，造成了极大的资源浪费。
目前， 在KVM、VMWare、Hyper-V、Xenserver、Openstack 等虚拟化技术的支持下，单台物理服务器可以运行若干台“虚拟”的主机，这些虚拟主机都拥有独立的操作系统与应用［2］，但是这种单主机虚拟化往往受限于I/O 读写与存储， 而超融合架构可以将计算机的计算、存储、内存和网络资源集中到一起，组成一个大的资源池，将硬件资源进行充分利用，有利于企业根据实际业务需求来调整服务器的负载。
1.1 超融合底层架构
超融合基础架构是一个软件定义的IT 基础架构，它由虚拟化计算（hypervisor）虚拟存储（SDS）和虚拟网络组成。
麦肯锡研究显示：目前服务器的瓶颈主要在于传统存储的硬盘读取速度，CPU 大部分计算能力都处于等待存储数据传输过来的状态。
传统存储容量和性能不具备和计算能力匹配的可扩展性，不能满足企业进行数据访问的需求。
超融合架构是集计算、存储和网络为一体的虚拟化平台，通过超融合软件将集群中若干台服务器的存储整合成一个大的存储池，成倍地提升整个集群的I/O 性能，并将CPU 和网络虚拟化［3］，在此基础上提供业务系统所需的全部资源。
超融合架构相比于传统虚拟架构，具有无可比拟的优势，具体对比如表1 所示。
表1 传统虚拟化架构与超融合架构对比
由表1 可知，超融合架构简单可靠，可实现物理服务器间的无缝横向扩展，当其中任意一台主机出现故障时，其他主机可以实现无缝对接，超高的整合比让其具有更高的性价比。
在此基础上构建的云设计平台具有高可用、高可靠、高效率和高弹性的特点。
1.2 网络规划
采用2 台数据中心网络交换机作为超融合内部数据交互通道， 由10G 双链路万兆光纤网络进行平台内部存储数据传输，保证网络的冗余可靠，为整个平台提供高速稳定的网络环境。超融合对外数据传输同样采用双万兆链路网络连接至核心交换机。
云设计平台主机与外部通过虚拟以太交换机（vSwitch）连接，根据不同的使用场景进行VLAN 划分，通过VLAN 划分可以达到以下效果［4-5］：
1） 不同VLAN 之间的机器必须通过3 层路由才能实现通信，有助于控制网络流量，提高网络安全性；
2） 由于广播域可以被限制在1 个VLAN 内，能大大提高网络传输速度与利用率；
3） 根据部门不同，划分不同的VLAN，有助于运维管理，一旦网络不通，可快速定位到故障点；
4） 可以避免因业务需要物理隔离而需增加物理交换机的情况，可有效减少硬件设备的投资。
1.3 船舶云设计平台架构
尽管各大总体院所和总装厂都在数字化研发设计探索的道路上已经取得了不少成果，但目前还没有形成统一的工具平台，在总体布置、结构设计、强度分析、振动噪声分析方面需要重复建立三维模型，以满足不同场景的使用需求。
船舶云设计平台通过上下游数据，开展共模技术研究，打通结构设计与有限元强度分析以及振动噪声分析的模型信息传递，达到一体化协同工作、一次建模多次应用的目的。
一体化协同设计模式可进一步提高工作效率和设计质量。
整个平台采用负载均衡架构［6］，该技术通过平衡云设计平台底层不同服务器的负载来达到性能最佳的目的，即当某一台服务器过载甚至掉线的情况，将会拿出一部分甚至全部运行的业务至另外一台负载较小的服务器，这大大增强了整个系统的健硕性，极大地降低了整个系统瘫痪的可能性。
采用双服务器架构， 保证了整个云设计平台高可用性。在云平台后端布置统一数据存储云盘，云盘随着用户账号进行漂移，可同时应用于云主机、云应用和高性能计算集群。
同时，通过云平台内数据转换模块实现共模技术。
具体架构如图1 所示。
图1 超融合架构图
船舶云设计平台除了可以打通设计与管理数据之外，还有以下几个优势：
1） 提升数据安全，提高工作效率，减少运维工作量。
在传统办公模式下，企业数据文件比较分散，无法真正确保信息的安全性以及分散数据的有效备份。
云设计平台改变了传统数据分散存储的模式， 根据用户的角色设置用户对应的访问权限，在不影响设计人员正常使用的前提下，管理员可通过云管平台对每一个云设计主机进行管控。
在保证数据安全的前提下，员工在办公大楼可通过任意PC 或笔记本终端随时访问云设计平台，实现办公漫游，提升工作效率。
由于云设计平台是统一部署，所以在生产环境中能解决由于系统或设备差异而导致的软件兼容性问题， 有助于减少设计院办公电脑的投入和运维人员的维护成本，增加员工的办公效率。
2） 资源最大化利用。
根据文献［7］中公式可计算出本次建设的船舶云设计平台主机的数量约为106 台；
按内存承载力，可计算出船舶云设计平台主机的数量为115 台。
根据“木桶短板”原理，本平台最多可以同时运行106 台用于三维设计的虚拟主机，这些虚拟主机可以在这3 台测试服务器间进行不停机漂移。
管理员可以根据生产、科研的需求不同，从“质”和“量”两个维度实现云设计平台资源的精准分配：一方面，可以针对不同应用场景的使用要求，对云平台主机进行定制化配置，如将CPU 或内存成倍扩展，增强系统的处理能力；
另一方面，从云设计平台平行设计使用人数角度出发，定制项目所需资源的总体用量。
当使用高峰期结束之后，释放不需要的资源，降低使用成本。
然而，传统电脑，用户只能根据现有的资源进行使用，不能做到配置的灵活变动与调度。
3） 降低能耗，节能减排。
由文献［7-8］可知，台式机的平均功耗约为150 W， 云设计平台终端约为8.5 W。
通过对服务器监测发现：在工作时间消耗功率为750 W、非工作时间功率为300 W，由于机房需要空调不间断制冷，一般空调与服务器功耗按1 比1 配置。以云设计平台共106 个用户计算，平均每人每天工作8 小时，每个月工作22 天，可得出月度不同终端的用电量，如表2 所示，每年可以节约用电14 570.7 kWh，全年用电量约可减少43.39%。
表2 不同终端功耗与电费对比
为了验证超融合架构与传统架构的性能差别，选取2 台同样配置的传统架构服务器和超融合节点进行压力测试。
选取8 种工况：256 K 顺序读、256 K顺序写、8 K 随机70%读30%写、8 K 随机读、 8 K随机写、4 K 随机70%读30%写、4 K 随机读和4 K 随机写。
具体测试结果如图2 和图3 所示。
图2 超融合和传统架构IOPS 性能对比图
图3 超融合和传统架构延迟性能对比图
从图2 和图3 可知：
超融合架构IOPS 性能最高为传统架构的50.54 倍，最低为2.85 倍，平均为27.37 倍，即1 个超融合的读写性能约相当于27 台传统架构服务器。
同时延迟方面，超融合也体现出较大的优势，延迟相比于传统架构，最大缩短为1/51.72，最低为1/2.91，平均为1/26.23。通过以上数据可知，超融合架构的性能远远高于目前传统架构服务器的性能。
除了压力测试，为了验证本次建设的船舶云设计平台能否满足生产环境要求，选取对配置要求较高的CADMATIC 软件进行性能测试。测试对象具体配置如表3 所示，为目前常用的台式机机型和云平台主机，测试结果见表4。
性能提升计算方式为：在进行软件操作时，云主机相比于台式机减少的响应时间与台式机的响应时间之比。
表3 台式机与云平台主机配置对比
表4 CADMATIC 软件测试响应时间
测试结果表明，在生产环境中进行CADMATIC软件操作，船舶云设计平台各方面性能较之传统台式机都得到了不同程度的提升，其中：在进行Auto-Numbering（零件自动编号）操作时，性能提升最少；
为5.12%，进行Code Part（分离零件）操作时，性能提升最多， 为328.13%；
所有操作性能平均提升106.83%。
云平台较之台式机具有较高的读写性能和较低的延迟。
综上， 云设计平台较之传统台式PC 机性能有了质的飞跃，能够满足船舶研发设计工作的实际需求。
船舶云设计平台以超融合为底层架构， 可以在不影响正常科研、生产的基础上，将闲置的计算资源进行回收，通过再分配的方式按需交付给用户，最大化地利用现有资源。
该平台突破了员工只能在自己工位上工作的局限，且不会因设备故障而影响工作，同时还能解决原有传统架构运维工作量大等问题，实现“按需分配、统一管理、高效运维”的建设目标。
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