靳亞銘

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

國務(wù)院發(fā)布的“中國制造2025”戰(zhàn)略，是中國提升綜合國力、保障國家安全、建設(shè)世界強國的必由之路。國內(nèi)的煉化企業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了顯著的進步，但也普遍存在生產(chǎn)效率較低、能耗物耗較高、安全環(huán)保問題突出等現(xiàn)象，整體運行水平也參差不齊。究其原因，還是國內(nèi)煉化企業(yè)的經(jīng)營策略、資源與能源的配置計劃、生產(chǎn)計劃調(diào)度與控制系統(tǒng)指令，以及生產(chǎn)管理與運行仍嚴重依賴知識性工作者和管理者的經(jīng)驗，遠遠沒有實現(xiàn)全流程整體運行的優(yōu)化；生產(chǎn)工藝的研究還停留在企業(yè)的生產(chǎn)試驗，還沒有實現(xiàn)數(shù)字煉油、數(shù)字化工等虛擬生產(chǎn)，嚴重阻礙了煉化企業(yè)向高效、綠色的方向發(fā)展。

當前，國內(nèi)的煉化企業(yè)正處于如何在智能化的發(fā)展趨勢下，綜合應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、智能化技術(shù)、VR技術(shù)等先進技術(shù)，與現(xiàn)有生產(chǎn)過程的工藝、設(shè)備和儀表運行技術(shù)高度集成，建設(shè)新型的智能化工廠和數(shù)字化工廠，以實現(xiàn)復雜環(huán)境下生產(chǎn)運營的高效、節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展是國內(nèi)煉化企業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)和機遇。但是隨著智能化和數(shù)字化的深度融合與推進，視頻數(shù)據(jù)、現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)和生產(chǎn)業(yè)務(wù)等的信息日漸增多，需要更快及更高的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)帶寬能力的基礎(chǔ)設(shè)施。煉化企業(yè)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理層和資源管理層可以歸納為以下幾個特征：

1)硬件基礎(chǔ)性能及架構(gòu)設(shè)計受限于建設(shè)時的技術(shù)，已凸顯出瓶頸，不易擴展。

2)不同系統(tǒng)通過項目招標由不同的集成商開發(fā)與設(shè)計，運行環(huán)境不統(tǒng)一，系統(tǒng)應(yīng)用場景也不同，對硬件配置、操作系統(tǒng)、中間元件等要求各不相同。

3)不同企業(yè)控制系統(tǒng)一般都對應(yīng)各自獨立的服務(wù)器設(shè)備，消耗更多機房機柜空間和能耗。

4)服務(wù)器業(yè)務(wù)較為簡單，屬于輕量級應(yīng)用，所以導致服務(wù)器運行負荷較輕，硬件資源浪費嚴重。

因此，如何解決上述存在的問題，成為需要考慮的重點因素。將超融合架構(gòu)應(yīng)用到煉化企業(yè)的建設(shè)中，也許可以較好地解決傳統(tǒng)架構(gòu)數(shù)據(jù)層面臨的以上問題，為煉化企業(yè)的數(shù)據(jù)層部署提供一種新的解決方案。

1 超融合的基本概念

超融合是將存儲、計算和網(wǎng)絡(luò)連接資源整合到一個IT框架系統(tǒng)中的過程，可降低數(shù)據(jù)中心復雜性并提高可擴展性。超融合是一種以軟件為中心的體系結(jié)構(gòu)，將計算、存儲和虛擬化資源緊密集成在一個基于X86的設(shè)備或可安裝在現(xiàn)有硬件上的軟件中的單個系統(tǒng)中。眾所周知，以往數(shù)據(jù)中心的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)各自都是獨立的，而超融合系統(tǒng)打破了這一局面。在超融合中，計算與存儲合二為一，再通過軟件定義的形式將它們打通，構(gòu)成了常見的超融合一體機。

如圖1所示的“漢堡”結(jié)構(gòu)中，上下兩層“面包”為計算和存儲，中間的夾心就是軟件定義和各種服務(wù)。三者作為一個整體緊密協(xié)作，可以為企業(yè)和運維帶來很多好處：

圖1 超融合結(jié)構(gòu)示意

1)快速部署。超融合系統(tǒng)從開機到虛擬機(VM)調(diào)配只需十幾分鐘，實現(xiàn)業(yè)務(wù)快速上線。

2)易于擴展。超融合可以從小規(guī)模起步，隨著業(yè)務(wù)量增長，按需擴展即可，性能可以隨系統(tǒng)規(guī)模線性提升。

3)簡便運維。超融合在一個系統(tǒng)截面下實現(xiàn)所有硬件設(shè)備、資源、功能的統(tǒng)一管理，有故障出現(xiàn)不用逐一排除，系統(tǒng)一掃描就解決問題，大幅節(jié)約了運維人員的工作負荷。

超融合的計算和存儲都是基于標準的X86架構(gòu)下生產(chǎn)的通用硬件，而軟件定義和各種服務(wù)才是各家廠商比拼實力的地方。

軟件定義和服務(wù)包括：計算虛擬化、軟件定義存儲、管理平臺和軟件。超融合架構(gòu)好用不好用，管理是否方便，依賴于安全、容災(zāi)、備份、云分層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能。每個軟件在統(tǒng)一的管理平臺上運行，構(gòu)成了超融合架構(gòu)完整的功能，為煉化企業(yè)的數(shù)據(jù)層現(xiàn)代化和智能化打下堅實的基礎(chǔ)。

2 超融合架構(gòu)與傳統(tǒng)IT架構(gòu)

早期的數(shù)據(jù)層是典型的“煙囪”式垂直架構(gòu)，各個業(yè)務(wù)都有自己的數(shù)據(jù)存儲、硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)庫。通常情況下，服務(wù)器包含CPU、存儲和硬盤等組件，單個業(yè)務(wù)所需要的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)系統(tǒng)都部署在同一服務(wù)器上，用戶使用客戶端通過網(wǎng)絡(luò)交換機訪問服務(wù)器。即該架構(gòu)下計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源相互獨立，一個服務(wù)器承載一個應(yīng)用，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過交換機傳輸?shù)絾为毜脑O(shè)備。該模式下不同的業(yè)務(wù)之間不共享數(shù)據(jù)，不直接訪問，造成資源孤島和信息孤島；設(shè)備之間互相獨立、管理割裂且廠商異構(gòu)，維護成本高且難度大；系統(tǒng)部署時考慮兼容性；硬件投資大且資源利用率低，浪費明顯；系統(tǒng)部署、業(yè)務(wù)上線周期長；運維困難，排查故障較難，擴容難等，以上種種原因制約了數(shù)據(jù)層的發(fā)展。不同部署模式的架構(gòu)如圖2所示。

為了解決“煙囪”式架構(gòu)的弊端，出現(xiàn)了VM技術(shù)。服務(wù)器虛擬化是將物理資源抽象成邏輯資源，把服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件資源甚至網(wǎng)絡(luò)資源抽象成可動態(tài)管理的“資源池”，使分散的資源不再受限于物理隔離，讓一臺或一個服務(wù)器集群變成成百上千個相互隔離的虛擬服務(wù)器。隨著業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，虛擬化服務(wù)器不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。由于服務(wù)器虛擬化讓順序訪問變得隨機，隨機訪問這種行為對存儲系統(tǒng)來說是個更大的挑戰(zhàn)，它會加重存儲系統(tǒng)的負擔。在虛擬化環(huán)境中，很容易創(chuàng)建VM，對存儲容量的需求就會上升。同時隨著VM在虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用，會遇到更多的隨機輸入和輸出，這對存儲系統(tǒng)的容量和性能都是很大的負擔，會迫使用戶放慢虛擬化的步伐，因為必須在存儲上花費比預期更多的費用。VM技術(shù)所依賴的虛擬化軟件投資高昂，并沒有有效降低成本，也沒有解決網(wǎng)絡(luò)和安全設(shè)備等廠商異構(gòu)的問題，還有網(wǎng)絡(luò)安全等級保護2.0的廠商異構(gòu)問題。

圖2 不同部署模式的架構(gòu)示意

為了快速適應(yīng)發(fā)展的業(yè)務(wù)需求，超融合架構(gòu)成為越來越多企業(yè)數(shù)據(jù)層的解決方案。超融合使用分布式存儲技術(shù)，在每臺服務(wù)器上部署固態(tài)硬盤(SSD)和大量硬盤驅(qū)動器(HDD)來應(yīng)對高I/O及大容量存儲需求，因此超融合架構(gòu)可以實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的高速訪問。超融合的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源可實現(xiàn)按需橫向動態(tài)擴展。超融合在商業(yè)通用標準硬件平臺(X86)上使用軟件定義計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源；超融合使用虛擬化引擎統(tǒng)一調(diào)度和管理計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等資源，軟件定義存儲由虛擬機控制器管理。可以說超融合技術(shù)完美地補充了虛擬化技術(shù)的劣勢。

3 超融合架構(gòu)應(yīng)用分析

3.1 快速部署和交付

超融合架構(gòu)可實現(xiàn)開箱即用，從上機架到開始30 min內(nèi)即可交付使用，部署快速。超融合物理設(shè)備組成包括：交換機、服務(wù)器、分布式存儲軟件、虛擬化軟件。超融合一般集成虛擬化平臺、軟件定義網(wǎng)絡(luò)和分布式存儲，可以免去傳統(tǒng)集中存儲環(huán)境下存儲的規(guī)劃、連接、配置等復雜操作管理，無需配置RAID組、LUN、卷等，整個項目的部署周期比傳統(tǒng)部署方式縮減約50%的時間，而且還可以大幅降低人工出錯風險。

3.2 簡化IT架構(gòu)

在單一設(shè)備中融合計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)，無需專用的存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換機，大幅精簡了IT架構(gòu)，降低了系統(tǒng)的復雜性。簡單來說，超融合架構(gòu)直接將存儲部署到每個PC服務(wù)器上，在服務(wù)器上部署了閃存盤和大量傳統(tǒng)機械硬盤，來應(yīng)對系統(tǒng)高I/O需要和大容量存儲的需要。因此超融合架構(gòu)的優(yōu)勢就是高速訪問本地數(shù)據(jù)，不必跨網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心與采用簡化IT架構(gòu)的超融合數(shù)據(jù)中心對比如圖3所示。可節(jié)省機房空間約77%，節(jié)省設(shè)備功耗約26%，減少互聯(lián)線纜約93%，減少部署時間約75%，減少宕機時間約80%。

圖3 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心與采用簡化IT架構(gòu)的超融合數(shù)據(jù)中心對比示意

3.3 高靈活性

以軟件定義為核心，虛擬化和分布式存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以軟件定義的方式對外提供計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，資源按需供給，更加靈活。隨著業(yè)務(wù)規(guī)模的發(fā)展，可以按需擴展存儲的計算資源，避免過度規(guī)劃帶來的資源浪費，靈活的在線擴展方式，不會影響業(yè)務(wù)的正常運行。

與此同時，超融合架構(gòu)還包含：備份軟件、快照技術(shù)、重復刪除數(shù)據(jù)、在線數(shù)據(jù)壓縮等元素，多套單元設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)聚合起來，實現(xiàn)模塊化的無縫橫向擴展(Scale-Out)，形成統(tǒng)一的資源池，其擴展方式為橫向增加節(jié)點即可。

超融合可以在開機狀態(tài)下添加其他節(jié)點支持單個節(jié)點與部件為單位彈性水平擴展，從而可在線提高容量和性能。擴展后系統(tǒng)資源仍在單一資源池內(nèi)，不會增加管理復雜度，并且會自動均衡負載。

3.4 高性能

超融合的分布式存儲系統(tǒng)可以直接將存儲分散在每臺部署了SSD和大量HDD的服務(wù)器上，來應(yīng)對高I/O及大容量存儲的需求，隨著節(jié)點的增加，性能和容量可以實現(xiàn)線性增長。超融合分布式文件系統(tǒng)可全自動、智能化對冷、熱數(shù)據(jù)分層，可實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)熱度并及時遷移數(shù)據(jù)，進行動態(tài)數(shù)據(jù)調(diào)度，保障用戶數(shù)據(jù)最佳讀寫性能及體驗。

3.5 高效數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)更加靠近計算，不會像傳統(tǒng)三層架構(gòu)(服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò))每個數(shù)據(jù)的讀寫都要經(jīng)過三層架構(gòu)，讓計算更加高效和快速，同時降低了延遲。超融合數(shù)據(jù)的重刪功能可確保更多的I/O操作能在內(nèi)存和SSD中完成，增加有效數(shù)據(jù)存儲空間，從而進一步提升系統(tǒng)性能，減少空間浪費，同時延長存儲擴容及更新的周期。

在超融合架構(gòu)中，通過順序讀寫，將隨機的讀寫做順序整理，充分發(fā)揮機械硬盤的順序讀寫優(yōu)勢；通過優(yōu)化讀寫技術(shù)，就近取本地數(shù)據(jù)，可以大幅提升系統(tǒng)的整體性能。

結(jié)構(gòu)化日志功能支持海量擴展，搜索速度快，指針性能衰減小；順序布局可提高閃存壽命和HDD的性能；對壓縮和快照操作影響很??；故障恢復速度快等。

3.6 按需采購

采購模式發(fā)生了改變，無需一次性大規(guī)模采購，按需采購；可以保護現(xiàn)有的資源，將來可延伸到云計算架構(gòu)。同時可以將淘汰下來的服務(wù)器的CPU，MEM，DISK資源拼湊到超融合服務(wù)器里，為企業(yè)繼續(xù)提供存儲服務(wù)。

3.7 簡化管理

在單一的WEB中實現(xiàn)對存儲及虛擬化的管理，無需專業(yè)的存儲管理工程師，降低了運維和管理成本。通過軟件定義技術(shù)將服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲整合到一個易于管理的集成系統(tǒng)，并通過自動化運維降低人為錯誤，從而降低實施和運維風險，以及運營成本。單一的廠商保障所有軟硬件，包括計算、存儲和虛擬化的支持。具備全局的資源管理能力，憑借“所畫即所得”，減少故障定位及修復時間，用戶無需經(jīng)過專門培訓即可輕松掌握使用方法。超融合架構(gòu)和傳統(tǒng)架構(gòu)簡化項目內(nèi)容對比見表1所列。

表1 超融合架構(gòu)和傳統(tǒng)架構(gòu)簡化項目內(nèi)容對比

3.8 高安全性

超融合底層分布式存儲，使用戶數(shù)據(jù)均有雙份副本甚至多副本，同時融合大多集成快照、備份、雙活服務(wù)，用戶可自定義容災(zāi)計劃，即使發(fā)生整個節(jié)點故障，也可輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)容災(zāi)功能，可以在30 min內(nèi)在并行的其他節(jié)點上自動完成數(shù)據(jù)重建，并恢復到容錯狀態(tài)，使數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)更安全、業(yè)務(wù)更可靠、維護更便捷。同時超融合設(shè)備集成的容災(zāi)工具無需付費且管理簡單，可輕松實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到應(yīng)用乃至數(shù)據(jù)層的個級別容災(zāi)功能。超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)可靠性如圖4所示。

圖4 超融合架構(gòu)的數(shù)據(jù)可靠性示意

3.9 高開放性

超融合架構(gòu)采用軟硬件解耦架構(gòu)，在服務(wù)器層面，能夠在任何X86服務(wù)器上運行，與物理服務(wù)器的硬件配置無關(guān)，無需修改上層系統(tǒng)和應(yīng)用即可運行；在存儲層面，超融合架構(gòu)支持與各種類型的外置存儲進行對接，將數(shù)據(jù)存儲到外置存儲或使用外置存儲作為備份介質(zhì)；在網(wǎng)絡(luò)層面，超融合架構(gòu)無需依賴任何支持特定協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，支持與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組網(wǎng)連接。超融合架構(gòu)能夠為上層應(yīng)用屏蔽底層復雜和異構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對主流操作系統(tǒng)和應(yīng)用進行兼容性適配和性能優(yōu)化集成。

3.10 降低成本

采用超融合架構(gòu)后，用戶的整體擁有成本(TCO)將得到有效降低；利用超融合設(shè)備，不但可以快速搭建一個數(shù)據(jù)中心，更重要的是讓客戶的搭建過程更簡潔，客戶不需要再對基礎(chǔ)設(shè)施進行調(diào)研，只需了解自己的需求，了解超融合設(shè)備，就能夠快速實現(xiàn)搭建，在應(yīng)用方面無疑大幅節(jié)省了企業(yè)的成本。采用超融合架構(gòu)采購成本可節(jié)省約30%，使用成本可節(jié)省約50%，維護成本可節(jié)省約70%。另外超融合架構(gòu)還可以幫助用戶節(jié)省用于計算的服務(wù)器數(shù)量，加之Scale-Out能力帶來的管理、運維成本的減少，更容易打動客戶。

4 超融合架構(gòu)的應(yīng)用

以某智能化工廠為例，該公司生產(chǎn)管理設(shè)計了智能監(jiān)控系統(tǒng)、計劃管理系統(tǒng)、調(diào)度管理系統(tǒng)、工藝管理系統(tǒng)、物料管理系統(tǒng)、設(shè)備運行管理系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、報警管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、實驗室管理系統(tǒng)(LIMS)、應(yīng)急安全管理指揮系統(tǒng)、人員定位與入侵檢測系統(tǒng)、工作應(yīng)用服務(wù)器、消防系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)、5G系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、三維模型系統(tǒng)、VR系統(tǒng)、數(shù)字工廠系統(tǒng)以及裝置控制的相關(guān)系統(tǒng)，如HIS服務(wù)器、OPC服務(wù)器、OTS服務(wù)器、APC服務(wù)器、IDM服務(wù)器、分析儀表管理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、WEB服務(wù)器等多個模塊系統(tǒng)。大型煉化廠的超融合架構(gòu)下控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃如圖5所示。

圖5 超融合架構(gòu)下控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

結(jié)合煉化企業(yè)服務(wù)器種類繁多的問題，實現(xiàn)集中布置和集中維護的目的，借鑒相關(guān)超融合虛擬化的方案，采用服務(wù)器虛擬化的超融合方案整合服務(wù)器，超融合方案拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

在進行虛擬化之前，需要對VM的容量做規(guī)劃，即一臺物理服務(wù)器內(nèi)布置多少臺VM。除了考慮物理主機的硬件性能，還需要考慮VM運行時資源的需求。在應(yīng)用時，系統(tǒng)可至少保留30%的空余余量，否則可能會使整個系統(tǒng)響應(yīng)變慢，除此之外還要考慮后期增加設(shè)備擴容的需求。同時還需要設(shè)置超融合服務(wù)器物理主機端口，并配置網(wǎng)絡(luò)交換機完成各個VM之間和物理終端之間的通信，用于數(shù)據(jù)交換機存儲訪問。根據(jù)裝置或機柜室的分布，在虛擬交換機內(nèi)劃分不同的VLAN，將VM IP劃分到網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)VLAN中。通過設(shè)置，使VM與系統(tǒng)各部件之間順利通信。

圖6 服務(wù)器虛擬化超融合平臺的拓撲示意

通過采用超融合技術(shù)，可以看到規(guī)模越大的煉化企業(yè)，如操作站和工程師站數(shù)量超過100臺的企業(yè)，越有優(yōu)勢，資源利用更加合理，大幅減少了資源的浪費；有效解決了數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)遷移的問題，更大幅降低了系統(tǒng)的故障率，且有效地降低了后期的維護率。同時可在后期根據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展靈活地配置和擴展系統(tǒng)，為未來企業(yè)數(shù)字化和智能化的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

如果煉化企業(yè)采用該方案，還涉及到很多其他問題，尤其是安全性、可靠性、磨合性和兼容性的問題，所以就需要控制系統(tǒng)廠家要經(jīng)過嚴格的測試，測試合格后才能將超融合技術(shù)應(yīng)用到實際中。不過國外的煉化企業(yè)已經(jīng)逐步開始接受和使用超融合的技術(shù)架構(gòu)，國內(nèi)的煉化企業(yè)基本上還沒有開始應(yīng)用，目前超融合技術(shù)大部分應(yīng)用于IT行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)及業(yè)務(wù)集中的行業(yè)。筆者堅信，由于其承載關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用能力、遠程和分支辦公能力及5G時代的邊緣計算能力等優(yōu)勢，不久的將來超融合技術(shù)勢必會大規(guī)模應(yīng)用于國內(nèi)煉化企業(yè)。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀，分析了超融合架構(gòu)的技術(shù)，并提出了一種基于超融合架構(gòu)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，為超融合的進一步應(yīng)用提供了理論和方法參考?？梢灶A見超融合架構(gòu)的出現(xiàn)，可以很好地滿足煉化企業(yè)業(yè)務(wù)增長連續(xù)性和保障水平提高的要求，同時還能兼顧未來不可預測的數(shù)據(jù)增長、性能、數(shù)據(jù)爆發(fā)、數(shù)據(jù)治理、系統(tǒng)管理等要求。但是對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行超融合架構(gòu)改造和應(yīng)用，也會帶來一系列不得不考慮的問題，還需要綜合考慮、辯證分析，根據(jù)當下實際應(yīng)用的可能性和需求來做決定。但是社會在進步，技術(shù)在發(fā)展，隨著數(shù)字化和智能化的普及和應(yīng)用，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為新的生產(chǎn)要素，企業(yè)數(shù)據(jù)中心成為海量數(shù)據(jù)的載體，已經(jīng)躍升為數(shù)字時代的新生產(chǎn)工具，超融合必定是煉化企業(yè)的發(fā)展趨勢，也必然是推動智能化制造發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。