超融合架構在大型煉化企業的應用和展望

靳亞銘

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

國務院發布的“中國制造2025”戰略，是中國提升綜合國力、保障國家安全、建設世界強國的必由之路。國內的煉化企業經過幾十年的發展，已經取得了顯著的進步，但也普遍存在生產效率較低、能耗物耗較高、安全環保問題突出等現象，整體運行水平也參差不齊。究其原因，還是國內煉化企業的經營策略、資源與能源的配置計劃、生產計劃調度與控制系統指令，以及生產管理與運行仍嚴重依賴知識性工作者和管理者的經驗，遠遠沒有實現全流程整體運行的優化；生產工藝的研究還停留在企業的生產試驗，還沒有實現數字煉油、數字化工等虛擬生產，嚴重阻礙了煉化企業向高效、綠色的方向發展。

當前，國內的煉化企業正處于如何在智能化的發展趨勢下，綜合應用現代傳感技術、網絡技術、自動化技術、智能化技術、VR技術等先進技術，與現有生產過程的工藝、設備和儀表運行技術高度集成，建設新型的智能化工廠和數字化工廠，以實現復雜環境下生產運營的高效、節能和可持續發展是國內煉化企業面臨的重大挑戰和機遇。但是隨著智能化和數字化的深度融合與推進，視頻數據、現場檢測數據和生產業務等的信息日漸增多，需要更快及更高的計算、存儲、網絡帶寬能力的基礎設施。煉化企業傳統的數據管理層和資源管理層可以歸納為以下幾個特征：

1)硬件基礎性能及架構設計受限于建設時的技術，已凸顯出瓶頸，不易擴展。

2)不同系統通過項目招標由不同的集成商開發與設計，運行環境不統一，系統應用場景也不同，對硬件配置、操作系統、中間元件等要求各不相同。

3)不同企業控制系統一般都對應各自獨立的服務器設備，消耗更多機房機柜空間和能耗。

4)服務器業務較為簡單，屬于輕量級應用，所以導致服務器運行負荷較輕，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。將超融合架構應用到煉化企業的建設中，也許可以較好地解決傳統架構數據層面臨的以上問題，為煉化企業的數據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、計算和網絡連接資源整合到一個IT框架系統中的過程，可降低數據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構，將計算、存儲和虛擬化資源緊密集成在一個基于X86的設備或可安裝在現有硬件上的軟件中的單個系統中。眾所周知，以往數據中心的計算、存儲和網絡各自都是獨立的，而超融合系統打破了這一局面。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，構成了常見的超融合一體機。

如圖1所示的“漢堡”結構中，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。三者作為一個整體緊密協作，可以為企業和運維帶來很多好處：

圖1 超融合結構示意

1)快速部署。超融合系統從開機到虛擬機(VM)調配只需十幾分鐘，實現業務快速上線。

2)易于擴展。超融合可以從小規模起步，隨著業務量增長，按需擴展即可，性能可以隨系統規模線性提升。

3)簡便運維。超融合在一個系統截面下實現所有硬件設備、資源、功能的統一管理，有故障出現不用逐一排除，系統一掃描就解決問題，大幅節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架構下生產的通用硬件，而軟件定義和各種服務才是各家廠商比拼實力的地方。

軟件定義和服務包括：計算虛擬化、軟件定義存儲、管理平臺和軟件。超融合架構好用不好用，管理是否方便，依賴于安全、容災、備份、云分層、網絡服務等功能。每個軟件在統一的管理平臺上運行，構成了超融合架構完整的功能，為煉化企業的數據層現代化和智能化打下堅實的基礎。

2 超融合架構與傳統IT架構

早期的數據層是典型的“煙囪”式垂直架構，各個業務都有自己的數據存儲、硬件設備和數據庫。通常情況下，服務器包含CPU、存儲和硬盤等組件，單個業務所需要的操作系統、數據庫和業務系統都部署在同一服務器上，用戶使用客戶端通過網絡交換機訪問服務器。即該架構下計算、網絡和存儲資源相互獨立，一個服務器承載一個應用，產生的數據通過交換機傳輸到單獨的設備。該模式下不同的業務之間不共享數據，不直接訪問，造成資源孤島和信息孤島；設備之間互相獨立、管理割裂且廠商異構，維護成本高且難度大；系統部署時考慮兼容性；硬件投資大且資源利用率低，浪費明顯；系統部署、業務上線周期長；運維困難，排查故障較難，擴容難等，以上種種原因制約了數據層的發展。不同部署模式的架構如圖2所示。

為了解決“煙囪”式架構的弊端，出現了VM技術。服務器虛擬化是將物理資源抽象成邏輯資源，把服務器的CPU、內存、磁盤、I/O等硬件資源甚至網絡資源抽象成可動態管理的“資源池”，使分散的資源不再受限于物理隔離，讓一臺或一個服務器集群變成成百上千個相互隔離的虛擬服務器。隨著業務的不斷發展，虛擬化服務器不能滿足業務發展的需求。由于服務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來說是個更大的挑戰，它會加重存儲系統的負擔。在虛擬化環境中，很容易創建VM，對存儲容量的需求就會上升。同時隨著VM在虛擬化基礎設施中的應用，會遇到更多的隨機輸入和輸出，這對存儲系統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，也沒有解決網絡和安全設備等廠商異構的問題，還有網絡安全等級保護2.0的廠商異構問題。

圖2 不同部署模式的架構示意

為了快速適應發展的業務需求，超融合架構成為越來越多企業數據層的解決方案。超融合使用分布式存儲技術，在每臺服務器上部署固態硬盤(SSD)和大量硬盤驅動器(HDD)來應對高I/O及大容量存儲需求，因此超融合架構可以實現本地數據的高速訪問。超融合的計算、存儲、網絡等資源可實現按需橫向動態擴展。超融合在商業通用標準硬件平臺(X86)上使用軟件定義計算、存儲、網絡資源；超融合使用虛擬化引擎統一調度和管理計算、存儲和網絡等資源，軟件定義存儲由虛擬機控制器管理。可以說超融合技術完美地補充了虛擬化技術的劣勢。

3 超融合架構應用分析

3.1 快速部署和交付

超融合架構可實現開箱即用，從上機架到開始30 min內即可交付使用，部署快速。超融合物理設備組成包括：交換機、服務器、分布式存儲軟件、虛擬化軟件。超融合一般集成虛擬化平臺、軟件定義網絡和分布式存儲，可以免去傳統集中存儲環境下存儲的規劃、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

在單一設備中融合計算、存儲和網絡，無需專用的存儲設備和網絡交換機，大幅精簡了IT架構，降低了系統的復雜性。簡單來說，超融合架構直接將存儲部署到每個PC服務器上，在服務器上部署了閃存盤和大量傳統機械硬盤，來應對系統高I/O需要和大容量存儲的需要。因此超融合架構的優勢就是高速訪問本地數據，不必跨網絡。傳統數據中心與采用簡化IT架構的超融合數據中心對比如圖3所示。可節省機房空間約77%，節省設備功耗約26%，減少互聯線纜約93%，減少部署時間約75%，減少宕機時間約80%。

圖3 傳統數據中心與采用簡化IT架構的超融合數據中心對比示意

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為基礎，以軟件定義的方式對外提供計算、存儲和網絡服務，資源按需供給，更加靈活。隨著業務規模的發展，可以按需擴展存儲的計算資源，避免過度規劃帶來的資源浪費，靈活的在線擴展方式，不會影響業務的正常運行。

與此同時，超融合架構還包含：備份軟件、快照技術、重復刪除數據、在線數據壓縮等元素，多套單元設備可以通過網絡聚合起來，實現模塊化的無縫橫向擴展(Scale-Out)，形成統一的資源池，其擴展方式為橫向增加節點即可。

超融合可以在開機狀態下添加其他節點支持單個節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。擴展后系統資源仍在單一資源池內，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可以直接將存儲分散在每臺部署了SSD和大量HDD的服務器上，來應對高I/O及大容量存儲的需求，隨著節點的增加，性能和容量可以實現線性增長。超融合分布式文件系統可全自動、智能化對冷、熱數據分層，可實現檢測數據熱度并及時遷移數據，進行動態數據調度，保障用戶數據最佳讀寫性能及體驗。

3.5 高效數據處理

數據更加靠近計算，不會像傳統三層架構(服務器、存儲、網絡)每個數據的讀寫都要經過三層架構，讓計算更加高效和快速，同時降低了延遲。超融合數據的重刪功能可確保更多的I/O操作能在內存和SSD中完成，增加有效數據存儲空間，從而進一步提升系統性能，減少空間浪費，同時延長存儲擴容及更新的周期。

在超融合架構中，通過順序讀寫，將隨機的讀寫做順序整理，充分發揮機械硬盤的順序讀寫優勢；通過優化讀寫技術，就近取本地數據，可以大幅提升系統的整體性能。

結構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小；故障恢復速度快等。

3.6 按需采購

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

3.7 簡化管理

在單一的WEB中實現對存儲及虛擬化的管理，無需專業的存儲管理工程師，降低了運維和管理成本。通過軟件定義技術將服務器、網絡和存儲整合到一個易于管理的集成系統，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，用戶無需經過專門培訓即可輕松掌握使用方法。超融合架構和傳統架構簡化項目內容對比見表1所列。

表1 超融合架構和傳統架構簡化項目內容對比

3.8 高安全性

超融合底層分布式存儲，使用戶數據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，用戶可自定義容災計劃，即使發生整個節點故障，也可輕松實現數據容災功能，可以在30 min內在并行的其他節點上自動完成數據重建，并恢復到容錯狀態，使數據中心數據更安全、業務更可靠、維護更便捷。同時超融合設備集成的容災工具無需付費且管理簡單，可輕松實現從數據到應用乃至數據層的個級別容災功能。超融合架構的數據可靠性如圖4所示。

圖4 超融合架構的數據可靠性示意

3.9 高開放性

超融合架構采用軟硬件解耦架構，在服務器層面，能夠在任何X86服務器上運行，與物理服務器的硬件配置無關，無需修改上層系統和應用即可運行；在存儲層面，超融合架構支持與各種類型的外置存儲進行對接，將數據存儲到外置存儲或使用外置存儲作為備份介質；在網絡層面，超融合架構無需依賴任何支持特定協議的網絡設備，支持與現有網絡設備組網連接。超融合架構能夠為上層應用屏蔽底層復雜和異構的基礎結構，對主流操作系統和應用進行兼容性適配和性能優化集成。

3.10 降低成本

采用超融合架構后，用戶的整體擁有成本(TCO)將得到有效降低；利用超融合設備，不但可以快速搭建一個數據中心，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設施進行調研，只需了解自己的需求，了解超融合設備，就能夠快速實現搭建，在應用方面無疑大幅節省了企業的成本。采用超融合架構采購成本可節省約30%，使用成本可節省約50%，維護成本可節省約70%。另外超融合架構還可以幫助用戶節省用于計算的服務器數量，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 超融合架構的應用

以某智能化工廠為例，該公司生產管理設計了智能監控系統、計劃管理系統、調度管理系統、工藝管理系統、物料管理系統、設備運行管理系統、智能巡檢系統、報警管理系統、質量管理系統、實驗室管理系統(LIMS)、應急安全管理指揮系統、人員定位與入侵檢測系統、工作應用服務器、消防系統、工業電視系統和視頻系統、5G系統、安防系統、三維模型系統、VR系統、數字工廠系統以及裝置控制的相關系統，如HIS服務器、OPC服務器、OTS服務器、APC服務器、IDM服務器、分析儀表管理和數據采集系統、WEB服務器等多個模塊系統。大型煉化廠的超融合架構下控制系統的網絡結構規劃如圖5所示。

圖5 超融合架構下控制系統的網絡結構示意

結合煉化企業服務器種類繁多的問題，實現集中布置和集中維護的目的，借鑒相關超融合虛擬化的方案，采用服務器虛擬化的超融合方案整合服務器，超融合方案拓撲結構如圖6所示。

在進行虛擬化之前，需要對VM的容量做規劃，即一臺物理服務器內布置多少臺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。在應用時，系統可至少保留30%的空余余量，否則可能會使整個系統響應變慢，除此之外還要考慮后期增加設備擴容的需求。同時還需要設置超融合服務器物理主機端口，并配置網絡交換機完成各個VM之間和物理終端之間的通信，用于數據交換機存儲訪問。根據裝置或機柜室的分布，在虛擬交換機內劃分不同的VLAN，將VM IP劃分到網絡的相應VLAN中。通過設置，使VM與系統各部件之間順利通信。

圖6 服務器虛擬化超融合平臺的拓撲示意

通過采用超融合技術，可以看到規模越大的煉化企業，如操作站和工程師站數量超過100臺的企業，越有優勢，資源利用更加合理，大幅減少了資源的浪費；有效解決了數據備份、數據遷移的問題，更大幅降低了系統的故障率，且有效地降低了后期的維護率。同時可在后期根據業務的發展靈活地配置和擴展系統，為未來企業數字化和智能化的發展奠定基礎。

如果煉化企業采用該方案，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廠家要經過嚴格的測試，測試合格后才能將超融合技術應用到實際中。不過國外的煉化企業已經逐步開始接受和使用超融合的技術架構，國內的煉化企業基本上還沒有開始應用，目前超融合技術大部分應用于IT行業、互聯網行業及業務集中的行業。筆者堅信，由于其承載關鍵業務應用能力、遠程和分支辦公能力及5G時代的邊緣計算能力等優勢，不久的將來超融合技術勢必會大規模應用于國內煉化企業。

5 結束語

本文結合國內外研究發展現狀，分析了超融合架構的技術，并提出了一種基于超融合架構的控制系統網絡拓撲圖，為超融合的進一步應用提供了理論和方法參考。可以預見超融合架構的出現，可以很好地滿足煉化企業業務增長連續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據增長、性能、數據爆發、數據治理、系統管理等要求。但是對傳統數據結構進行超融合架構改造和應用，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，根據當下實際應用的可能性和需求來做決定。但是社會在進步，技術在發展，隨著數字化和智能化的普及和應用，數據已經成為新的生產要素，企業數據中心成為海量數據的載體，已經躍升為數字時代的新生產工具，超融合必定是煉化企業的發展趨勢，也必然是推動智能化制造發展的關鍵技術。