工业云计算平台的研究与实践

２］ 。俄亥俄州超算中心从 ２ 中的竞争优 势 ［ ０ ０ ４年
开始 一 直 在 倡 导 蓝 领 计 算 （ ｂ ｌ ｕ ｅ ｃ ｏ ｌ ｌ ａ ｒ ｃ ｏ ｍ ｕ ｐ － ） 。 蓝领计算将高 性 能 计 算 应 用 于 工 业 领 域 ， ｔ ｉ ｎ ｇ ·６ ９·
中国机械工程第 ２ ３ 卷第 １ 期 ２ ０ １ ２ 年 １ 月上半月
。 超级计算中心就是当前云计算中心的
前身 ， 从某些方面来说 ， 超级计算就是云计算的一 可以说 ， 云计算等信息技术及平台在西方 种形式 ， 工业化大国扮演了十分关键的角色 。 这些大国对 云计算相关领域的科研 、 产业投入力度巨大 ， 而且 投入具有持 续 性 、 时 间 跨 度 长 等 特 点。云 计 算 等 新一代信息技术对经济建设的贡献度正在不断提 形成了技术创新的良性循环 高，
— — 曾 宇 王 洁 吴锡兴等 工业云计算平台的研究与实践 —
工业云计算平台的研究与实践
２ ３ ４ ５ 曾 宇１， 王 洁 吴锡兴 邓朝晖
北京市科学技术研究院 ， 北京 ， 北京大学 ， 北京 ， １． １ ０ ０ ０ ８ ９ ２． １ ０ ０ ８ ７ １ ， ， ， ， 首都师范大学 北京 中国机械工程学会生产工程协会 北京 ３． １ ０ ０ ０ ８ ９ ４． １ ０ ０ １ ０ ２ 湖南科技大学 ， 湘潭 ， ５． ４ １ １ ２ ０ １
０ 引言
云计算是推 动 经 济 发 展 和 产 业 升 级 的 引 擎 。 云计算能创造新 的 经 济 模 式 ， 带动现代服务业与 文化创意等相关产业的发展 。 通过与云计算相关 企业的创新和服 务 能 力 的 有 机 整 合 ， 并依托新的 商业模式 ， 云计算 可 为 区 域 经 济 体 带 来 巨 大 市 场 和产 业 倍 增 效 应 ， 并 借 助 互 联 网、 ３ Ｇ 等新兴技术 的迅速发展 ， 形 成 更 大 的 网 络 市 场 规 模。区 域 经 济体借助云计算 可 促 进 产 业 整 体 向 高 端 集 聚 ， 衍 形成产业人力资源分 生出新的创业和 就 业 群 体 ， 流， 助力产业结构调整 。 以美国为首的西方发达国家在 ２ ０ 世纪 ８ ０年
摘要 ： 云计算平台和云计算服务模式已成为后超算时代计算服务的主流载体和主流服务模式 ， 其所 加快区域科技自 蕴含的技术变革和创新服务模式将深刻影响到产业技术创新及产业竞争 格 局 的 发 展 ， 主创新和区域经济结构调整的步伐 。 分析了云计算平台推动制造业创 新 发 展 的 必 然 性 ， 剖析了工业云 并介绍了平台的开发 、 实现及典型应用实例 。 该平台已经服务北京区域 平台的体系架构及其关键技术 ， 经济体近 １ 有效地推动了区域经济体的创新发展 。 ０ ０ 多家用户 ， 关键词 ： 云计算 ； 工业云 ； 虚拟化 ； 区域经济 ： ／ 中图分类号 ： ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ ４－１ ３ ２ Ｘ． ２ ０ １ ２． ０ １． ０ １ ５ Ｔ Ｐ ３ ９ ３． ０ ２ ＤＯ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ｊ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ Ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ Ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｉ ｎ Ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｐ ｇ １， ２ ３ ４ ５ Ｚ ｅ ｎ Ｙ ｕ Ｗ ａ ｎ Ｊ ｉ ｅ Ｗｕ Ｘ ｉ ｘ ｉ ｎ ｅ ｎ Ｚ ｈ ａ ｏ ｈ ｕ ｉ ｇ ｇ ｇ Ｄ ｇ ， ， １． Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ ０ ８ ９ ｊ ｇ ｙ ｇ ｙ ｊ ｇ ， ， ２． Ｐ ｅ ｋ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ ８ ７ １ ｇ ｙ ｊ ｇ ， ， Ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ ０ ８ ９ ３． Ｃ ａ ｉ ｔ ａ ｌ ｙ ｊ ｇ ｐ ， ， ， ４． Ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｓ ｏ ｃ ｉ ｅ ｔ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ １ ０ ２ ｇ ｇ ｇ ｇ ｙ ｊ ｇ ， ， ５． Ｈ ｕ ｎ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｘ ｉ ａ ｎ ｔ ａ ｎ Ｈ ｕ ｎ ａ ｎ， ４ １ １ ２ ０ １ ｙ ｇ ｙ ｇ ： Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｉ ｎ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｄ ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｉ ｎ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ ｈ ａ ｖ ｅ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｍ ｐ ｇ ｐ ｐ ｇ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｏ ｓ ｔ －ｓ ｕ ｅ ｒ ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｉ ｎ ｅ ｒ ａ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｅ ｓ ｉ ｎ ｉ ｔ ｓ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｐ ｐ ｐ ｇ ｇ ｇ － ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｉ ｔ ｓ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｗ ｉ ｌ ｌ ｒ ｏ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ｌ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｃ ａ ｌ ｉ ｎ ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｐ ｙ ｇ － ｒ ｏ ｍ ｏ ｔ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ ｃ ｏ ｍ ｅ ｔ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ， ａ ｎ ｄ ｗ ｉ ｌ ｌ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｎ ｐ ｐ ｐ ｇ ｇ ｇ ｙ － ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｅ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｒ ｅ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ．Ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ ａ ｃ ｅ ａ ｅ ｒ ｐ ｇ ｇ ｙ ｙ ｐ ｐ ｐ ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｉ ｎ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｔ ｏ ｒ ｏ ｍ ｏ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｐ ｇ ｐ ｐ ｐ ｇ ， ｓ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｋ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ， ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｙ ｙ ｇ ｐ ， ， ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｉ ｍ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｘ ａ ｍ ｌ ｅ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｈ ａ ｓ ａ ｌ ｒ ｅ ａ ｄ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｐ ｐ ｙ ｐ ｐ ｐ ｐ ｙ ｐ ｐ ， ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｄ ｒ ｏ ｍ ｏ ｔ ｅ ｄ ｎ ｅ ａ ｒ ｌ ｍ ｏ ｒ ｅ ｔ ｈ ａ ｎ １ ０ ０ｕ ｓ ｅ ｒ ｓ ｉ ｎ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｐ ｙ ｊ ｇ ｙ ｐ ｇ ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． ： ； ； ； ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｉ ｎ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍ ｉ ｃ ｐ ｇ ｇ ｙ
１］ 。 美国国家超算中心在 ２ 领域 ［ ０ 世纪 ８ ０ 年代开
， 始的私营 企 业 计 划 （ 为 ｒ ｉ ｖ ａ ｔ ｅ ｓ ｅ 来自百度文库 ｔ ｏ ｒ ｒ ｏ ｒ ａ ｍ） ｐ ｐ ｇ 美国 ５ ０ ０ 强工业企业开发了创新的硬件和软件设 施、 虚拟原型制作技术 、 可视化技术 、 网络技术 、 数 据挖掘技术等 ， 维持了美国工业在随后全球经济
基于虚拟建模和 仿 真 技 术 改 进 产 品 生 产 工 艺 ， 缩 短产业开发时间 ， 降低开发成本 ， 提升了企业的竞 争优势
［ ３］
化解决方案 及 服 务 。 基 于 这 些 方 案 和 服 务 ， 工业 用户可进行快速 有 效 的 仿 真 模 拟 ， 降低设计与制 提高原材料的利用率 ， 从而大幅缩短企业 造成本 ， 产品升级换代周期 ， 改善产品性能 ， 大幅提升工业 并推动企业核心竞争优势 企业的自主创新 效 率 ， 的提升 。
［ ４］
２ 工业云计算平台体系结构及关键技术
２． １ 体系结构 工业云计算平台采用 Ｃ Ｐ Ｕ＋Ｇ Ｐ Ｕ 混合异 构 实现芯片级 、 基础架构级和系统级三级节能 架构 ， 设计 ， 采用核心 — 边缘两层高可用冗余 Ｆ ａ ｔ － ｔ ｒ ｅ ｅ ／ 非阻塞 （ 网 络 拓 扑 结 构， ｎ ｏ ｎ－ｂ ｌ ｏ ｃ ｋ ｉ ｎ ４ ０ Ｇ ｂ ｓ ｇ） 其网络拓扑结构如 Ｑ Ｄ Ｒ 网络互联 ， ４ ｘＩ ｎ ｆ ｉ ｎ ｉ ｂ ａ ｎ ｄ 。 图 １ 所示 平 台 用 户 管 理 采 用 Ｎ Ｉ Ｓ（ ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ － ） ， 文件系统采用 Ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ Ｆ Ｓ（ ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ） ； 共 享 部 署 节 点 采 用 双 启 动 多 ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｇ Ｐ Ｕ ｆ ｉ ｌ ｅ ｙ 操作系统 ， 应用软件部署在共享存储上 ， 计算节点 ） 部署 Ｘ ｅ ｎ、 ＫＶＭ（ ｋ ｅ ｒ ｎ ｅ ｌ －ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ 等虚拟机 。 工业云体系架构 （ 图 ２） 分为基础设施即服务 （ ） 、 层Ｉ 平台即服务 ａ ａ Ｓ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｓ ａ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ 层Ｐ 软件即服务 层 Ｓ 以及面向工业制造 ａ ａ Ｓ、 ａ ａ Ｓ， 领域 的 行 业 应 用 云 服 务 ， 如 焊 接 云、 切 削 云、 磨削 云、 精加工云等 。 基础设施即服务层 Ｉ ａ ａ Ｓ涵盖了 基础设施和 基 础 服 务 。 基 础 设 施 包 括 计 算 资 源 、 存储资源 、 设计资源 、 仿真资源 、 生产资源 、 试验资 管 理 资 源、 集 成 资 源 以 及 能 力 资 源 等， 体现为 源、 制造资源和制造能力两种形态 。 基础服务包括基 于基 础 设 施 之 上 的 服 务 ， 通 过 感 知、 虚 拟 化、 服务 化中间件而全面 整 合 资 源 层 所 提 供 的 基 础 设 施 ， 通过资源管理和协同中间件为上层的资源利用所 提供 的 重 要 支 撑 服 务 ， 如 数 据 存 储 服 务、 计算服 务、 负载 均 衡 服 务 、 备 份 服 务 等。 平 台 即 服 务 层 ， 提 供 服 务 发 布／ Ｐ ａ ａ Ｓ 基于相关 工 业 云 计 算 Ａ Ｐ Ｉ 发现 、 智 能 匹 配、 整 合／协 同 、 运 行／容 错 、 交 易／管 监控／评估等各项核心功能 。 平台基于高效能 理、 工业云计算服务 门 户 ， 实现独立完成某阶段制造 任务 、 协同完成某阶段制造任务 、 协同完成跨阶段 制造任务 。 ２． ２ 关键技术 ２． ２． １ 虚拟化技术 依据中小制造企业创新设计和协同制造的特 工业云计算平台以虚拟化技术为主要支撑 ， 对 点， 平台的软硬件及虚拟机等各类资源进行服务化管 理， 以满足灵活管理和高效利用的需要， 主要包
收稿日期 ： ２ ０ １ １—０ ６—１ ４ 基金项 目 ： 国家高技术研究发展计划（ 资助项目 ８ ６ ３ 计 划） （ ） ２ ０ １ １ ＡＡ ０ ４ ０ ５
代就加大了信息 化 建 设 的 投 入 ， 以促进工业的转 型发展 ， 如美国先 后 建 立 了 圣 地 亚 哥 超 级 计 算 中 、美 国 国 家 超 级 计 算 应 用 中 心 心（ Ｓ Ｄ Ｓ Ｃ） （ 、 、 匹兹堡超 级 计 算 中 心 （ 劳伦斯· Ｎ Ｃ Ｓ Ａ） Ｐ Ｓ Ｃ） 、 利弗莫尔国 家 研 究 所 （ 美国阿贡国家实 Ｌ Ｌ Ｎ Ｌ） 、 验室 （ 美国橡树岭国家实验室（ ＡＮ Ｌ） ＯＲ Ｎ Ｌ） 等， 这些机构先后服务于工业 、 生物 、 制药 、 国防等