超融合架构在大型炼化企业的应用和展望

靳亚铭

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

国务院发布的“中国制造2025”战略，是中国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。国内的炼化企业经过几十年的发展，已经取得了显著的进步，但也普遍存在生产效率较低、能耗物耗较高、安全环保问题突出等现象，整体运行水平也参差不齐。究其原因，还是国内炼化企业的经营策略、资源与能源的配置计划、生产计划调度与控制系统指令，以及生产管理与运行仍严重依赖知识性工作者和管理者的经验，远远没有实现全流程整体运行的优化；生产工艺的研究还停留在企业的生产试验，还没有实现数字炼油、数字化工等虚拟生产，严重阻碍了炼化企业向高效、绿色的方向发展。

当前，国内的炼化企业正处于如何在智能化的发展趋势下，综合应用现代传感技术、网络技术、自动化技术、智能化技术、VR技术等先进技术，与现有生产过程的工艺、设备和仪表运行技术高度集成，建设新型的智能化工厂和数字化工厂，以实现复杂环境下生产运营的高效、节能和可持续发展是国内炼化企业面临的重大挑战和机遇。但是随着智能化和数字化的深度融合与推进，视频数据、现场检测数据和生产业务等的信息日渐增多，需要更快及更高的计算、存储、网络带宽能力的基础设施。炼化企业传统的数据管理层和资源管理层可以归纳为以下几个特征：

1)硬件基础性能及架构设计受限于建设时的技术，已凸显出瓶颈，不易扩展。

2)不同系统通过项目招标由不同的集成商开发与设计，运行环境不统一，系统应用场景也不同，对硬件配置、操作系统、中间元件等要求各不相同。

3)不同企业控制系统一般都对应各自独立的服务器设备，消耗更多机房机柜空间和能耗。

4)服务器业务较为简单，属于轻量级应用，所以导致服务器运行负荷较轻，硬件资源浪费严重。

因此，如何解决上述存在的问题，成为需要考虑的重点因素。将超融合架构应用到炼化企业的建设中，也许可以较好地解决传统架构数据层面临的以上问题，为炼化企业的数据层部署提供一种新的解决方案。

1 超融合的基本概念

超融合是将存储、计算和网络连接资源整合到一个IT框架系统中的过程，可降低数据中心复杂性并提高可扩展性。超融合是一种以软件为中心的体系结构，将计算、存储和虚拟化资源紧密集成在一个基于X86的设备或可安装在现有硬件上的软件中的单个系统中。众所周知，以往数据中心的计算、存储和网络各自都是独立的，而超融合系统打破了这一局面。在超融合中，计算与存储合二为一，再通过软件定义的形式将它们打通，构成了常见的超融合一体机。

如图1所示的“汉堡”结构中，上下两层“面包”为计算和存储，中间的夹心就是软件定义和各种服务。三者作为一个整体紧密协作，可以为企业和运维带来很多好处：

图1 超融合结构示意

1)快速部署。超融合系统从开机到虚拟机(VM)调配只需十几分钟，实现业务快速上线。

2)易于扩展。超融合可以从小规模起步，随着业务量增长，按需扩展即可，性能可以随系统规模线性提升。

3)简便运维。超融合在一个系统截面下实现所有硬件设备、资源、功能的统一管理，有故障出现不用逐一排除，系统一扫描就解决问题，大幅节约了运维人员的工作负荷。

超融合的计算和存储都是基于标准的X86架构下生产的通用硬件，而软件定义和各种服务才是各家厂商比拼实力的地方。

软件定义和服务包括：计算虚拟化、软件定义存储、管理平台和软件。超融合架构好用不好用，管理是否方便，依赖于安全、容灾、备份、云分层、网络服务等功能。每个软件在统一的管理平台上运行，构成了超融合架构完整的功能，为炼化企业的数据层现代化和智能化打下坚实的基础。

2 超融合架构与传统IT架构

早期的数据层是典型的“烟囱”式垂直架构，各个业务都有自己的数据存储、硬件设备和数据库。通常情况下，服务器包含CPU、存储和硬盘等组件，单个业务所需要的操作系统、数据库和业务系统都部署在同一服务器上，用户使用客户端通过网络交换机访问服务器。即该架构下计算、网络和存储资源相互独立，一个服务器承载一个应用，产生的数据通过交换机传输到单独的设备。该模式下不同的业务之间不共享数据，不直接访问，造成资源孤岛和信息孤岛；设备之间互相独立、管理割裂且厂商异构，维护成本高且难度大；系统部署时考虑兼容性；硬件投资大且资源利用率低，浪费明显；系统部署、业务上线周期长；运维困难，排查故障较难，扩容难等，以上种种原因制约了数据层的发展。不同部署模式的架构如图2所示。

为了解决“烟囱”式架构的弊端，出现了VM技术。服务器虚拟化是将物理资源抽象成逻辑资源，把服务器的CPU、内存、磁盘、I/O等硬件资源甚至网络资源抽象成可动态管理的“资源池”，使分散的资源不再受限于物理隔离，让一台或一个服务器集群变成成百上千个相互隔离的虚拟服务器。随着业务的不断发展，虚拟化服务器不能满足业务发展的需求。由于服务器虚拟化让顺序访问变得随机，随机访问这种行为对存储系统来说是个更大的挑战，它会加重存储系统的负担。在虚拟化环境中，很容易创建VM，对存储容量的需求就会上升。同时随着VM在虚拟化基础设施中的应用，会遇到更多的随机输入和输出，这对存储系统的容量和性能都是很大的负担，会迫使用户放慢虚拟化的步伐，因为必须在存储上花费比预期更多的费用。VM技术所依赖的虚拟化软件投资高昂，并没有有效降低成本，也没有解决网络和安全设备等厂商异构的问题，还有网络安全等级保护2.0的厂商异构问题。

图2 不同部署模式的架构示意

为了快速适应发展的业务需求，超融合架构成为越来越多企业数据层的解决方案。超融合使用分布式存储技术，在每台服务器上部署固态硬盘(SSD)和大量硬盘驱动器(HDD)来应对高I/O及大容量存储需求，因此超融合架构可以实现本地数据的高速访问。超融合的计算、存储、网络等资源可实现按需横向动态扩展。超融合在商业通用标准硬件平台(X86)上使用软件定义计算、存储、网络资源；超融合使用虚拟化引擎统一调度和管理计算、存储和网络等资源，软件定义存储由虚拟机控制器管理。可以说超融合技术完美地补充了虚拟化技术的劣势。

3 超融合架构应用分析

3.1 快速部署和交付

超融合架构可实现开箱即用，从上机架到开始30 min内即可交付使用，部署快速。超融合物理设备组成包括：交换机、服务器、分布式存储软件、虚拟化软件。超融合一般集成虚拟化平台、软件定义网络和分布式存储，可以免去传统集中存储环境下存储的规划、连接、配置等复杂操作管理，无需配置RAID组、LUN、卷等，整个项目的部署周期比传统部署方式缩减约50%的时间，而且还可以大幅降低人工出错风险。

3.2 简化IT架构

在单一设备中融合计算、存储和网络，无需专用的存储设备和网络交换机，大幅精简了IT架构，降低了系统的复杂性。简单来说，超融合架构直接将存储部署到每个PC服务器上，在服务器上部署了闪存盘和大量传统机械硬盘，来应对系统高I/O需要和大容量存储的需要。因此超融合架构的优势就是高速访问本地数据，不必跨网络。传统数据中心与采用简化IT架构的超融合数据中心对比如图3所示。可节省机房空间约77%，节省设备功耗约26%，减少互联线缆约93%，减少部署时间约75%，减少宕机时间约80%。

图3 传统数据中心与采用简化IT架构的超融合数据中心对比示意

3.3 高灵活性

以软件定义为核心，虚拟化和分布式存储技术为基础，以软件定义的方式对外提供计算、存储和网络服务，资源按需供给，更加灵活。随着业务规模的发展，可以按需扩展存储的计算资源，避免过度规划带来的资源浪费，灵活的在线扩展方式，不会影响业务的正常运行。

与此同时，超融合架构还包含：备份软件、快照技术、重复删除数据、在线数据压缩等元素，多套单元设备可以通过网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展(Scale-Out)，形成统一的资源池，其扩展方式为横向增加节点即可。

超融合可以在开机状态下添加其他节点支持单个节点与部件为单位弹性水平扩展，从而可在线提高容量和性能。扩展后系统资源仍在单一资源池内，不会增加管理复杂度，并且会自动均衡负载。

3.4 高性能

超融合的分布式存储系统可以直接将存储分散在每台部署了SSD和大量HDD的服务器上，来应对高I/O及大容量存储的需求，随着节点的增加，性能和容量可以实现线性增长。超融合分布式文件系统可全自动、智能化对冷、热数据分层，可实现检测数据热度并及时迁移数据，进行动态数据调度，保障用户数据最佳读写性能及体验。

3.5 高效数据处理

数据更加靠近计算，不会像传统三层架构(服务器、存储、网络)每个数据的读写都要经过三层架构，让计算更加高效和快速，同时降低了延迟。超融合数据的重删功能可确保更多的I/O操作能在内存和SSD中完成，增加有效数据存储空间，从而进一步提升系统性能，减少空间浪费，同时延长存储扩容及更新的周期。

在超融合架构中，通过顺序读写，将随机的读写做顺序整理，充分发挥机械硬盘的顺序读写优势；通过优化读写技术，就近取本地数据，可以大幅提升系统的整体性能。

结构化日志功能支持海量扩展，搜索速度快，指针性能衰减小；顺序布局可提高闪存寿命和HDD的性能；对压缩和快照操作影响很小；故障恢复速度快等。

3.6 按需采购

采购模式发生了改变，无需一次性大规模采购，按需采购；可以保护现有的资源，将来可延伸到云计算架构。同时可以将淘汰下来的服务器的CPU，MEM，DISK资源拼凑到超融合服务器里，为企业继续提供存储服务。

3.7 简化管理

在单一的WEB中实现对存储及虚拟化的管理，无需专业的存储管理工程师，降低了运维和管理成本。通过软件定义技术将服务器、网络和存储整合到一个易于管理的集成系统，并通过自动化运维降低人为错误，从而降低实施和运维风险，以及运营成本。单一的厂商保障所有软硬件，包括计算、存储和虚拟化的支持。具备全局的资源管理能力，凭借“所画即所得”，减少故障定位及修复时间，用户无需经过专门培训即可轻松掌握使用方法。超融合架构和传统架构简化项目内容对比见表1所列。

表1 超融合架构和传统架构简化项目内容对比

3.8 高安全性

超融合底层分布式存储，使用户数据均有双份副本甚至多副本，同时融合大多集成快照、备份、双活服务，用户可自定义容灾计划，即使发生整个节点故障，也可轻松实现数据容灾功能，可以在30 min内在并行的其他节点上自动完成数据重建，并恢复到容错状态，使数据中心数据更安全、业务更可靠、维护更便捷。同时超融合设备集成的容灾工具无需付费且管理简单，可轻松实现从数据到应用乃至数据层的个级别容灾功能。超融合架构的数据可靠性如图4所示。

图4 超融合架构的数据可靠性示意

3.9 高开放性

超融合架构采用软硬件解耦架构，在服务器层面，能够在任何X86服务器上运行，与物理服务器的硬件配置无关，无需修改上层系统和应用即可运行；在存储层面，超融合架构支持与各种类型的外置存储进行对接，将数据存储到外置存储或使用外置存储作为备份介质；在网络层面，超融合架构无需依赖任何支持特定协议的网络设备，支持与现有网络设备组网连接。超融合架构能够为上层应用屏蔽底层复杂和异构的基础结构，对主流操作系统和应用进行兼容性适配和性能优化集成。

3.10 降低成本

采用超融合架构后，用户的整体拥有成本(TCO)将得到有效降低；利用超融合设备，不但可以快速搭建一个数据中心，更重要的是让客户的搭建过程更简洁，客户不需要再对基础设施进行调研，只需了解自己的需求，了解超融合设备，就能够快速实现搭建，在应用方面无疑大幅节省了企业的成本。采用超融合架构采购成本可节省约30%，使用成本可节省约50%，维护成本可节省约70%。另外超融合架构还可以帮助用户节省用于计算的服务器数量，加之Scale-Out能力带来的管理、运维成本的减少，更容易打动客户。

4 超融合架构的应用

以某智能化工厂为例，该公司生产管理设计了智能监控系统、计划管理系统、调度管理系统、工艺管理系统、物料管理系统、设备运行管理系统、智能巡检系统、报警管理系统、质量管理系统、实验室管理系统(LIMS)、应急安全管理指挥系统、人员定位与入侵检测系统、工作应用服务器、消防系统、工业电视系统和视频系统、5G系统、安防系统、三维模型系统、VR系统、数字工厂系统以及装置控制的相关系统，如HIS服务器、OPC服务器、OTS服务器、APC服务器、IDM服务器、分析仪表管理和数据采集系统、WEB服务器等多个模块系统。大型炼化厂的超融合架构下控制系统的网络结构规划如图5所示。

图5 超融合架构下控制系统的网络结构示意

结合炼化企业服务器种类繁多的问题，实现集中布置和集中维护的目的，借鉴相关超融合虚拟化的方案，采用服务器虚拟化的超融合方案整合服务器，超融合方案拓扑结构如图6所示。

在进行虚拟化之前，需要对VM的容量做规划，即一台物理服务器内布置多少台VM。除了考虑物理主机的硬件性能，还需要考虑VM运行时资源的需求。在应用时，系统可至少保留30%的空余余量，否则可能会使整个系统响应变慢，除此之外还要考虑后期增加设备扩容的需求。同时还需要设置超融合服务器物理主机端口，并配置网络交换机完成各个VM之间和物理终端之间的通信，用于数据交换机存储访问。根据装置或机柜室的分布，在虚拟交换机内划分不同的VLAN，将VM IP划分到网络的相应VLAN中。通过设置，使VM与系统各部件之间顺利通信。

图6 服务器虚拟化超融合平台的拓扑示意

通过采用超融合技术，可以看到规模越大的炼化企业，如操作站和工程师站数量超过100台的企业，越有优势，资源利用更加合理，大幅减少了资源的浪费；有效解决了数据备份、数据迁移的问题，更大幅降低了系统的故障率，且有效地降低了后期的维护率。同时可在后期根据业务的发展灵活地配置和扩展系统，为未来企业数字化和智能化的发展奠定基础。

如果炼化企业采用该方案，还涉及到很多其他问题，尤其是安全性、可靠性、磨合性和兼容性的问题，所以就需要控制系统厂家要经过严格的测试，测试合格后才能将超融合技术应用到实际中。不过国外的炼化企业已经逐步开始接受和使用超融合的技术架构，国内的炼化企业基本上还没有开始应用，目前超融合技术大部分应用于IT行业、互联网行业及业务集中的行业。笔者坚信，由于其承载关键业务应用能力、远程和分支办公能力及5G时代的边缘计算能力等优势，不久的将来超融合技术势必会大规模应用于国内炼化企业。

5 结束语

本文结合国内外研究发展现状，分析了超融合架构的技术，并提出了一种基于超融合架构的控制系统网络拓扑图，为超融合的进一步应用提供了理论和方法参考。可以预见超融合架构的出现，可以很好地满足炼化企业业务增长连续性和保障水平提高的要求，同时还能兼顾未来不可预测的数据增长、性能、数据爆发、数据治理、系统管理等要求。但是对传统数据结构进行超融合架构改造和应用，也会带来一系列不得不考虑的问题，还需要综合考虑、辩证分析，根据当下实际应用的可能性和需求来做决定。但是社会在进步，技术在发展，随着数字化和智能化的普及和应用，数据已经成为新的生产要素，企业数据中心成为海量数据的载体，已经跃升为数字时代的新生产工具，超融合必定是炼化企业的发展趋势，也必然是推动智能化制造发展的关键技术。