方水良 付 偉

浙江大學(xué)，杭州，310027

0 引言

隨著云計(jì)算各種核心技術(shù)的日益發(fā)展和成熟，制造領(lǐng)域出現(xiàn)了云制造技術(shù)。李伯虎等［1］認(rèn)為，云制造是一種為用戶提供各類按需制造服務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)化制造新模式。楊海成［2］認(rèn)為，云制造是把“軟件即服務(wù)”的理念拓展至“制造即服務(wù)”，為產(chǎn)品提供高附加值、低成本和全球化制造的服務(wù)。目前，國內(nèi)很多高校與研究所對云制造的服務(wù)模式、體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索［3-6］，結(jié)合科技部云制造主題項(xiàng)目。

本文主要探索云制造環(huán)境下的資源服務(wù)管理及其遠(yuǎn)程使用的實(shí)現(xiàn)方法。利用云計(jì)算的核心技術(shù)——虛擬化和軟件即服務(wù)(software as a service，SaaS)技術(shù)，構(gòu)建虛擬機(jī)群集及其虛擬桌面池;基于GFS(Google file system)技術(shù)以及MySQL的二次開發(fā)，研究開發(fā)了一種基于云制造平臺(tái)的云資源管理及其資源匹配調(diào)度方法;在.Net環(huán)境下，利用PowerShell技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了云制造資源的遠(yuǎn)程共享。

1 云計(jì)算與云制造服務(wù)模式對比

云計(jì)算服務(wù)模式的核心思想是將海量的由網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算(包括存儲(chǔ))資源統(tǒng)一起來進(jìn)行管理和調(diào)度，構(gòu)成一個(gè)計(jì)算資源池向用戶提供即時(shí)按需服務(wù)。云制造服務(wù)模式的核心思想是將海量的與產(chǎn)品全生命周期有關(guān)的產(chǎn)品論證、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、仿真、管理等階段的軟硬件資源通過服務(wù)化封裝，形成一個(gè)個(gè)制造服務(wù)池，并通過云平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，向服務(wù)需求企業(yè)提供即時(shí)按需的制造服務(wù)。云制造與云計(jì)算的最大不同是所提供的資源服務(wù)的不同，除了云計(jì)算中的計(jì)算和存儲(chǔ)等資源服務(wù)外，云制造還加入海量的硬軟件制造資源(各種加工設(shè)備、檢測設(shè)備、專業(yè)設(shè)計(jì)分析軟件、管理軟件等)。云制造和云計(jì)算服務(wù)模式的概要對比如表1所示。

表1 云制造和云計(jì)算的初步對比

云制造的關(guān)鍵技術(shù)包括云制造模式設(shè)計(jì)及其平臺(tái)構(gòu)建、硬軟件制造資源虛擬化及其云端接入、云資源感知和適配、云資源的綜合管理和調(diào)度使用等。本文針對制造企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、論證、管理等過程中所需要的軟件資源的虛擬化及其優(yōu)化管理、遠(yuǎn)程共享調(diào)用等進(jìn)行初步研究和應(yīng)用開發(fā)。

2 虛擬化集群及云制造平臺(tái)架構(gòu)

云計(jì)算中的虛擬化是一個(gè)抽象層，它主要將具體的物理硬件與相應(yīng)的操作管理系統(tǒng)分開，從而提供動(dòng)態(tài)的資源配置及其高效的資源利用能力。目前用于構(gòu)建虛擬機(jī)系統(tǒng)的虛擬化技術(shù)已經(jīng)有很多，如VMware公司的Workstation、ESX Server［7］，開源 Xen、KVM、QEMU 等。

VMware公司的VI3(VMware Infrastructure 3)是一種基于X86的企業(yè)級(jí)服務(wù)器虛擬化軟件，它由 ESX Server、Virtual Center(VCenter)、Consolidated Backup三個(gè)產(chǎn)品組成。ESX Server是虛擬化的基礎(chǔ)平臺(tái)，提供對服務(wù)器CPU、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等硬件資源的管理及虛擬化，虛擬機(jī)(VM)運(yùn)行在ESX Server之上;Virtual Center Management Server是對企業(yè)的虛擬架構(gòu)進(jìn)行集中管理的控制臺(tái)，通過它提供的圖形界面，可以對企業(yè)的虛擬機(jī)架構(gòu)進(jìn)行配置、監(jiān)控及優(yōu)化，管理每臺(tái) ESX Server;Consolidated Backup可以實(shí)現(xiàn)對虛擬機(jī)的集中備份，使虛擬機(jī)能夠通過一個(gè)集中化的代理服務(wù)器進(jìn)行備份。

本文利用VI3解決方案分別建立了架構(gòu)即服務(wù)(infrastructure as a service，IaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(platform as a service，PaaS)及 SaaS群集，如圖1所示，并基于虛擬機(jī)集群構(gòu)建了初步的云制造服務(wù)平臺(tái)，如圖2所示。利用ESX Sever建立多個(gè)虛擬基礎(chǔ)平臺(tái)，然后分別在每個(gè)虛擬基礎(chǔ)平臺(tái)上建立了多臺(tái)虛擬機(jī)，并利用VCenter集中管理群集中的所有虛擬機(jī);各種制造軟件資源存在于虛擬機(jī)中，并將各虛擬機(jī)文件存儲(chǔ)在外部實(shí)體存儲(chǔ)設(shè)備中，以防止資源的丟失。圖1所示為本文所構(gòu)建的基于VI3架構(gòu)的虛擬機(jī)群集，圖2所示為基于虛擬機(jī)群集的云制造服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)。所構(gòu)建的云制造平臺(tái)中，SaaS群集包括2個(gè)ESX Server虛擬基礎(chǔ)平臺(tái)，2個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)上共運(yùn)行6臺(tái)虛擬機(jī)(3臺(tái)提供分布式計(jì)算的服務(wù)，3臺(tái)提供遠(yuǎn)程電磁計(jì)算的服務(wù))。

圖1 基于VI3架構(gòu)的虛擬機(jī)群集

圖2 基于虛擬機(jī)群集的云制造服務(wù)平臺(tái)

3 云制造平臺(tái)軟件資源管理和調(diào)度

3.1 云資源存儲(chǔ)方式及其搜索算法

GFS是Google提出的分布式文件系統(tǒng)，它的主要特點(diǎn)是海量文件數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)及其高效快捷的查詢、讀寫。一個(gè)GFS群集包含一個(gè)主服務(wù)器和多個(gè)文件塊服務(wù)器;客戶端與主服務(wù)器只進(jìn)行少量的元數(shù)據(jù)交互和操作，而所有具體文件數(shù)據(jù)訪問及其傳輸通信都是直接和塊服務(wù)器進(jìn)行的。借鑒GFS的原理，本文構(gòu)建了云制造環(huán)境下海量云資源的存儲(chǔ)方式及其訪問搜索算法。

云制造系統(tǒng)中需要管理海量的各種各樣的共享硬軟件云資源。本文基于開放源代碼的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)MySQL，為海量云資源構(gòu)建了一個(gè)主服務(wù)器(mainServer)和若干分布式節(jié)點(diǎn)服務(wù)器(nodeServer)。主服務(wù)器存放云平臺(tái)可提供的所有云資源服務(wù)的元數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器提供相應(yīng)云資源服務(wù)的所有虛擬機(jī)的名稱、物理地址、狀態(tài)信息、執(zhí)行服務(wù)的Shell關(guān)鍵代碼等。通過上述主服務(wù)器和節(jié)點(diǎn)服務(wù)器上的兩套數(shù)據(jù)庫表，可以保證對云制造系統(tǒng)中海量云資源的快速查詢和訪問。

云資源的存儲(chǔ)及其訪問架構(gòu)如圖3所示。遠(yuǎn)程客戶根據(jù)所需資源服務(wù)的類型，首先在主服務(wù)器中搜索相應(yīng)的資源服務(wù)類型的狀態(tài)值State;State=2表示該資源服務(wù)使用量已達(dá)極限，暫時(shí)不能提供該類型的服務(wù)，反饋“等待”信息;State=1表示目前云平臺(tái)可提供相應(yīng)資源服務(wù)，所以從相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)服務(wù)器中獲得該資源服務(wù)的詳細(xì)信息，并形成具體的資源服務(wù)命令(Shell代碼)，以及提供該資源服務(wù)的具體虛擬機(jī)的物理地址(VM標(biāo)識(shí))。遠(yuǎn)程客戶根據(jù)反饋的Shell代碼及相應(yīng)VM標(biāo)識(shí)信息，執(zhí)行相應(yīng)的資源服務(wù)。

圖3 云服務(wù)的存儲(chǔ)及其搜索過程

基于上述云資源的存放數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，通過下述findidandshell算法可以實(shí)現(xiàn)基于遠(yuǎn)程客戶服務(wù)請求的云平臺(tái)的相應(yīng)服務(wù)檢索:

Function findidandshell(服務(wù)類型){

Find結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí) in mainServer while服務(wù)類型==mainServer.服務(wù)類型;

If結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)==NULL then

Return“無此類服務(wù)”;

If State==2 then

Return“請等待”;

If State==1 then

{get結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí);

get VMid in nodeServer while mainServer.結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí) ==nodeServer.結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí);

Return Shell代碼 and VMid;}

}

3.2 制造云資源服務(wù)的調(diào)度執(zhí)行

基于遠(yuǎn)程Web客戶端的服務(wù)請求的云資源服務(wù)的調(diào)度執(zhí)行方法如圖4所示。具體通過下述scheduling算法實(shí)現(xiàn):

Function scheduling(遠(yuǎn)程客戶端的服務(wù)請求){

findidandshell(遠(yuǎn)程客戶端的服務(wù)請求);/*從表中查找需要的信息*/

If findidandshell.result ==無此類服務(wù)then

{Return 無此類服務(wù);

end;}

If findidandshell.result ==等待 then

{Return等待;

end;}

If findidandshell.result ==(Shell代碼 and VMid)then

{Call TypeCmd(Shell代碼 and VMid);

Return service;}}

End function

圖4 云資源調(diào)度原理圖

TypeCmd是云資源服務(wù)的調(diào)用主程序，它采用VB.Net多線程編程，避免了大量請求情況下TypeC-md服務(wù)響應(yīng)過慢的問題。對于TypeCmd主程序，不同的用戶云資源服務(wù)請求有不同的“Shell代碼”及其“VMid”，它們決定了用戶的某個(gè)服務(wù)請求具體用什么命令，在哪臺(tái)虛擬機(jī)上執(zhí)行。

如果用戶所請求的服務(wù)為軟件資源服務(wù)，那么可以安排到合適的虛擬機(jī)運(yùn)行。虛擬機(jī)服務(wù)啟動(dòng)后，在VCenter的管理下，可以保證動(dòng)態(tài)遷移和7×24h的可靠運(yùn)行，而資源使用方并不關(guān)注具體是哪臺(tái)虛擬機(jī)在提供服務(wù)。當(dāng)虛擬機(jī)中的資源服務(wù)結(jié)束后，平臺(tái)獲得服務(wù)完畢信息并修改相應(yīng)nodeServer表中的資源服務(wù)狀態(tài)信息。

如果用戶所請求的資源服務(wù)是機(jī)床加工、實(shí)物測試一類的硬件資源服務(wù)，TypeCmd主程序的執(zhí)行結(jié)果可能是一個(gè)短信通知、一個(gè)遠(yuǎn)程的串口通信指令或發(fā)給遠(yuǎn)程硬件設(shè)備終端的一份任務(wù)單等，用于通知或啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備(或人員)進(jìn)行相應(yīng)的資源服務(wù)。

4 基于云制造平臺(tái)的遠(yuǎn)程電磁分析服務(wù)

電機(jī)設(shè)計(jì)制造過程中，其電磁分析設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵步驟。Ansoft是一套電機(jī)設(shè)計(jì)軟件，包括MAXWELL、SIMPLORER、RMxprt和 PExprt等模塊，可用于高頻產(chǎn)品、機(jī)電產(chǎn)品等的分析設(shè)計(jì)。本文提供的遠(yuǎn)程電磁計(jì)算服務(wù)基于對RMxprt和MAXWELL的調(diào)用和操作，研究開發(fā)的TypeCmd程序可以利用RMxprt自動(dòng)生成計(jì)算元模型，并自動(dòng)進(jìn)行材料等屬性的配置，最后自動(dòng)調(diào)用MAXWELL進(jìn)行電磁分析計(jì)算服務(wù)。

客戶瀏覽器端發(fā)出服務(wù)請求，并從云平臺(tái)獲取到相應(yīng)的Shell代碼后，云平臺(tái)將調(diào)用與之對應(yīng)的TypeCmd程序并執(zhí)行PowerShell命令，以啟動(dòng)相對應(yīng)的虛擬機(jī)及其包含的應(yīng)用軟件資源。

該資源服務(wù)相應(yīng)的執(zhí)行主程序(TypeCmd程序)的偽代碼如下:

Dim thread1 As New System.Threading.Thread(AddressOf qidong)

thread1.Start()

Private Sub qidong()

Shell(＂C:WINDOWSsystem32windowspowershellv1.0powershell.exe -noe_

C:MaxWellCmd.ps1＂，vbMaximizedFocus)

End Sub

MaxWellCmd.ps1的內(nèi)容如下:

Add-PSSnapin Vmware.VimAutomation.core

$Server=Connect-VIServer-Server IP-Protocol https-User用戶名-Password密碼

Get-vm‘虛擬機(jī)名’|start-vm

$LastExitCode

MaxWellCmd.ps1中的以上關(guān)鍵信息來自遠(yuǎn)程客戶端的Shell代碼里的動(dòng)態(tài)信息，從而可保證及時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)虛擬機(jī)上的相應(yīng)服務(wù)。

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的電磁計(jì)算分析服務(wù)，本文通過對Maxwell執(zhí)行程序的各種配置文件及其輸入文件的分析，建立電磁計(jì)算的元模型，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶對該應(yīng)用軟件的客戶化參數(shù)設(shè)置。遠(yuǎn)程虛擬機(jī)啟動(dòng)電磁計(jì)算程序時(shí)，自動(dòng)讀取遠(yuǎn)程客戶端所輸入的電磁計(jì)算所需要的各種配置信息，實(shí)現(xiàn)電磁計(jì)算軟件所需要的客戶化配置，避免了應(yīng)用軟件的本地化人機(jī)對話式操作。

電磁分析計(jì)算服務(wù)完成之后，其計(jì)算結(jié)果以兩種方式反饋給遠(yuǎn)程客戶:一種是直接將計(jì)算完成之后生成的如pwrlos.dat、current.dat等dat文件(文本文件)上傳到云平臺(tái)服務(wù)器，供遠(yuǎn)程客戶通過Web瀏覽器下載;另一種是在Web瀏覽器端以文本和圖形方式直接顯示。圖5所示為遠(yuǎn)程客戶下載的電磁分析結(jié)果數(shù)據(jù)文件片段及其結(jié)果曲線的顯示片段。

圖5 遠(yuǎn)程客戶下載的數(shù)據(jù)文件片段及其曲線顯示

5 結(jié)語

云制造是基于云計(jì)算的一種新的制造模式，目前還處于初級(jí)發(fā)展階段;如何構(gòu)建各種云制造服務(wù)平臺(tái)并為分布式客戶提供各種制造資源服務(wù)還有待深入研究和實(shí)踐。本文基于VI3架構(gòu)初步建立了一個(gè)云制造服務(wù)平臺(tái)，針對云制造海量資源的管理和調(diào)度特別是SaaS服務(wù)調(diào)度，依據(jù)GFS分布式文件存儲(chǔ)的原理提出了一種滿足云制造要求的云中軟件資源管理和調(diào)用方法，在一定程度上能快速高效地調(diào)度云資源并為遠(yuǎn)程客戶提供資源服務(wù)?；谠撈脚_(tái)的Ansoft電磁計(jì)算軟件的遠(yuǎn)程調(diào)用驗(yàn)證了本文所研究方法的可行性。

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