隨着互聯網的發展及國家對信息化支持力度的加大，輪胎行業的信息化程度越來越高，各種信息系統陸續上線。但是大部分企業仍採用傳統PC硬件方案，普遍缺少“總體規劃”，各系統之間存在信息孤島的現象，同時衆多的信息系統以及軟硬件也帶來了許多管理難題，具體表現在：①管理難度大，PC硬件種類繁多以及用戶多地辦公和對辦公環境的需求多樣化，造成集中式PC管理難以實現，PC桌面標準化是一個難題;②總體硬件成本高，PC硬件相對較低的成本優勢，無法抵消其管理和支持工作(部署軟件、更新和修補程序、多PC配置部署的測試和驗證、故障維修等)的高昂成本，由於標準化程度不高，支持人員經常需要親臨現場解決問題，導致支持成本大幅增加;③數據安全性低，確保PC上的數據能成功備份並能在PC出現故障或文件丟失時恢復，是一個巨大的挑戰，即使數據能成功備份，PC失竊的風險也威脅着重要數據的安全;④資源利用率低，PC的分佈式特性導致難以通過集中資源的方式提高利用率和降低成本，目前PC的利用率普遍低於5%，同時遠程辦公室需要重複的桌面基礎架構，而移動工作人員則需要使用複雜的遠程桌面解決方案。
上述問題給企業信息系統的軟硬件資源部署管理帶來巨大的工作量，迫切需要通過先進的製造技術和模式提升企業管理能力，以現有的IT方案提供更高的計算服務水平。我公司通過採用服務器和桌面虛擬化的解決方案成功解決了上述難題，實現數據中心的虛擬化和向雲服務架構的轉型，可以不斷提高IT基礎架構的靈活性，降低了IT、能源和空間成本，從而能夠快速提高業務處理的敏捷性，極大地提高數據中心效率，融合虛擬化、網絡、計算、存儲、安全和管理技術，同時大幅降低投資和運營費用，使企業實現利用先進製造技術向集成化、柔性化、網絡化、信息化、虛擬化、智能化、綠色化、製造全球化的轉型發展。本文從硬件架構體系的組成和選型着手，介紹虛擬化技術在輪胎製造業的應用，並對傳統PC和虛擬化解決方案的優缺點進行對比分析，爲生產製造企業搭建最優化平臺提供參考依據。
1 系統架構體系
本方案提出虛擬化的架構體系，採用基於VMware公司的虛擬化架構平臺，解決傳統PC面臨的各種問題，同時優化可用性、可管理性、總體成本及靈活性。總體系統分3層，第1層爲數據中心層，採用CISCO公司的UCS系統和VMware公司的軟件，搭建服務器虛擬化和桌面虛擬化系統平臺;中間層爲網絡層，實現終端訪問虛擬桌面的物理網絡的搭建，保證高效、可靠的帶寬;第3層爲應用層，可以通過IPAD、手機、PC、瘦客戶機訪問虛擬桌面，搭建客戶端應用系統。
本方案從平臺及架構上保證了虛擬化平臺的穩定性、可用性和安全性，確保桌面管理系統的易用性、可管理性、安全性、可擴展性，並且保持了良好的用戶體驗環境。由於虛擬化導致所有的資源存放在服務器上，風險集中，而虛擬化服務器自身的穩定性決定了虛擬化環境的穩定性。因此數據中心的搭建尤其重要。
2 數據中心架構體系
數據中心採用成熟的軟硬件架構體系。數據中心包含計算平臺、存儲平臺、雲計算操作系統三部分，分別採用CISCO，EMC，VMware公司的產品，目前這3家公司共同組成了從技術、開發、服務等諸多領域的綜合聯盟，使其兼容性及總體性能達到最優。
基本架構分爲硬件平臺UCS、存儲平臺和軟件平臺三層。UCS系統爲CISCO 的成熟平臺，存儲採用EMC的支持雙冗餘架構，硬件平臺支持冷備份和熱備份，可實現24h無宕機工作模式。刀片服務器支持SAN BOOT 功能，不需要本地磁盤，採用存儲上單獨劃分的區域作爲啓動操作系統區，有效減少了故障點，而且啓動速度快，運行穩定(可達到99.999%的高可用性)，可有效減少投資和維護量(減少本地磁盤的購買及維護工作量)，具備完美支持“無狀態計算”的特點。因爲本地無硬盤，UCS系統僅負責計算，一旦UCS服務器損壞，僅需要重新插入一臺新的備機即可。
在CISCO 6248P交換機的控制下，刀片服務器可以與存儲上的“本地硬盤”自動關聯，從而自動啓動系統，而不會帶來傳統的服務器更換備機導致的諸多工作，例如安裝操作系統、配置網絡、配置存儲、劃分VLAN 等諸多繁雜的工作，有效減少了維護工作量。
選用該CISCO UCS+EMC+VMware的解決方案能夠成功實現軟硬件平臺的穩定支持。
3 VMware虛擬化平臺及關鍵技術
企業製造系統是系統工程，必須加強系統工程理念、方法、技術、工具的融合，才能推進集成製造系統的研究、開發與應用[3]。本方案中，虛擬化軟件平臺採用VMware公司的平臺構建，使用VMware ESX軟件虛擬化服務器上運行的虛擬機，構建完整的桌面環境、操作系統、應用程序和配置。管理員可使用VMware vCenter集中管理環境中的所有虛擬機。用戶可使用遠程監控軟件，從PC或瘦客戶端(Thin Client)訪問其桌面環境。利用VMware ESX 的功能和vCenterServer的管理功能，View桌面虛擬化實現了標準化的虛擬硬件，併爲物理VMware ESX主機硬件提供了嚴格篩選的硬件兼容性列表(HCL)，有效減少了設備驅動程序不兼容的問題。藉助VMware ESX可擴展的CPU調度功能以及VMwareDRS(Distributed Resource Scheduler)的多主機平衡功能，性能波動現象也明顯減少。VMwareESX可以直接暫停並重新調度虛擬機，而無需考慮客戶操作系統內部的線程活動，這使資源共享更加確定，可顯著改善用戶在View 桌面虛擬化環境中的體驗。View桌面虛擬化可爲每位用戶提供一個獨立的虛擬機進行桌面計算。通過爲每位用戶提供自己的操作系統，View桌面虛擬化提供了企業部署集中式桌面所需的穩定性和性能管理功能。VMware View提供企業級桌面虛擬化的解決方案，不僅能增強控制能力、可管理性，簡化虛擬桌面的管理、調配和部署，還可以提供令用戶備感親切的桌面體驗，用戶能夠通過ViewManager安全而方便地訪問虛擬桌面，升級和修補工作都從控制檯集中進行，因此可以有效地管理數百甚至數千個桌面，從而節約時間和資源。數據、信息和知識財產將保留在數據中心內，最大程度地保證了信息的安全性。
該邏輯架構有效整合了動態遷移、負載均衡、服務器整合等技術，實現了資源的最大化和最佳應用。
(1)動態遷移技術。該技術實現了在服務器開啓的狀態下，能夠動態將其虛擬機遷移到其他服務器上。在目標服務器上模擬出此服務器的硬件狀態，然後遷移數據，最後釋放此服務器的信息。遷移的同時可以保障服務器數據完整且不丟失。
(2)負載均衡技術。通過在每臺服務器上安裝一個負載均衡器，設置最優化的調度算法及臨界值，監測狀態以實時判斷服務器的壓力。根據壓力大小完成服務器的合併，與動態遷移技術共同實現數據的負載均衡，保障服務器的效率。
(3)服務器整合技術。利用負載均衡技術和動態遷移技術，可以將多個工作相對較少的服務器整合到一起，實現CPU、內存、磁盤I/O的最優化及最佳配置，有效降低資源的閒置率。
(4)克隆技術。一臺服務器的環境配置好後，可以通過克隆技術使其他計算機都達到同樣的效果，實現快速配置上百甚至上千臺服務器的運行環境。在服務器運行狀態下，動態遷移要求遷移的彼此必須是共享內存的，但是克隆並沒有這個限制。克隆技術可實現環境的快速部署，大大提升系統管理員的工作效率。
(5)災難恢復技術。當突然斷電、硬件損壞、洪水、地震等一系列意外或異常情況出現時，把災難所造成的數據損失降到最低甚至不損失，是虛擬化的特長，可以快速實現虛擬機的恢復和數據遷移。
(6)虛擬快照技術。該技術是將虛擬機的實時狀態像照片一樣保存下來，包括CPU 運行狀態、內存中的數據、磁盤中的數據、系統運行狀態、應用程序快照等。當發生災難或某些失誤導致虛擬機出現問題時，虛擬快照技術可以很快恢復到故障前狀態。
(7)系統可用性技術。每臺服務器設置一個鏡像，在主虛擬機和次虛擬機之間有一條心跳線維持兩者之間的關係，當心跳線停止時，次虛擬機立刻啓動，代替主虛擬機，可以實現零宕機運行和效率最大化，改善系統的可用性。
(8)安全性技術。虛擬化在硬件層上都有一層虛擬機監控器(VMM)實時偵測每臺虛擬機的動向，包括捕獲、解決異常事件，完成調度等。當危險因素來臨時，通過VMM 可以非常快地偵測到並快速解決。這比傳統解決方案快得多，可有效保證系統及數據的安全性。
通過對各項關鍵虛擬化技術的應用集成，爲企業帶來傳統方案無可比擬的優勢。
4 系統的應用及效果
在機房搭建數據虛擬中心，在密煉、壓延、擠出、裁斷、成型、硫化各工序部署瘦客戶機，型號爲升騰EI945。通過瘦客戶機運行虛擬終端系統，很好地集成了虛擬客戶端訪問技術。同時，虛擬化(服務器虛擬化/桌面虛擬化)技術的實現需要共享的磁盤陣列存儲系統。虛擬化技術(也稱虛擬架構技術)的部署與物理架構的部署模式發生了轉變，所有技術特性的實現都離不開磁盤陣列共享存儲設備。由於在虛擬化環境中，所有終端計算能力將由運行在後臺數據中心的桌面虛擬機代替，且所有桌面虛擬機及虛擬機磁盤都放置在磁盤陣列共享存儲系統中，因此本方案配置一個適合桌面虛擬化使用的磁盤陣列共享存儲系統，爲虛擬化平臺建設提供數據存儲服務，實際配置可用容量不小於3TB。該款存儲系統具有高擴展性，可以隨時添加硬盤進行擴展，採用雙控制器冗餘架構，確保安全性。
本虛擬化系統已在輪胎生產企業現場穩定運行3年多，在信息系統的管理和資源的利用率方面取得了顯著成效。
(1)高可靠性。在服務器上爲每個用戶配置各自的硬盤空間;每個用戶擁有獨立賬號和私有密碼，工作相互獨立，互不干擾。用戶的文檔和資料存儲在服務器端，不會因爲突然掉電而丟失，用戶可以像使用家電一樣隨意開關機。
(2)數據防泄密。虛擬桌面可以對USB、本地磁盤等外部設備及剪切板進行控制，同時結合MS AD管理功能對用戶進行權限管理，防止非經授權的用戶進行任何形式的數據複製。
(3)強安全性。採用自主定義的指令系統和自主研發的操作系統，以只讀方式運行，並且沒有硬盤、軟驅和光驅等外部存儲設備，用戶不必擔心病毒的危害和信息的流失。
(4)免升級。終端客戶機一般不需要升級，不管是硬件還是軟件升級都只需在服務器端完成，從而節省大量人力、物力。
(5)少量維護。網絡計算機所有應用軟件在服務器數據中心安裝配置完成，用戶不再需要安裝操作系統和應用軟件，硬件、軟件穩定可靠，大大降低維護工作量。
(6)易管理。網絡計算機用戶只要輸入自己的賬號和密碼就可以訪問屬於自己的工作環境和文檔，而管理員可以在服務器上統一管理所有用戶，提供了一種新的辦公方式。
(7)易操作。網絡計算機人機界面友好，操作簡易，省去了PC安裝各種設備驅動程序等繁瑣步驟，用戶只需使用服務器上安裝的軟件即可。
(8)低功耗。終端機可以使用瘦客戶機，功率一般小於20 W，最小僅爲1 W，約爲PC 機的1%～10%。
(9)無噪聲。網絡計算機無機械運行部件，不需要風扇散熱，無噪聲。
(10)省空間。電腦集成度高，結構緊湊，佔用空間少。
4.1 能耗對比分析
相對傳統方式，實施該系統更加綠色、低碳、環保。瘦客戶機運行功率一般小於20W，連普通工控機的1/10都不到，意味着可以節省9/10的電費。耗電的減少也意味着碳排放的減少，適應了低碳時代的要求。
4.2 架構層面對比分析
從架構層面分析，虛擬化方案相對傳統方案也發生了巨大的轉變，在硬件配置及架構等方面比傳統方案都有顛覆性的提升。
4.2.1 對硬件的攻擊
傳統方式：網絡連接端口、交換機和路由器多，防火牆設置複雜。虛擬架構：網絡連接端口、交換機和路由器少，防火牆設置簡單。結論：虛擬架構通過減少物理網絡連接的數量，降低網絡連接、交換機、路由器以及防火牆等設置的複雜性，減少了通過物理網絡進行攻擊的潛在風險點。
4.2.2 對軟件的攻擊
傳統方式：服務器多，導致安裝的操作系統更多;操作系統代碼龐大(超過上千萬條)、漏洞多，直接承受惡意攻擊。虛擬架構：直接安裝在服務器硬件上的精煉封閉的虛擬化內核降低了漏洞出現的可能性;代碼精煉(20萬條左右);沒有網絡堆棧和用戶登錄，更安全。結論：採用VI3虛擬架構，所有虛擬機都建立在虛擬內核之上，精簡內核遠比主流商業操作系統更安全。
4.2.3 硬件穩定性
傳統方式：採用低端服務器，穩定性較差。虛擬架構：通常採用高端服務器，穩定性遠高於低端產品。結論：硬件的穩定性與廠商的`質量控制和製造工藝等多種因素有關，而與軟件無關，採用同樣機型時傳統方式與虛擬架構面臨的風險一樣;採用虛擬化架構後，節省的費用可以用來購買高端服務器，從而大幅提升硬件穩定性。
4.2.4 軟件穩定性
傳統方式：主流操作系統大都有幾百萬條到幾千萬條代碼，代碼越多，問題越多，補丁也就越多，甚至補丁落補丁。虛擬架構：精煉的虛擬化內核只有操作系統代碼量的十幾分之一，只完成最基本的硬件資源調度和指令翻譯工作。結論：軟件的穩定性是越往上層越差，越靠近硬件系統越好，穩定性的順序爲虛擬化內核>操作系統>數據庫>應用程序。
4.2.5 硬件問題的可恢復性
傳統方式：傳統硬件毀壞，需要停機、換配件，或重新購機，安裝操作系統及驅動和應用程序等;如果沒有采用集羣技術，會造成應用停止、業務中斷，即使做了Ghost鏡像，也只能恢復在同樣的機型中。虛擬架構：虛擬機的檔案文件封裝性使系統恢復可以在十幾分鍾甚至幾分鐘內完成;虛擬機可動態遷移到其他正常的物理服務器上，也可恢復到不同的物理服務器上，並可在不中斷應用的情況下恢復。結論：在發生硬件問題後，虛擬架構遠比傳統方式更能保證應用的連續運行，使業務不中斷，且能更快速地恢復。
4.2.6 軟件問題的可恢復性
傳統方式：軟件故障需要故障診斷、檢查驅動、重裝應用程序甚至操作系統;如果沒有采用集羣技術，會造成應用停止、業務中斷，即使做了Ghost鏡像，也只能恢復在同樣的機型中。虛擬架構：虛擬機的檔案文件封裝性使系統恢復可以在十幾分鍾甚至幾分鐘內完成;通過虛擬機快照技術，可實現快速備份、恢復，並可在不中斷應用的情況下恢復。結論：在發生軟件問題後，虛擬架構遠比傳統方式更能保證應用的連續運行，使業務不中斷，且能更快速地恢復。
4.2.7 應用部署方式
傳統方式：單一服務器部署單一應用，同樣配置的服務器部署不同應用時，任務分配不均衡。虛擬架構：虛擬機的資源可由虛擬內核動態調配，保證適時合理應用資源。結論：虛擬架構最大程度地保證了個體應用的性能，且能隨應用訪問的情況適時調整資源，物盡其用。
4.2.8 系統資源的佔用
傳統方式：沒有額外的佔用，但卻浪費大量資源，且不能供其他資源緊缺型應用使用。虛擬架構：虛擬化內核只佔用極少的系統資源，用於全部資源的調配;單一服務器上的多個虛擬機提高了系統資源利用率。結論：虛擬架構大幅提高系統整體利用率;對於資源特別敏感型的應用，也可採用資源固定的方式，完全達到傳統單機的使用效果。
5 結語
軟控股份有限公司具備CMMI 4級的系統集成及研發實力，搭建了公司級的虛擬化研發平臺，在當前雲計算、虛擬化技術的研究基礎上，順應互聯網時代的發展，將虛擬化技術應用到企業生產運行之中，有效減少系統運維人員，縮短故障時間，實現了信息系統的穩定運行，爲智慧工廠的建設奠定了堅實的基礎。該研究成果已經在部分輪胎企業進行了試點推廣應用，取得了顯著的經濟效益，提升了管理水平和低碳製造能力。採用虛擬化的雲計算技術將爲製造業的資源整合利用創造全新的服務平臺。