基于云計算的云制造及其初步開發(fā)應用

方水良 付 偉

浙江大學，杭州，310027

0 引言

隨著云計算各種核心技術的日益發(fā)展和成熟，制造領域出現(xiàn)了云制造技術。李伯虎等［1］認為，云制造是一種為用戶提供各類按需制造服務的一種網絡化制造新模式。楊海成［2］認為，云制造是把“軟件即服務”的理念拓展至“制造即服務”，為產品提供高附加值、低成本和全球化制造的服務。目前，國內很多高校與研究所對云制造的服務模式、體系架構、關鍵技術進行了探索［3-6］，結合科技部云制造主題項目。

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

1 云計算與云制造服務模式對比

云計算服務模式的核心思想是將海量的由網絡連接的計算(包括存儲)資源統(tǒng)一起來進行管理和調度，構成一個計算資源池向用戶提供即時按需服務。云制造服務模式的核心思想是將海量的與產品全生命周期有關的產品論證、設計、生產、仿真、管理等階段的軟硬件資源通過服務化封裝，形成一個個制造服務池，并通過云平臺進行統(tǒng)一管理和調度，向服務需求企業(yè)提供即時按需的制造服務。云制造與云計算的最大不同是所提供的資源服務的不同，除了云計算中的計算和存儲等資源服務外，云制造還加入海量的硬軟件制造資源(各種加工設備、檢測設備、專業(yè)設計分析軟件、管理軟件等)。云制造和云計算服務模式的概要對比如表1所示。

表1 云制造和云計算的初步對比

云制造的關鍵技術包括云制造模式設計及其平臺構建、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度使用等。本文針對制造企業(yè)的產品設計、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、遠程共享調用等進行初步研究和應用開發(fā)。

2 虛擬化集群及云制造平臺架構

云計算中的虛擬化是一個抽象層，它主要將具體的物理硬件與相應的操作管理系統(tǒng)分開，從而提供動態(tài)的資源配置及其高效的資源利用能力。目前用于構建虛擬機系統(tǒng)的虛擬化技術已經有很多，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)級服務器虛擬化軟件，它由 ESX Server、Virtual Center(VCenter)、Consolidated Backup三個產品組成。ESX Server是虛擬化的基礎平臺，提供對服務器CPU、存儲、網絡等硬件資源的管理及虛擬化，虛擬機(VM)運行在ESX Server之上;Virtual Center Management Server是對企業(yè)的虛擬架構進行集中管理的控制臺，通過它提供的圖形界面，可以對企業(yè)的虛擬機架構進行配置、監(jiān)控及優(yōu)化，管理每臺 ESX Server;Consolidated Backup可以實現(xiàn)對虛擬機的集中備份，使虛擬機能夠通過一個集中化的代理服務器進行備份。

本文利用VI3解決方案分別建立了架構即服務(infrastructure as a service，IaaS)、平臺即服務(platform as a service，PaaS)及 SaaS群集，如圖1所示，并基于虛擬機集群構建了初步的云制造服務平臺，如圖2所示。利用ESX Sever建立多個虛擬基礎平臺，然后分別在每個虛擬基礎平臺上建立了多臺虛擬機，并利用VCenter集中管理群集中的所有虛擬機;各種制造軟件資源存在于虛擬機中，并將各虛擬機文件存儲在外部實體存儲設備中，以防止資源的丟失。圖1所示為本文所構建的基于VI3架構的虛擬機群集，圖2所示為基于虛擬機群集的云制造服務平臺架構。所構建的云制造平臺中，SaaS群集包括2個ESX Server虛擬基礎平臺，2個基礎平臺上共運行6臺虛擬機(3臺提供分布式計算的服務，3臺提供遠程電磁計算的服務)。

圖1 基于VI3架構的虛擬機群集

圖2 基于虛擬機群集的云制造服務平臺

3 云制造平臺軟件資源管理和調度

3.1 云資源存儲方式及其搜索算法

GFS是Google提出的分布式文件系統(tǒng)，它的主要特點是海量文件數(shù)據的安全存儲及其高效快捷的查詢、讀寫。一個GFS群集包含一個主服務器和多個文件塊服務器;客戶端與主服務器只進行少量的元數(shù)據交互和操作，而所有具體文件數(shù)據訪問及其傳輸通信都是直接和塊服務器進行的。借鑒GFS的原理，本文構建了云制造環(huán)境下海量云資源的存儲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系型數(shù)據庫系統(tǒng)MySQL，為海量云資源構建了一個主服務器(mainServer)和若干分布式節(jié)點服務器(nodeServer)。主服務器存放云平臺可提供的所有云資源服務的元數(shù)據，每個節(jié)點服務器提供相應云資源服務的所有虛擬機的名稱、物理地址、狀態(tài)信息、執(zhí)行服務的Shell關鍵代碼等。通過上述主服務器和節(jié)點服務器上的兩套數(shù)據庫表，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。

云資源的存儲及其訪問架構如圖3所示。遠程客戶根據所需資源服務的類型，首先在主服務器中搜索相應的資源服務類型的狀態(tài)值State;State=2表示該資源服務使用量已達極限，暫時不能提供該類型的服務，反饋“等待”信息;State=1表示目前云平臺可提供相應資源服務，所以從相應的節(jié)點服務器中獲得該資源服務的詳細信息，并形成具體的資源服務命令(Shell代碼)，以及提供該資源服務的具體虛擬機的物理地址(VM標識)。遠程客戶根據反饋的Shell代碼及相應VM標識信息，執(zhí)行相應的資源服務。

圖3 云服務的存儲及其搜索過程

基于上述云資源的存放數(shù)據庫結構，通過下述findidandshell算法可以實現(xiàn)基于遠程客戶服務請求的云平臺的相應服務檢索:

Function findidandshell(服務類型){

Find結點標識 in mainServer while服務類型==mainServer.服務類型;

If結點標識==NULL then

Return“無此類服務”;

If State==2 then

Return“請等待”;

If State==1 then

{get結點標識;

get VMid in nodeServer while mainServer.結點標識 ==nodeServer.結點標識;

Return Shell代碼 and VMid;}

}

3.2 制造云資源服務的調度執(zhí)行

基于遠程Web客戶端的服務請求的云資源服務的調度執(zhí)行方法如圖4所示。具體通過下述scheduling算法實現(xiàn):

Function scheduling(遠程客戶端的服務請求){

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

If findidandshell.result ==無此類服務then

{Return 無此類服務;

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 云資源調度原理圖

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

如果用戶所請求的服務為軟件資源服務，那么可以安排到合適的虛擬機運行。虛擬機服務啟動后，在VCenter的管理下，可以保證動態(tài)遷移和7×24h的可靠運行，而資源使用方并不關注具體是哪臺虛擬機在提供服務。當虛擬機中的資源服務結束后，平臺獲得服務完畢信息并修改相應nodeServer表中的資源服務狀態(tài)信息。

如果用戶所請求的資源服務是機床加工、實物測試一類的硬件資源服務，TypeCmd主程序的執(zhí)行結果可能是一個短信通知、一個遠程的串口通信指令或發(fā)給遠程硬件設備終端的一份任務單等，用于通知或啟動相應的設備(或人員)進行相應的資源服務。

4 基于云制造平臺的遠程電磁分析服務

電機設計制造過程中，其電磁分析設計是一個關鍵步驟。Ansoft是一套電機設計軟件，包括MAXWELL、SIMPLORER、RMxprt和 PExprt等模塊，可用于高頻產品、機電產品等的分析設計。本文提供的遠程電磁計算服務基于對RMxprt和MAXWELL的調用和操作，研究開發(fā)的TypeCmd程序可以利用RMxprt自動生成計算元模型，并自動進行材料等屬性的配置，最后自動調用MAXWELL進行電磁分析計算服務。

客戶瀏覽器端發(fā)出服務請求，并從云平臺獲取到相應的Shell代碼后，云平臺將調用與之對應的TypeCmd程序并執(zhí)行PowerShell命令，以啟動相對應的虛擬機及其包含的應用軟件資源。

該資源服務相應的執(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‘虛擬機名’|start-vm

$LastExitCode

MaxWellCmd.ps1中的以上關鍵信息來自遠程客戶端的Shell代碼里的動態(tài)信息，從而可保證及時啟動相應虛擬機上的相應服務。

為了實現(xiàn)遠程的電磁計算分析服務，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，建立電磁計算的元模型，實現(xiàn)遠程客戶對該應用軟件的客戶化參數(shù)設置。遠程虛擬機啟動電磁計算程序時，自動讀取遠程客戶端所輸入的電磁計算所需要的各種配置信息，實現(xiàn)電磁計算軟件所需要的客戶化配置，避免了應用軟件的本地化人機對話式操作。

電磁分析計算服務完成之后，其計算結果以兩種方式反饋給遠程客戶:一種是直接將計算完成之后生成的如pwrlos.dat、current.dat等dat文件(文本文件)上傳到云平臺服務器，供遠程客戶通過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所示為遠程客戶下載的電磁分析結果數(shù)據文件片段及其結果曲線的顯示片段。

圖5 遠程客戶下載的數(shù)據文件片段及其曲線顯示

5 結語

云制造是基于云計算的一種新的制造模式，目前還處于初級發(fā)展階段;如何構建各種云制造服務平臺并為分布式客戶提供各種制造資源服務還有待深入研究和實踐。本文基于VI3架構初步建立了一個云制造服務平臺，針對云制造海量資源的管理和調度特別是SaaS服務調度，依據GFS分布式文件存儲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用方法，在一定程度上能快速高效地調度云資源并為遠程客戶提供資源服務?；谠撈脚_的Ansoft電磁計算軟件的遠程調用驗證了本文所研究方法的可行性。

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［2］楊海成.云制造是一種制造服務［J］.中國制造業(yè)信息化，2010(3):22-23.

［3］張霖，羅永亮，陶飛，等.制造云構建關鍵技術研究［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2010，16(11):2510-2520.Zhang Lin，Luo Yongliang，Tao Fei，et al.Key Technologies for the Construction of Manufacturing Cloud［J］.Computer Integrated Manufacturing System，2010，16(11):2510-2520.

［4］李偉平，林慧蘋，莫同，等.云制造中的關鍵技術分析［J］.制造業(yè)自動化，2011，33(1):7-10.Li Weiping，Lin Huiping，Mo Tong，et al.The Technologies in Cloud Manufacturing［J］.Manufacturing Automation，2011，33(1):7-10.

［5］王正成，黃洋.面向服務鏈構建的云制造資源集成共享技術研究［J］.中國機械工程，2012，23(11):1324-1331.Wang Zhengcheng，Huang Yang.Research on Integration Sharing Technology of Cloud Manufacturing Resource Oriented to Service Chain Construction［J］.China Mechanical Engineering，2012，23(11):1324-1331.

［6］鄧朝暉，劉偉，吳錫興，等.基于云計算的智能磨削云平臺的研究與應用［J］.中國機械工程，2012，23(1):65-68.Deng Zhaohui，Liu Wei，Wu Xixing，et al.Research and Application of Intelligent Grinding Cloud Platform Based on Cloud Computing［J］.China Mechanical Engineering，2012，23(1):65-68.

［7］VMware Inc.VMware Infrastructure［EB/OL］.［2011-12-07］.http://www.vmware.com/support/productsupport/vi3.html.