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汽车行业研发云桌面研究与应用

2020-04-22成君昭

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本文介绍了在云桌面平台实现CAD/CAE技术应用的基本思路及工作原理,对比分析了两种不同技术路线的云桌面应用方式,并分享了部署云桌面实施方法。最后,结合汽车企业的实际情况,阐述了在汽车行业中使用云桌面时需要注意的问题以及建议。
1 引言
 
       私有云技术的快速发展和普遍应用使得虚拟云桌面成为当前信息化建设的热点问题。在云理论和云产品方面,目前都有很多新的发展,这些都是建立在虚拟云桌面的运用上的。虚拟云桌面技术在信息安全方面有独特的优势。
 
       云桌面系统从内部安全和外界深度防御两个方面出发,搭建了安全性极高的云桌面架构体系。云桌面系统在用户终端安全、接入安全、传输安全、虚拟PC隔离安全、镜像安全、数据安全、架构安全、行为管控安全、管理审计安全这九个方面都进行深入的考虑,从多个方面来满足用户的安全需要。
 
       汽车企业除了对信息安全有强烈的业务需求外,部署方便,深度协同、用户体验也是企业运用云桌面的核心诉求。
 
2 定义介绍
 
       2.1 云桌面
 
       通过云计算软件来实现桌面的统一,资源的共享,让客户端脱离主机,用显示器和云计算设备就能实现登录、办公,大大减少管理和维护费用,而客户端可以是桌面机、笔记本、手持设备等。
 
       2.2 CAD
 
       计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design),利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。
 
       2.3 CAE
 
       计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering),指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能,以及优化结构性能等。
 
       2.4 HPC
 
       高性能计算(High Performance Computing)机群,简称HPC机群。构建高性能计算系统的主要目的就是提高运算速度,要达到每秒万亿次级的计算速度,对系统的处理器、内存带宽、运算方式、系统I/O、存储等方面的要求都十分高,这其中的每一个环节都将直接影响到系统的运算速度。这类机群主要解决大规模科学问题的计算和海量数据的处理,如科学研究、气象预报、计算模拟、军事研究、CFD/CAE、生物制药、基因测序、图像处理等等。
 
3 云桌面需求分析
 
       汽车行业云桌面需求主要从以下几个方面提出:
 
       1)企业多地办公协同需求。由于企业存在多个办公地点,且不在一个城市。需要通过某种技术解决异地访问同一数据源,并实现协同设计需求;
 
       2)多种CAD、CAE软件随时随地访问需求。现代研发业务,对设计人员要求不但能够通过三维建模实现设计交付,同时要求对设计交付在制造前期进行仿真分析,满足产品性能和优化要求。
 
       3)软件浮动使用需求。汽车研发企业使用的软件非常多,各种不同的软件因原厂商销售政策差异,企业为了降低成本,必须采购部分单机版软件,如何让这些单机版软件灵活应用,而不是绑定在某一个人机器上,其它员工无法方便利用,对IT管理提出现实要求。
 
       4)IT运维需求。由于设计人员多、使用软件多、分布地域广,对IT运维提出稳定可靠、速度快、体验好、不受时差和地域限制的新要求。而现代企业需要控制IT运维成本,特别是人力资源和硬件资源成本,这样就要求企业建立适应以上场景的运维体制。
 
       5)硬件资源扩充和更新需求。随着计算机技术和软件技术发展,硬件资源扩充和更新周期越来越短,而某些硬件资源在某个时间段或地点由存在不平衡现象。比如设计人员出差或开会,个人分配的资源存在短期浪费现象。同时,设计人员离职率较高,归还的旧设备二次分配存在一定困难。如何解决硬件资源的浪费和重新分配,给IT部门提出更高的挑战。
 
       6)信息安全需求。汽车行业是一个竞争充分的现代制造业,信息安全,特别是研发信息安全更为重要。研发核心数据的保护需要从底层IT架构上进行保护。传统布局内部局域网、关闭IO端口,内部审计、定期备份等IT手段已不能满足业务需求,需要将数据从产生到消亡,始终处于后台服务器和存储上,避免数据随意扩散和流失。
 
4 云桌面市场分析和选型
 
       要从根本上解决业务需求,需要以一种新思路去建立符合公司需求的新的IT基础架构和系统。
 
       最近几年,IT行业技术飞速发展,云桌面作为一种新兴技术,得到广大用户的兴趣和认可。经过调研,当前市场上流行的云桌面大致分为两类。
 
       1)以Vmware和Citrix为代表的VDI(虚拟桌面架构)方式,VDI形式是把一个物理机装上虚拟化软件后,变成多个虚拟机,每个虚拟机分配给一个桌面用户使用,即每个用户独占一个云端虚拟机。以下简称独占桌面的云应用。
 
       这种应用方式是后台服务器切分为多个不同配置的虚拟机,应用软件安装在不同的虚拟机上,工业软件通过云发布给需求用户,用户通过客户端登陆云桌面,应用软件处理数据,并将数据实时保存在云桌面的私有存储和公用存储上。用户数据不允许私自从云桌面下载和导出,需要导出时,按照企业数据管理流程,通过审核和加解密后导出应用。
 
       2)以易士云为代表的SBC(Server-Based Compute),也叫虚拟化应用。SBC形式是在一个物理机上直接安装Windows Server 2012或其它操作系统(即应用服务器),再装上应用程序,可以多人共同使用这个操作系统,这个会话桌面,SBC形式适用于极轻载的应用,每个用户实际上只占用一个进程。以下简称共享云桌面应用。
 
       这种应用方式是后台服务器作为一台单独的实体工作站,应用软件集中安装在同一台实体服务器,所有用户可以同时登陆同一台云桌面服务器。为了提高用户体验,后台可以部署多台相同配置的云桌面服务器,安装相同的应用软件,用户随机分配登陆到有空闲资源的云桌面服务器。
 
       用户数据同样需要保存在云桌面配置的共享存储空间,存储分为私有空间和共享空间。数据不允许私自导出,需要通过流程控制,实现与外部用户的交换和共享。
 
       两种云桌面应用的最大不同在于后台服务器是否切分为不同的虚拟机。独占云桌面一个虚拟机当前只允许一个用户占用。切分虚拟机方式理论上与现有的用户场景类似,仅仅是将现有的客户端电脑移动到后台管理,用户看不到主机,数据都在后台存储,应用软件都安装在指定的虚拟机上,需要用到哪个软件,就登陆指定的虚拟机。当然这些虚拟机根据企业软件许可的多少,可以配置多个虚拟机。而共享云桌面不用切分虚拟机,后台云服务器上安装多个不同的应用软件,同一台云服务器上多个客户端同时登陆使用。同时可以打开多个不同的应用软件,也可以在同一台云服务器上打开多个相同的应用软件进程。
 
5 云桌面策划和实施
 
       5.1 云桌面策划
 
       针对汽车研发企业,由于整车开发分为多个开发阶段、不同开发阶段应用不同的工业软件和办公软件,多个不同的管理系统,对云桌面的应用场景有多种不同的业务需求。比如造型阶段需要使用Photoshop、Alias、ICEMsurf等软件,详细设计阶段需要使用CAD软件和CAE软件,发布阶段需要使用多种可视化软件,工艺制造仿真需要使用多种材料仿真、工艺仿真工具。所有的工具软件多大上百种。云桌面需要支持运行这么多种不同的工业软件和办公软件,同时要适用多种不同的管理系统,比如研发常用的PLM系统、ALM系统等。
 
       企业在选择云桌面产品时必须经过多种不同场景的测试,某企业在策划云桌面初期,首先调查分析了企业云桌面应用场景。在企业日常产品设计流程中,需要用到CAD软件2种,分别为CREO和CAITA,涉及到的模型从几十KB到几GB大小不同的数据量,涉及到CAE软件多达40余种,各个CAE软件经常需要联合仿真,同时打开多个CAE软件,互相调用前处理网格模型和结果文件,模型数量从几十MB到几十GB不等。每种CAE软件对CPU、显存、内存的要求各不相同。需要对各种软件分别测试和验证,同时对联合仿真的软件进行耦合计算,查看是否能够在云桌面环境中正常运行。
 
       在测试云桌面应用时,项目组首先搭建一个简单的测试环境,将需要测试的软件在云桌面测试环境中按照软件基本配置进行安装。通过云桌面的运行原理,发布到不同权限的用户桌面。
 
       第一步,由CAD设计人员测试在云桌面环境中运行CREO、CATIA软件,打开不同格式的CAD数据,从二维图纸到PRT、ASM模型,从几M到几G不同大小的文件。然后再进行编辑操作,从模型的打开速度到线、面、体各种特征的质量分别进行检查,并与传统塔式工作站进行对比,查看是否存在丢失特征、是否存在显示不完整等常见错误,并记录各种操作所用到的时间。与传统塔式工作站进行对比分析,验证云桌面质量与效率。
 
       第二步,由于汽车企业大部分都已实施了PDM管理系统,检查完单独验证CAD模型后,还需要在PDM环境下检查是否能够正常打开模型,下载和上载操作,检入和检出模型等常规PMD协同操作。只有在PDM环境中能够完成基本操作,才能判断云桌面是否能够满足CAD模型的应用。
 
       第三步,云桌面的原理是要求多个用户同时在同一台云桌面后台服务器上运行CAD工具软件。那么,测试多人并行操作就成为测试云桌面应用的必要步骤。项目组采用了人工测试的场景。让8位设计师,在同一时间对PDM系统中的不同量级的模型进行下载操作,记录下载的时间。在都下载完成后,同时点击打开操作,记录打开每个模型的时间,并对打开的模型进行编辑、更新操作,并观察打开的模型是否存在拖影、抖动等现象。
 
       通过三步基本测试,项目组记录了不同应用场景下的CAD模型数据,并与传统塔式工作站多对比分析。发现在测试环境下,云桌面与塔式工作站两种硬件环境,对CAD模型的应用差异不大,云桌面还有不小的优势。
 
       在测试完CAD应用场景后,项目组由组织资源,对CAE软件的应用进行测试,由于CAE软件种类较多,且分为人机交互使用和后台计算两种不同的模式,项目组在分析了云桌面的定位后,决定只测试人机交互模式,即在云桌面环境下,只允许用户在云桌面服务器上运行CAE的前后处理工作,而后台并行计算,交给HPC高性能计算服务器工作。
 
       项目组选取了汽车行业常用的Hyperworks软件进行测试,与CAD软件测试相同,分别进行单人和多人并行使用,选取的模型也从几十M到几G不等的数据量。经过测试,发现云桌面对CAE模型的应用,比传统塔式工作站有更好的体验,不论从打开速度还是显示效果,都优于传统。
 
       经过几轮次的测试验证,项目组已经掌握了云桌面的安装和配置,并且根据测试过程中发现的问题,对各中软件在云桌面的配置有了丰富的应对策略。下一步就是展开实际部署和正式应用。
 
       5.2 云桌面实施
 
       由于企业已应用塔式工作站多年,除了存储在应用系统中的数据外,还有大量的数据存储在个人工作站本地和共享存储上。在部署云桌面应用前,首先要解决的问题就是将这些数据都迁移到云存储上。
 
       项目在云存储上为每个用户分配了私有空间,并建立了供用户共享的存储空间,通过数据迁移,基本解决了数据迁移的问题。并按照不同的组织权限,为各个用户在共享存储中分配了不同的访问权限。
 
       云桌面在企业应用属于创新应用,大部分设计人员和审核领导对这种应用环境不熟悉,在实施前,必须组织全面的应用培训。项目组按照设计人员应用软件不同,组织了多场多轮次的培训,重点在各个科室培养了种子用户,由种子用户负责解决科室内部设计人员遇到的简单应用问题。
 
       经过一系列的准备工作,云桌面应用开始在企业垂直切换,由于大面积的垂直切换,在实施初期,确实遇到各种重大问题,最突出的问题就是并行用户在某个时间段,全部占满某台云服务器,导致应用体验差,应用速度慢,经过项目组的分析和应对,采用限制用户登录数量的方式,自动调节云服务器上用户数量的方式解决。
 
       云桌面在某企业已应用一年多,从应用体验和效果上看,基本达到了项目组设想的预期效果。用户也逐步习惯了在云桌面上从事设计工作,为企业的IT应用和数据安全打开了一条全新的道路。
 
6 云桌面技术场景分析
 
       前面提到的共享云桌面是企业本次实施的重点,企业所有的CAD、CAE等设计业务在共享云桌面进行应用。同时,企业也部署了独占云桌面应用,主要是电控开发一些应用场景,在独占云桌面应用。经过长时间的应用,逐渐发现两种云桌面的应用技术,都存在不同的优势和缺点。
 
       共享云桌面最大的优势是能够逼真的还原CAD和CAE模型显示体验,在应用云桌面过程中,用户基本感知不到真实的数据是在后台运行,前端仅仅是从云端传输过来的图片。第二大优势是安装软件较为简单,只需将CAD\CAE软件安装在云服务器上,通过管理程序,推送给需要的用户即可。不需要考虑同一台云服务器上安装软件的多少,理论上只要云服务器配置的硬件资源足够,软件种类不受限制。第三大优势就是多个用户可以同时登录同一台云服务器,云服务管理应用能够自动调节云服务器上的用户数量,根据当前登录用户占用资源的多少,自动将后进入的用户分配的空闲的云服务器上。
 
       独占云桌面的最大优势是应用简单,每个独占云桌面本身就是一台虚拟的独立PC机,具有单独的MAC地址和IP地址,用户使用时能够独占一台云桌面,不需要与其他用户抢占资源,还能够根据软件对硬件资源的需求,建立不同的安装模板,实时调节后台云桌面资源。
 
       共享云桌面最大的缺点是针对某些软件和系统应用不支持,比如汽车企业常用的造型仿真软件。由于造型仿真软件对图像的显示要求非常高,云桌面的方式将数据转换为图像方式传输到前端,影响造型数据的显示效果。这样造型软件继续在独立塔式工作站上应用,为企业内部数据交换带来了不便。其次,云桌面服务器上由于不同用户在同一台云服务器上使用,积累了不同用户大量的缓存文件,清理缓存数据为IT运维带来不便。再次,共享云桌面上不允许用户使用命令行提交计算任务,必须通过特定的调度程序图形化处理,对某些特定的软件应用带来了限制和不方便。
 
       独占云桌面最大的劣势则是软件发布需要定时更新发布模板,每次更新发布模板都会将C盘非系统数据和D盘系统数据进行清空,个人数据只能在个人文件夹后个人网盘中存储。其次,独占云桌面的应用方式限制了用户使用软件的便利性,特别是多种软件联合应用,需要分配不同的安装模板,无形中增加了企业硬件资源的需求。比如用户需要使用MATLAB与ALM联合应用,那么管理员必须给这些用户分配足够的独占桌面,而某些用户不需要联合应用,则还需要为这些用户单独分配一套独占桌面。
 
7 云桌面应用总结
 
       通过两种不同云桌面在企业的成功部署和应用,一方面确实为企业数据安全和IT服务带来了全新的解决方案。另一方面,云桌面技术的发展还有不少需要解决的问题,用户体验有提高的空间。
 
       根据近两年的实施经验,云桌面实施具有很强的技术要求,实施企业必须熟悉企业的应用场景,针对不同的应用场景,部署不同的应用配置。同时,针对汽车研发企业,由于应用软件较多,在实施云桌面工作中,一定要做好前期的测试和调研工作,掌握哪些软件能够在云桌面部署,哪些软件不支持云桌面,做到心中有数。第三,CAE软件涉及到后台计算应用,云桌面的部署一定需要与HPC配合好,并且从控制程序端限制用户不能在云桌面上进行求解工作,否则,一个用户占用了大量的云桌面资源,会导致其它用户的体验变差。
 
       在汽车行业研发部门,大量设计工作当前以CAD、CAE工作为主,电控开发逐步在发展中。通过某企业实施应用经验,企业大部分工业软件许可为网络浮动许可,且许可资源有限,设计人员大部分工作需要依托云桌面开展CAD和CAE设计,从用户体验、资源应用和IT维护等多个维度考虑,共享云桌面更适合汽车行业研发部门应用。
 
       云桌面平台作为未来IT架构的发展趋势,将会在未来几年在各行各业得到广泛应用,瘦客户机将逐步取代传统PC成为新的终端形式,从而有效提高企业数据的安全性,降低运维成本。而汽车企业基于自身的特点,需要充分认识云计算平台的优缺点,因地制宜地开展云计算平台部署及应用。
责任编辑:程玥
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