楊 敏， 關(guān)偉豪， 朱 敏

(1. 中山大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)中心, 廣東 廣州 510275; 2. 國防科技大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

面向超級計算中心的運營管理支撐平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

楊 敏1， 關(guān)偉豪1， 朱 敏2

(1. 中山大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)中心, 廣東 廣州 510275; 2. 國防科技大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

超級計算能力和應(yīng)用水平關(guān)乎一個國家或地區(qū)在信息技術(shù)領(lǐng)域國際競爭的成敗,要著力突破制約中心運營和發(fā)展的內(nèi)外部技術(shù)瓶頸,建立支撐超級計算中心良性循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的創(chuàng)新運營模式和智能運營環(huán)境,存在著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。針對實現(xiàn)這個目標(biāo),探討建立支持多租戶運營模式、用戶服務(wù)相互隔離、資源可動態(tài)靈活配置、用戶數(shù)據(jù)相互隔離、支持隱私保護(hù)、支持用戶任務(wù)的高可用性的面向超級計算中心的運營管理支撐平臺。

超級計算中心； 運營管理； 多租戶

建設(shè)廣州超級計算中心是國家十二五“863”重大科技項目、廣州市科技一號工程,由廣東省政府、廣州市政府、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中山大學(xué)4方共建,建設(shè)峰值計算速度每秒11億億次的“天河二號”超級計算機(jī)系統(tǒng),全系統(tǒng)計劃2015年投入運行。超級計算中心大樓選址在廣州大學(xué)城的中山大學(xué)東校區(qū)內(nèi),目前已完成一期工程建設(shè)[1-3]。

為了做好廣州超級計算中心的運維管理工作,先行搭建先導(dǎo)系統(tǒng),并通過先導(dǎo)系統(tǒng)的運行,探索超級計算中心運營模式創(chuàng)新思路,為下一步建立和運營國家級超級計算中心奠定堅實的硬實力工作基礎(chǔ)。在超級計算先導(dǎo)系統(tǒng)上建設(shè)實施面向超級計算中心的運營管理支撐平臺,既是推進(jìn)先導(dǎo)運營的科技計劃,也是先期建設(shè)超級計算中心軟實力的技術(shù)實施方案[4-5]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

超級計算中心從建成開始面臨最大的問題就是如何提升用戶服務(wù)質(zhì)量和水平。作為超級計算中心運營管理部分的核心內(nèi)容,多租戶資源分配管理需要考慮3個關(guān)鍵問題:資源共享機(jī)制,減少每個租戶的硬件、軟件和管理成本;隔離機(jī)制,防止租戶之間的非法訪問、沖突和干擾;定制機(jī)制,通過配置方法支持與租戶相關(guān)的UI、訪問控制、數(shù)據(jù)模型[6]。

面向超級計算中心的運營管理支撐平臺作為支持多租戶并發(fā)使用超級計算機(jī)資源的基礎(chǔ)性設(shè)施,包括支撐平臺、個性化增強(qiáng)模塊、高可用增強(qiáng)模塊、運維管理模塊以及應(yīng)用服務(wù)模塊,構(gòu)成一個智慧計算支撐環(huán)境,支持多用戶同時使用超算資源時的靈活性、安全性和高可用性。主要開發(fā)實現(xiàn)的內(nèi)容包括:支持多租戶運營模式的智慧計算支撐環(huán)境,包括支撐平臺的個性化支撐技術(shù)、支撐平臺的高可用增強(qiáng)、運維管理機(jī)制與面向超級計算關(guān)鍵應(yīng)用負(fù)載特性研究;研究超級計算中心的運營機(jī)制。運營管理支撐平臺總體架構(gòu)見圖1。

圖1 運營管理支撐平臺總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1 智慧計算支撐平臺

2.1.1 高性能隔離域子系統(tǒng)

高性能隔離域技術(shù)向用戶提供了構(gòu)筑獨立運行環(huán)境的支持。通過該運行環(huán)境,操作系統(tǒng)支持用戶可以按照自己的意愿靈活配置。高性能隔離域技術(shù)采用操作系統(tǒng)層虛擬化技術(shù),通過在一個操作系統(tǒng)上構(gòu)建出多個獨立的用戶運行環(huán)境,實現(xiàn)了在一個操作系統(tǒng)內(nèi)核上同時運行多個相互獨立的高性能虛擬機(jī)的目標(biāo),同時保證了系統(tǒng)性能基本無損。系統(tǒng)提供通用的虛擬計算環(huán)境,支持專用虛擬計算環(huán)境定制。為了減小性能損耗,為用戶提供性能無損的計算服務(wù),采用了環(huán)境提取和基于路徑轉(zhuǎn)換的快速計算環(huán)境構(gòu)建技術(shù),通過文件目錄樹的切換在計算結(jié)點上快速構(gòu)建與前端一致的用戶運行環(huán)境。

2.1.2 資源管理與調(diào)度子系統(tǒng)

資源管理與調(diào)度子系統(tǒng)的基本功能是接受來自用戶的資源請求,并且把特定的資源分配給資源請求者。合理地調(diào)度相應(yīng)的資源,使請求資源的作業(yè)得以運行。該系統(tǒng)應(yīng)提供4種基本的服務(wù)，即資源發(fā)現(xiàn)、資源分發(fā)、資源存儲和資源的調(diào)度。資源發(fā)現(xiàn)和資源分發(fā)提供相互補(bǔ)充的功能,資源分發(fā)由資源啟動且提供有關(guān)機(jī)器資源的信息或一個源信息資源的指針并試圖去發(fā)現(xiàn)能夠利用該資源的合適的應(yīng)用。而資源發(fā)現(xiàn)由網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用啟動并在云計算中發(fā)現(xiàn)適于本應(yīng)用的資源。資源分發(fā)和資源發(fā)現(xiàn)以及資源存儲是資源調(diào)度的前提條件,資源調(diào)度實施把所需資源分配到相應(yīng)的請求上去,包括通過不同結(jié)點資源的協(xié)作分配。

2.2 個性化增強(qiáng)機(jī)制

2.2.1 云平臺虛擬鏡像管理技術(shù)

虛擬機(jī)鏡像在云平臺上是統(tǒng)一管理的,云平臺鏡像管理技術(shù)涉及到幾個方面的關(guān)鍵問題。

(1) 虛擬機(jī)鏡像模板化。為了管理需要,云平臺虛擬機(jī)應(yīng)采用模板化的方法,這是指虛擬系統(tǒng)須預(yù)先完成系統(tǒng)安裝和制作,保存為可用的鏡像模板。

(2) 虛擬機(jī)運行實例化。云平臺對虛擬機(jī)的管理采用了不同于一般虛擬化軟件的方法,即在每次啟動虛擬系統(tǒng)時,使用的虛擬機(jī)鏡像只是虛擬機(jī)鏡像模板的一個副本,它是模板化的虛擬機(jī)鏡像的一份拷貝。運行中的虛擬機(jī)作為一個實例,具有臨時性,當(dāng)虛擬機(jī)任務(wù)結(jié)束后,實例對應(yīng)的鏡像隨之銷毀。

(3) 虛擬機(jī)實例IP動態(tài)綁定。因為虛擬機(jī)鏡像模板化和實例化的原因,虛擬機(jī)系統(tǒng)IP并不能夠在啟動虛擬機(jī)前動態(tài)決定,而是在虛擬系統(tǒng)實例啟動的過程中動態(tài)決定并分配。

2.2.2 支持應(yīng)用快速部署的應(yīng)用虛擬化

當(dāng)計算中心向外提供虛擬主機(jī)服務(wù)時,面臨的一個重要問題是海量應(yīng)用以及來自不同用戶對于應(yīng)用需求的多樣化的問題,應(yīng)用軟件的數(shù)量是海量的。系統(tǒng)深入分析應(yīng)用軟件的封裝技術(shù),支持應(yīng)用的自洽打包成可自由移動的軟件部署包;實現(xiàn)軟件的按需加載策略,使無需通地冗余的方式加載資源,有效提高資源利用;對應(yīng)用軟件將其作為資源在后臺進(jìn)行統(tǒng)一管理,在需求改變的情形下只需在后臺進(jìn)行重新配置,提高了管理能力和軟件的部署效率。實現(xiàn)將研究應(yīng)用軟件在實際物理地址的映射關(guān)系到邏輯服務(wù)名字空間的映射策略,支持服務(wù)的全局命名。實例之間只知道對方的邏輯地址,相互連接前都要詢問該中心獲得真實的IP地址,然后才能進(jìn)行連接通訊。當(dāng)通訊失敗后,需要再重新去命名中心詢問該邏輯名對應(yīng)的新物理地址,再重新連接。

2.2.3 桌面虛擬化

在私有云條件下,計算中心對用戶提供遠(yuǎn)程的以虛擬化為基礎(chǔ)的主機(jī)系統(tǒng)服務(wù)。遠(yuǎn)程操作具體有2種方式:一是用戶通過命令終端進(jìn)行操作,二是通過遠(yuǎn)程桌面進(jìn)行圖形化的操作。一般情況下,在類Linux系統(tǒng)環(huán)境下普遍使用命令終端的操作,在Windows系統(tǒng)則采用Windows遠(yuǎn)程桌面連接的方式。

從最終用戶體驗出發(fā),以圖形化為特點的桌面操作方式具有人性化的特點,使用戶獲得更好的人機(jī)交互體驗。在私有云條件下構(gòu)建遠(yuǎn)程桌面系統(tǒng)能夠有效提升用戶體驗,從而提升計算中心的服務(wù)水平。

2.3 高可用增強(qiáng)機(jī)制

2.3.1 系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)

超級計算機(jī)系統(tǒng)規(guī)模大,軟硬件部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜;同時根據(jù)單個部件的故障概率計算,全系統(tǒng)發(fā)生故障的概率相對提高,在這種復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境下,定位、恢復(fù)系統(tǒng)故障對系統(tǒng)管理員的工作量和工作難度都是很大的挑戰(zhàn),因此有效的監(jiān)控管理軟件是確保系統(tǒng)正常運行和提高維護(hù)保障的重要軟件系統(tǒng)。

超級計算中心監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)包括3個層次的組件:應(yīng)用服務(wù)運行狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)性能監(jiān)控與調(diào)優(yōu)工具以及硬件平臺監(jiān)控。一方面該系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)潛在的錯誤并及時通報給運維工程師,另一方面該系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集系統(tǒng)運行參數(shù),為進(jìn)一步的系統(tǒng)調(diào)優(yōu)提供真實可靠的數(shù)據(jù)。

2.3.2 應(yīng)用服務(wù)的高可用技術(shù)

超級計算機(jī)系統(tǒng)的高可用性可以通過檢測節(jié)點或服務(wù)進(jìn)程故障和正確地重置系統(tǒng)來實現(xiàn),使系統(tǒng)收到的請求能被存活的結(jié)點處理。通常,我們在調(diào)度器上有資源監(jiān)測進(jìn)程來時刻監(jiān)視各個服務(wù)器結(jié)點的健康狀況。當(dāng)服務(wù)器對ICMP ping不可達(dá)時或者探測其網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在指定的時間沒有響應(yīng)時,資源監(jiān)測進(jìn)程通知操作系統(tǒng)內(nèi)核將該服務(wù)器從調(diào)度列表中刪除或者失效。這樣,新的服務(wù)請求就不會被調(diào)度到故障結(jié)點。資源監(jiān)測進(jìn)程能通過電子郵件或傳呼機(jī)向管理員報告故障。一旦監(jiān)測進(jìn)程到服務(wù)器恢復(fù)工作時,即通知調(diào)度器將其加入調(diào)度列表進(jìn)行調(diào)度。另外,通過系統(tǒng)提供的管理程序,管理員可發(fā)命令隨時將新機(jī)器加入服務(wù)來提高系統(tǒng)的處理性能,也可以將已有的服務(wù)器切出服務(wù),以便對服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。

2.4 應(yīng)用服務(wù)技術(shù)

2.4.1 高性能計算門戶

高性能計算門戶是用戶使用高性能計算資源的統(tǒng)一訪問接口,基于portlet技術(shù),以服務(wù)方式為用戶提供安全方便的訪問各類高性能計算資源的途徑。門戶框架主要由安全服務(wù)、遠(yuǎn)程應(yīng)用管理、個性化用戶界面定制等[7]。

(1) 安全服務(wù)。基于安全保護(hù)平臺提供的認(rèn)證機(jī)制,門戶將建立單一登錄功能,用戶通過Web瀏覽器使用用戶名/密碼登錄高性能計算門戶后,門戶將在用戶的整個會話期內(nèi)為用戶管理證書,基于證書映射的角色為用戶提供細(xì)粒度的高性能計算資源和高性能計算服務(wù)訪問控制。

(2) 個性化用戶界面定制。給行使不同角色的用戶賦予不同的資源和服務(wù)視圖,保證資源和服務(wù)的安全運行,同時也給不同用戶提供特定的應(yīng)用體驗。

(3) 遠(yuǎn)程應(yīng)用管理?；赪eb的遠(yuǎn)程應(yīng)用管理功能是對高性能計算作業(yè)進(jìn)行在線管理,方便用戶監(jiān)控自己的應(yīng)用作業(yè)。用戶使用發(fā)布出來的在線高性能應(yīng)用服務(wù)提交高性能計算作業(yè),對于在線的應(yīng)用管理分為3個部分:作業(yè)提交管理、作業(yè)詳細(xì)信息管理、作業(yè)列表管理。

2.4.2 應(yīng)用服務(wù)封裝與管理

通過深入分析主流的開源和商用大型科學(xué)與工程計算軟件的應(yīng)用模式,提取出軟件的應(yīng)用服務(wù)封裝的一般化方法,在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)部分軟件的基于Web技術(shù)的應(yīng)用服務(wù)封裝,為用戶提供更加直觀、易用的基于Web的應(yīng)用使用方式。具體包括應(yīng)用界面與應(yīng)用核心的分離、應(yīng)用界面的Web服務(wù)封裝和封裝模板管理、應(yīng)用Web服務(wù)發(fā)布[8]。

2.4.3 數(shù)據(jù)管理服務(wù)

計算數(shù)據(jù)是用戶開展高性能計算的基礎(chǔ),也是用戶的核心知識產(chǎn)權(quán)所在,因此提高數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用效率具有非常重要的意義。傳統(tǒng)的高性能計算機(jī)提供大量命令行操作進(jìn)行數(shù)據(jù)管理,需要掌握較為復(fù)雜的操作系統(tǒng)命令和文件系統(tǒng)應(yīng)用知識,而且隨著應(yīng)用數(shù)量的不斷增長,數(shù)據(jù)存儲量快速增長、目錄結(jié)構(gòu)更加龐大和復(fù)雜,對用戶而言其數(shù)據(jù)管理的難度越來越大。因此本項目將首先深入分析廣州超級計算中心超級計算機(jī)的文件系統(tǒng)的管理和應(yīng)用模式,采用Web服務(wù)技術(shù)封裝文件和目錄操作,形成一套基本的基于Web的常用數(shù)據(jù)操作工具;然后設(shè)計一套用戶作業(yè)與計算數(shù)據(jù)之間的生產(chǎn)和消費管理機(jī)制和方法,建立面向應(yīng)用項目的數(shù)據(jù)管理模式;最后參考Windows資源管理器的風(fēng)格,基于Web的數(shù)據(jù)操作工具,采用面向應(yīng)用項目的數(shù)據(jù)管理模式,設(shè)計實現(xiàn)基于Web的計算數(shù)據(jù)管理服務(wù),對不同用戶、不同應(yīng)用的作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的管理。

2.5 運營管理機(jī)制

2.5.1 運維管理平臺

高性能計算服務(wù)管理平臺的IT服務(wù)管理組織架構(gòu)分為2部分:服務(wù)管理(IT前臺)與服務(wù)支持(IT后臺)。IT前臺直接面向用戶,通過服務(wù)目錄向用戶提供服務(wù)功能列表,通過服務(wù)需求管理、關(guān)系管理、服務(wù)發(fā)布管理等,能夠為用戶提供更加體貼的服務(wù)。IT 后臺在服務(wù)臺、事件管理和問題管理的基礎(chǔ)上,基于ITIL建立變更管理、發(fā)布管理、可用性管理、能力管理等等服務(wù)流程,能夠進(jìn)一步完善IT服務(wù)管理流程,提高服務(wù)支持的風(fēng)險防范能力。

2.5.2 資源審計與服務(wù)計費系統(tǒng)

資源審計與服務(wù)計費子系統(tǒng)能夠精確和可靠地采集服務(wù)資源的各種指標(biāo)數(shù)據(jù),并根據(jù)一定的計費算法計算出所提供服務(wù)資源的費用,或者預(yù)測服務(wù)可能收費,并將這些信息展示給用戶和云服務(wù)的提供商。同時,結(jié)合第三方平臺提供便捷的支付手段。此外,安全和保密措施也是云服務(wù)計費平臺的重要內(nèi)容。其主要內(nèi)容包括[9]:

(1) 計費系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)。計費系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)主要包括賬號管理、安全審計、鑒權(quán)認(rèn)證、費用查詢功能以及第三方的支付平臺接口。

(2) 硬件服務(wù)計費。硬件資源采集的數(shù)據(jù)主要有CPU占用率、存儲空間大小、存儲訪問次數(shù)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)訪問出入流量。這些數(shù)據(jù)的組合,可以形成多種形式的收費算法,如服務(wù)器費用按需后付費、帶寬費用按流量后付費;服務(wù)器費用包時預(yù)付費等。計費平臺除了支持上述基本的計費算法以外,還能夠支持各種靈活的優(yōu)惠措施算法。

(3) 軟件服務(wù)計費。針對超級計算關(guān)鍵業(yè)務(wù)軟件應(yīng)用部分,計算相關(guān)費用。其中包括按組件的固定收費,以及跟用戶數(shù)、在線用戶數(shù)相關(guān)的浮動收費等傳統(tǒng)軟件的計費方式。此外,還有根據(jù)用戶交易次數(shù)進(jìn)行計費、根據(jù)云計算特有的計費方式,這就要求軟件服務(wù)計費同樣需要數(shù)據(jù)采集的功能。因為云計算的特點,要求軟件資源的計費同樣具有彈性,可以按照用戶的需要隨時調(diào)整軟件資源的數(shù)量。

2.5.3 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能夠?qū)合到y(tǒng)的使用情況進(jìn)行系統(tǒng)的分析,主要包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計系統(tǒng)和用戶數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)將從系統(tǒng)的CPU、內(nèi)存、節(jié)點隊列、用戶作業(yè)的規(guī)模、用戶的機(jī)時統(tǒng)計及其他定制分析等方面入手,實現(xiàn)對大規(guī)模的高性能計算機(jī)的整體應(yīng)用及性能的分析。

(1) 系統(tǒng)分析統(tǒng)計系統(tǒng)。系統(tǒng)分析統(tǒng)計系統(tǒng)將分為實時分析和歷史分析2個部分,主要是通過對系統(tǒng)各項指標(biāo)(主要包括CPU、內(nèi)存、節(jié)點隊列等)在指定的一段時間內(nèi)的使用情況進(jìn)行分析,通過實時使用率和歷史平均使用率來了解系統(tǒng)在不同時段的使用狀況,以此來對系統(tǒng)中的資源分配及節(jié)點隊列進(jìn)行調(diào)整,保證資源的合理利用。

(2) 用戶數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計系統(tǒng)。用戶數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計系統(tǒng)主要是通過多角度的數(shù)據(jù)挖掘,對用戶使用系統(tǒng)的情況進(jìn)行統(tǒng)計,同時為用戶提供查詢各項指標(biāo)的功能。該系統(tǒng)主要分為用戶機(jī)時統(tǒng)計、用戶作業(yè)規(guī)模的機(jī)時統(tǒng)計、商業(yè)軟件機(jī)時統(tǒng)計3個部分,分析不同用戶的作業(yè)規(guī)模機(jī)時使用情況及各種商業(yè)軟件機(jī)時使用情況,為后期資源分配調(diào)整、軟件升級更新提供了全面的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 特色與創(chuàng)新點

本系統(tǒng)平臺將作為廣州超級計算中心十億億次超級計算機(jī)系統(tǒng)的配套項目,實際支撐廣州超級計算中心的運營,并具有以下特色和創(chuàng)新點[10-12]:

(1) 支持多租戶對超級計算資源的隔離使用。支持多個用戶同時透明使用超級計算資源,超級計算中心為用戶構(gòu)建相互隔離的運行環(huán)境,實現(xiàn)資源隔離、性能隔離、故障隔離,并支持用戶數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)。

(2) 基于虛擬化技術(shù)的多租戶的個性環(huán)境構(gòu)建技術(shù)?；谔摂M化技術(shù),支持用戶對私有智慧計算環(huán)境的個性化部署需求。依據(jù)用戶需求加載特定軟件,動態(tài)部署用戶的個性環(huán)境,配置靈活。

(3) 支持運營策略靈活配置的資源審計機(jī)制。支撐平臺具有帶內(nèi)和帶外監(jiān)控功能,支持對節(jié)點、CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬、存儲容量等多屬性的監(jiān)控,實現(xiàn)對用戶所用資源的豐富審計,支持管理員對運營策略的靈活配置,從而支持超級計算中心的運營需求。

References)

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[12] 國家超級計算廣州中心[EB/OL].http://www.nscc-gz.cn,2014.

Design and implementation of operation and management support platform for supercomputing center

Yang Min1, Guan Weihao1, Zhu Min2

(1. School of Network and Information Technology Center,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275, China;2. School of Computer Science,National University of Defense Technology,Changsha 410073, China)

Supercomputing capability and application level are related to a country or region to participate in international competition,the success or failure in the field of information technology. This paper focuses on internal and external technical bottleneck restricting the operation and development,establishes innovative operation mode and intelligent operating environment support supercomputing center virtuous cycle and sustainable development which are serious challenges.Based on these goals,this paper discusses the implementation of the operation and management support platform for supercomputing center.This platform supports the multi-tenant operation mode,customer service isolated,resources which can be dynamic and flexible configuration,user data isolated from each other,privacy protection and high availability of user tasks.

supercomputing center; operation and management; multitenant

2014- 12- 21 修改日期：2015- 01- 08

廣州市科技項目(2012Y2-00041；2013Y2-00044)

楊敏(1979—)，女，浙江海寧，碩士，工程師，研究方向為高性能計算系統(tǒng)架構(gòu)，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu).

E-mail：yangmin@mail.sysu.edu.cn

TP308

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1002-4956(2015)6- 0243- 04