云计算与航天科研制造协同应用研究
云计算与航天科研制造协同应用研究
郑海洋
（数据通信科学技术研究所北京 100191）摘要：本文主要探讨云计算与航天科研制造领域的结合，阐述在云计算模型下航天科研制造协同系统的体系架构、关键技术、业务应用和部署实施方案。
关键词：云计算，IaaS，DaaS，PaaS,SaaS,SOA
1引言
云计算是一种IT资源的交付和使用模式，指通过网络按需、易扩展的方式获得所需的资源（硬件、平台、软件及服务等）。云计算的“云“一般就是存在网络上的服务器集群上的资源，它包括硬件资源（服务器、存储器、CPU等）和软件资源（如应用软件、集成开发环境等）。云计算主要包括：基础设施即服务（IaaS）、数据存储即服务（DaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）、“云安全”和虚拟化应用等内容。
云计算由并行计算、分布式计算、网格计算发展演进，但又有所区别。自云计算概念2007年正式提出以来，各类云计算相关应用迅猛发展。Google、IBM、亚马逊、微软等厂商都提出相应的云计算解决方案，虽然目前各类厂商采用的技术方案不同，但都能体现云计算数据统一管理，提供可以伸缩的计算能力，灵活提供各种软件服务的优势，因而获得迅猛发展，引起新一轮的信息技术创新革命。
随着云计算应用广泛深入发展，云计算和各类行业应用结合，为行业信息化建设和信息系统融合带来新的契机。本文主要探讨云计算与航天科研制造领域的结合，阐述在云计算模型下航天科研制造协同系统的体系架构、关键技术、业务应用和部署实施方案。
2航天科研制造协同应用现状与趋势
2.1 航天科研制造协同应用现状
50多年来，我国的航天科技工业一直坚持走中国特色的自主创新道路，从一片空白到跻身于世界先进行列，走过了波澜壮阔、光辉灿烂的发展历程，创造了以“两弹一星”和载人航天为代表的辉煌成就，不仅增强了国家经济实力、科技实力和国防实力，也为维护国家安全、促进经济发展、推动社会进步做出了巨大的贡献。多年来，信息化建设已经成为航天科技企业完成科研生产任务、实现发展目标的重要手段和途径，促进了航天科技工业能力的提升。当前，顺应制造业信息化技术“集成与协同”的发展趋势，将信息技术与型号研制业务过程充分融合，构建面向产品全生命周期的数字化综合能力平台，已经成为实现航天产品进
行协同研制生产、加快新一代航天核心技术的形成、提高核心竞争力的迫切需要和必然选择。
多年来航天科技工业先后建设多套信息系统，分别应用于航天科研、制造、试验保障、办公协同管理等方面。在航天科研方面采用CAD软件应用于航天产品型号的科研设计；采用PDM系统管理航天科研的数据和工作流。在制造方面采用COSIM虚拟样机工程研发平台和A VIDM框架软件CAPP/CAM快速集成制造；在试验保障方面建立多套指挥调度系统，视频监控系统；在办公系统方面，各航天单位分别建设了办公自动化系统，包括信息发布，即时通信、邮件服务器、文件服务器FTP等。
航天科研制造系统应用显著提高了产品研制和集成制造协同水平，有力的推动了航天科研制造的信息化。但各套系统建设普遍存在规划分段、目标变换、系统各异、孤岛不断、投资重复等方面的不足，这种应用现状造成系统的基础设施不能共享，各种软件平台不能完全融合。用户端程序复杂，需要安装各种不同的软件，需要定期升级软件。
2.2 航天科研制造协同应用发展趋势
航天科技工业确定了“发展数字航天，铸造国际一流宇航公司”的宏伟目标”，大力推进信息化建设，提升航天产品科研制造协同能力。航天科研制造协同应采用战略规划、分布实施、顶层设计、全周期覆盖、内容明确、框架清晰策略，进行全面规划和设计。从系统工程原理出发，以整体理念为核心，在状态分析的前提下，构筑以科研、制造和管理协同改进为主体的动态优化、集成发展的框架结构，使科研、制造、试验保障、管理等要素发挥最大效能，提高系统的整体竞争力和整体优势，实现系统的良性循环和整体发展。
3云计算与航天科研制造协同融合
航天科研制造领域迫切需要解决投资重复建设，资源利用率低；平台繁杂不统一，科研和制造跨学科、跨地域协同工作与信息共享困难等问题。另一方面云计算技术提出硬件、平台、软件和服务等资源，资源可以通过网络根据需要进行动态扩展和配置。云中资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展。云计算希望解决资源利用率低、计算能力不足和成本的问题，一经提出就得到了产业界的支持和广泛推动，解决了困扰行业信息化深入发展融合等问题，因而短短几年云计算发展迅猛，如火如荼。云计算技术能够解决航天科研制造协同和信息化过程中的主要问题，迎合了行业发展需求，因而云计算与航天科研制造协同融合也就顺理成章和水到渠成。
3.1 构建适合航天科研制造协同的私用云
云计算主要有公共云、私有云和混合云三种类型。公共云是由第三方（供应商）提供的云服务。无论是软件、应用程序基础结构，还是物理基础结构，云提供商都负责安装、管理和维护。它是一种对公众开放的云服务，能支持数目庞大的请求，而其因为规模的优势，成本偏低。公有云优势在于规模大、价格低廉、灵活和功能全面。但是公有云数据在安全方面，缺乏信任，由于其存储数据的地方并不在企业本地，所以不可避免的存在数据安全性的问题。与公有云相比，私有云主要为企业内部提供云服务，在企业防火墙能内工作，能对数据、安全性和服务质量进行有效的控制。混合云就是把公有云和私有云结合在一起的方式，即它是让用户在私有云的私密性和公有云灵活的低廉之间做一定权衡的模式。但是现在可供选择的混合云产品较少，而其在私密性方面不如私有云号，在成本方面也不如公有云低，并且操作复杂，因而应有很少。
航天科技工业是国家重要的战略性产业，是国民经济建设的重要组成部分，肩负着建立强大国防和为国民经济服务的双重战略任务。航天科研制造协同对数据信息和应用服务有极高的安全性要求，因而与云计算融合，不能采用公有云的方式，将数据信息放在第三方云服务提供商之处；采用私用云方式比较适合航天科研制造协同信息化的要求。构建适合航天科研制造协同的私有云，虽然需要较高的初始成本，但是能够充分利用现有硬件资源，支持定制和遗留应用，能够实现航天现有硬件和软件设施向云计算模式下迁移部署的平滑过渡，从而最大限度的保护用户投资。
3.2 云计算优势
航天科研制造协同应用与云计算融合后，可以构建一个统一的底层IT基础架构，可以提供快速以及灵活的计算力、存储、软件，以及安全服务，以满足航天科研制造协同的要求。
具体来讲，有以下方面有点：
1.提高了系统利用率。
云计算提供资源共享，采用虚拟化技术，并具备负载平衡能力，让资源得到充分利用。
2.自动分配、供应、管理。
云计算采用的自动化管理软件，对于应用软件和运行系统进行自动化管理，从而减少人力管理，促使管理简单化，降低了人力成本和管理成本。
3.提高了IT灵活性。
采用自助的方式，根据需要选择操作系统、选择软件、选择内存、存储、CPU，自动配置后投入使用，在不需要的时候或者业务发展方向有所改变的时候，
可以释放或者重新选择。
4基于云计算的航天科研制造协同体系架构与关键技术
4.1 云计算体系架构
基于云计算的航天科研制造协同体系架构由四层组成，包括物理资源层、资源池层、中间件管理层和SOA构建层，如图1所示。
图1 基于云计算的航天科研制造协同体系架构图物理资源层主要有计算机（服务器）、存储器和网络设施、数据库和软件组成。在传统航天科研制造协同系统中，各系统物理资源大都有各系统独享，而且按照最大负荷使得峰值配置服务器的资源容量。例如科研制造过程中，往往在系统联调阶段需要大量的CPU和内存资源，但平时可能不需要那么大的处理能力。这样闲置的计算能力非常庞大。采用云计算架构，在物理资源层可以进行统一规划，使整个系统具有动态分配资源的能力。
资源池层采用虚拟化技术，将各种计算及存储资源充分整合和高效利用，包括计算资源池、存储资源池、网络资源池、数据资源池和网络资源池等部分，采用虚拟化层，航天科研制造打破以往数据中心、服务器、存储、网络数据和应用
的物理设备的划分，实现架构动态化，并达到集中管理和动态使用物理资源及虚拟资源，以提高系统结构的弹性和灵活性。
中间件管理层负责资源管理、任务管理、用户管理和安全管理等工作。资源管理负责均衡地使用云资源节点，检测节点的故障并试图恢复或屏蔽之，并对资源的使用情况进行监视统计；任务管理负责执行用户或应用提交的任务，包括完成用户任务映象(Image)的部署和管理、任务调度、任务执行、任务生命期管理等等；用户管理是实现云计算商业模式的一个必不可少的环节，包括提供用户交互接口、管理和识别用户身份、创建用户程序的执行环境、对用户的使用进行计费等；安全管理保障云计算设施的整体安全，包括身份认证、访问授权、综合防护和安全审计等。
SOA构建层将云计算能力封装成标准的Web Services服务，并纳入到SOA 体系进行管理和使用，包括服务注册、查找、访问和构建服务工作流等。管理中间件和资源池层是云计算技术的最关键部分，SOA构建层的功能更多依靠外部设施提供。
4.2 云计算关键技术
云计算是分布式处理、并行计算和网格计算等概念的发展和商业实现，其技术实质是计算、存储、服务器、应用软件等IT软硬件资源的虚拟化，云计算在虚拟化、数据存储、数据管理、编程模式等方面具有自身独特的技术。云计算的关键技术包括以下几个方向：
虚拟机技术
虚拟机，即服务器虚拟化是云计算底层架构的重要基石。在服务器虚拟化中，虚拟化软件需要实现对硬件的抽象，资源的分配、调度和管理，虚拟机与宿主操作系统及多个虚拟机间的隔离等功能，目前典型的实现（基本成为事实标准）有Citrix Xen、VMware ESX Server 和Microsoft Hype-V等。
数据存储技术
云计算系统需要同时满足大量用户的需求，并行地为大量用户提供服务。因此，云计算的数据存储技术必须具有分布式、高吞吐率和高传输率的特点。目前数据存储技术主要有Google的GFS（Google File System，非开源）以及HDFS （Hadoop Distributed File System，开源），目前这两种技术已经成为事实标准。
数据管理技术
云计算的特点是对海量的数据存储、读取后进行大量的分析，如何提高数据的更新速率以及进一步提高随机读速率是未来的数据管理技术必须解决的问题。云计算的数据管理技术最著名的是谷歌的BigTable数据管理技术，同时Hadoop 开发团队正在开发类似BigTable的开源数据管理模块。
分布式编程与计算
为了使用户能更轻松的享受云计算带来的服务，让用户能利用该编程模型编写简单的程序来实现特定的目的，云计算上的编程模型必须十分简单。必须保证后台复杂的并行执行和任务调度向用户和编程人员透明。当前各IT厂商提出的“云”计划的编程工具均基于Map-Reduce的编程模型。
虚拟资源的管理与调度
云计算区别于单机虚拟化技术的重要特征是通过整合物理资源形成资源池，并通过资源管理层（管理中间件）实现对资源池中虚拟资源的调度。云计算的资源管理需要负责资源管理、任务管理、用户管理和安全管理等工作，实现节点故障的屏蔽，资源状况监视，用户任务调度，用户身份管理等多重功能。
云计算的业务接口
为了方便用户业务由传统IT系统向云计算环境的迁移，云计算应对用户提供统一的业务接口。业务接口的统一不仅方便用户业务向云端的迁移，也会使用户业务在云与云之间的迁移更加容易。在云计算时代，SOA架构和以Web Service 为特征的业务模式仍是业务发展的主要路线。
云计算相关的安全技术
云计算模式带来一系列的安全问题，包括用户隐私的保护、用户数据的备份、云计算基础设施的防护等，这些问题都需要更强的技术手段，乃至法律手段去解决
5实施部署方案
基于云计算的航天科研制造协同方案，是一个逐步演进的长期过程。目前航天科研制造已经部署了多种信息化系统，广泛应用于科研、制造、试验和管理领域，因此要按照统一规划、统一标准、统一框架、统一步伐的指导思想，在总体框架的规范下，继续完善集团公司管理信息化建设总体方案，做好规划指导和顶层设计。大致分为以下阶段：
第一步，数据中心的整合集中、标准化和优化。比如，航天科研制造过去建立的数据中心是根据不同的应用有不同的服务器和存储，怎样把这些服务器、存储架构实现异构，或者是让它能够分享，这样能够提高数据中心资源利用的效率。
第二步是通过虚拟、存储、SOA等手段，做到整个数据中心的优化。
第三步时间里一个有弹性、动态的IT基础架构，在企业需要的时候，IT资源能够可以随时增加或者减少。
增加（图例）。
6总结与展望
航天科研制造是一项复杂的工程，具有的分布性、协同性、复杂性和多学科性的特点。云计算技术希望解决资源利用率低、计算能力不足和成本的问题，云计算技术能够解决航天科研制造协同和信息化过程中的主要问题，迎合了行业发展需求，因而云计算与航天科研制造协同融合也就顺理成章和水到渠成。
本文主要探讨了云计算下航天科研制造协同的体系架构和关键技术，并阐明航天科研制造协同迁移到云计算架构的实施步骤。云计算技术涉及的关键技术很多，目前学术界和产业界对于云计算还有不同的理解，实施方案也不尽相同。因此航天科研制造向云计算架构迁移，还应紧密跟踪云计算最新技术发展趋势。另外，云计算的安全问题，本文并未深入阐述，而航天科研对于数据和业务安全有很高要求，如何解决云计算架构数据中心的信任问题和业务安全，也有待进一步深入研究。
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作者简介：
郑海洋，数据通信科学技术研究所视讯业务部，
工程师，研究方向多媒体通信技术与视讯会议
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