| 出版日期：2004-07-05 总期号：1327 本年期号：48 |
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营造高效企业计算环境
——透视企业计算机的应用现状及发展趋势 中国科学院计算技术研究所 韩晓明 许鲁 随着企业信息化进程的进一步深入和发展，计算机在企业中的应用越来越广泛，而企业对计算机的依赖性则越来越强。目前在很多在企业中仍然采用传统的台式机以及原有的方式来进行管理，但形势逐渐有了一些变化： ● 员工用电脑处理越来越多的事务； ● 应用程序变得越来越庞大和复杂； ● 桌面帮助的需求总量在逐年增加； ● 停机时间降低了员工的生产力，增加了企业成本； ● 计算机出了问题以后，经常需要几个小时的时间等待技术支持。 随之而来的是计算机系统的管理复杂、维护不便、升级困难等一系列问题逐渐暴露。尤其当计算机的数量越来越多，计算机系统规模越来越庞大的时候，这个问题更加突出。从而导致企业在计算机系统上所花费的总拥有成本（TCO）越来越高。 计算机系统的TCO包括：计算机硬件和软件的原始采购成本、硬件和软件的升级、维护、技术支持、培训等。据估计，企业中采用的传统计算机的TCO大概是实际采购成本的3～4倍。可见降低TCO的关键是有效地降低硬件和软件的升级、维护和技术支持费用。 面向企业应用的计算机系统 为了降低计算机系统的TCO，近几年来计算机厂商进行了大量的努力，针对企业用途纷纷推出各自的计算机系统。其核心观念就是资源的集中管理。比较有代表性的几种方式有： 集中存储＋集中计算模式 这种模式最具代表性的是服务器＋Windows终端，系统结构如图1所示。这里说的Windows终端是一种哑终端，专门被设计用来运行Windows应用程序，通过网络连接到Windows NT服务器上。所有处理和数据存储都由服务器执行。终端本身没有处理能力，除了把用户的输入（键盘和鼠标移动）发送到服务器并把结果显示在显示屏幕上之外什么也不做。因为Windows NT不像UNIX那样是一个真正的多用户操作系统，所以Windows终端需要附加的软件支持。 集中存储＋半集中计算模式 这种架构的典型代表是服务器＋NC结构以及服务器＋网络PC结构。系统结构如图2所示。 NC最初是由Sun和Netscape提出来的一类设计用来在本地执行Java程序的计算机。NC不包含任何存储设备，所以它们必须连接到网络服务器上，由服务器来全权处理数据。然而，不像Windows终端，NC有一个微处理器，所以它们能在本地执行程序。只是因为处理能力有限，所以大部分应用仍然依靠网络服务器来运行。 服务器＋网络PC结构是一类由Microsoft和Intel联合设计的网络计算机。有时也把网络PC设计成缩水的PC，它们能够在本地执行Windows应用程序，但简化了网络连接和远程管理的特征。网络PC基于Wintel平台，配置尽可能地便宜，同时阻止用户擅自改变硬件配置（机箱被密封防止用户更换硬件）。这些机器都没有软盘驱动器和CD-ROM驱动器，但却拥有硬盘驱动器，作为临时cache提高性能，而不是永久的数据存储。网络PC的配置和管理通过网络服务器和零管理Windows（ZAW）系统进行。网络PC有时又叫做Net PC。 不论是NC还是Net PC，尽管客户端的体系结构有所不同，本地都有一定的处理能力，比如都内嵌网络浏览器，能处理简单的多媒体应用，但是在运行大型的应用时，仍然需要服务器的支持。从对服务器资源占用的角度来讲，两者并没有本质的区别。 集中存储＋分布式计算模式 以上两种系统都是采用一台服务器服务多个用户的方式，这样虽然降低了TCO，但用户所得到的计算能力却有所下降。新兴的企业用计算机系统则采用了每个终端用户独立使用一台计算机的方式。比较有代表性的有ClearCube公司提出的Blade PC和HP公司的CCI系统。 ClearCube的Blade PC系统 ClearCube的Blade PC系统框图如图3。ClearCube把企业用的上千台计算机做成了刀片（Blade）形状，集中到数据中心统一管理。每个刀片都配有自己的磁盘，运行自己的操作系统，通过网络连接到用户的桌面上。客户端有两种形式。其一实际就是一个NC，用以运行远程桌面协议(Remote Data Protocol -RDP)，通过普通的交换以太网络同Blade PC相连，把Blade PC上正在运行的应用程序在用户桌面的NC上显示；另一种是把Blade PC上的显示卡输出信号以及键盘、鼠标等信号经过变换以后采用CAT5类线作介质，连接到用户的桌面。用户的桌面上不是一台NC，而是一台叫做C/port的装置，把传送来的信号再还原成显示和键盘、鼠标信号和相应的设备连接。 ClearCube架构分为两层：访问层和计算层。访问层位于用户的桌面，称作C/Port或支持RDP协议的I/Port，只负责把计算层的显示输出呈现给用户，并把用户的键盘和鼠标等输入传递给计算层。因为结构简单，因此具有体积小、无噪音，价格低廉等特点，能有效提高安全性和可维护性。这样做有很多好处： ● 与当前的其它远程解决方案不同，在ClearCube架构上的最终用户能很容易地访问，还可以工作在特别大的文件上而不用把他们下载到本地系统，因为这个架构只把计算引擎（Blade PC）所做事情的“图片”传输到本地监视器，这也降低了网络流量的峰值和总量； ● 如果访问设备因为某种原因失效，可以很容易地被替代而不影响计算引擎，工作成果也不会丢失。引起的停机时间以分钟来计，而用传统PC有可能达到几小时甚至几天； ● 因为访问是通过微软RDP，想注入一个病毒要比传统PC困难得多； ● 由于瘦客户机价值低被窃可能性小，即使被窃或损坏也不会造成数据的丢失； 计算层位于数据中心，涵盖Blade PC计算节点和节点上的磁盘。支持C/Port的节点可以运行Windows或Linux等各种操作系统，而支持I/Port的节点只能运行Windows XP系统。通过集成管理工具，管理员可以很方便地为每个Blade PC的磁盘在其他Blade PC上作备份或迁移，也可以把某个Blade PC分配给某一个指定用户。 但是这套系统也存在一定的缺点：为了防止出现故障导致数据损毁，ClearCube直接采用数据冗余的方式来备份数据，把一个Blade上的所有数据备份到另一个Blade上。根据数据的重要程度还可以设置成备份2份、3份甚至4份。虽然这样作能在很大程度上保证数据的安全，但却造成了资源上的极大浪费，也大大增加了Blade PC节点的负担，使数据的恢复和迁移变得更加复杂。 HP的CCI架构 HP的CCI（Consolidated Client Infrastructure）系统的结构见图4。 CCI系统架构分为3层：访问层、计算层和资源层。 访问层 访问层位于用户桌面，但在CCI架构中只相当于ClearCube架构中的“I/Port”。可以用任何支持微软远程桌面协议（RDP）的设备甚至包括传统的拨号Modem构成，只要在公司的局域网或广域网内数据传输往返时间小于100ms，用户感觉不到虚拟机和传统设备的差别。其优点和ClearCube架构相同，但因为没有类似“C/port”的装置，所以网络结构更简单，管理也更简单。 计算层 计算层位于数据中心，HP也为自己的CCI系统计算资源开发了专门的Blade PC。因为采用动态分配，不需要为每个用户配一个Blade PC，而是采用按需配置的方式。研究和分析表明，在大多数企业中，最大并发使用率在70％左右。因此，企业只需要相当最终用户数量70％的Blade PC即可。这可以降低企业的软件授权费用。在这种架构中，计算资源具有以下特点： ● Blade PC支持微软Windows XP 专业版，以及定制开发的应用程序。能在传统PC运行的绝大多数应用都可以在CCI环境中运行。 ● 使用HP 的快速部署包，软件映像部署很容易，也很快捷，甚至可以自动进行。在去除病毒、安装补丁以及把新的应用添加到用户映像之后，计算资源可以很快复位。这些工作只需几分钟就可以完成，而且可以在夜里无人看管的条件下进行。同时软件许可的保护也是有保障的，因为所有的映像由单位控制，单个用户无权更改。 ● 通过HP快速部署包管理能力，Blade PC可以容易和快速地被重新分配定位以满足特定用户群的需要（例如，在财务年度结束时，在两三周时间里让财务部门的刀片服务器和用户数比例达到1:1以保障结账工作）。 ● 用户可以根据登录信息被静态（即用户与资源绑定）或动态（即用户被连接到当时空闲的资源）地被分配给一个Blade PC。使用动态分配就能提高可用性，因为如果Blade PC失效，最终用户可以快速地再登录并连接到一个新的Blade PC，丢失的只是没有保存的工作。HP建议部署CCI时应包括动态分配。 ● 一旦登录，最终用户就是被分配到的那个Blade PC的独占用户，既不与别人共享也不受到资源使用的限制，不受其他上机人使用资源情况的影响，相比基于服务器的并发用户共享处理器和内存带宽计算解决方案这是一个显著的性能优势。 ● 计算层是自愈的，而且能做到最终用户感受到的可用性就是数据中心的可用性。如果Blade PC经过一次灾难性的损坏，比如硬盘物理故障，用户只要简单地登录到另一个可用的Blade PC上即可。 ● CCI利用了每个Blade PC有两个独立的网络连接其上的优点，把到用户的数据传输的表达层和到其他数据中心资源的应用访问分开了。这就把网络流量的主体集中在数据中心内部或数据中心之间，而数据中心内部或之间的联结带宽较大且容易控制。同时也使用户与数据中心之间的来往数据流量保持较低且较稳定的水平。这样就减少了分布网络上的流量峰，使网管任务得以简化。 ● CCI 利用把标准统一于单一的网络协议（微软的RDP）实现业务质量控制（QoS），使用户的网络协议比其它协议支持的流量优先，这就极大地改进了终端用户的感受。 资源层 由存储池、网络打印机、应用服务器以及其他网络资源组成的资源层，也位于数据中心。位于数据中心的统一的最终用户文件存储设备增强了数据的完整性和可用性。 ● CCI采用了RAID 5保护用户数据。便于集中存储和备份，而且可以使所有的最终用户数据与公司数据统一按计划备份。这样就可以更好地避免数据丢失； ● CCI使企业实现了统一的数据存储，对某些法律对数据安全和保管有严格要求的行业这点尤为重要； ● CCI使企业实现了信息技术的整合。过去企业IT之所以凌乱分散就是由于需要有不同类型的服务器和存储设备为分散的PC 服务。 CCI比ClearCube的Blade PC更进了一步，因为用户端不再采用“C/port”，网络连接全部采用普通的交换以太网络，使系统结构进一步简化。更重要的是，在Blade PC上已经没有用户数据，只有操作系统和应用程序，而用户数据都集中在后端的一个存储设备上。和ClearCube系统类似，CCI也是把Blade PC和磁盘绑定在一起的，每个Blade PC都运行自己磁盘上的操作系统，因此仍然无法实现计算环境的重构。在这种架构下，这套系统目前只能支持Windows XP，用户无法根据自己的需要选择计算环境，比如Windows 2000、LINUX等。 企业计算机系统的优点 Windows终端、NC和网络PC虽然具有它们的优点，但因为共用服务器而导致速度较低的缺点比较明显，无法满足超大规模计算机系统应用。下面主要分析ClearCube 和CCI两种系统。 ClearCube 系统的效果 计算机集中起来以后的显著优点包括： 1. 用户工作环境、工作空间、散热和噪音都大大改善 2. 所有磁盘都集中，数据安全性大大提高 3. 方便维护，支持人员只需到数据中心即可以解决问题 4. 出色的可管理性 5. 高度可用性 6. 更低的操作成本 IDC对采用ClearCube架构的17个客户（平均员工数量5720）进行了跟踪调查。结果显示，采用ClearCube架构后，每用户每月的停机时间从原来的2小时降低到38分钟，折合每年每个雇员的生产力提高了16.4小时，相当于每人每年多工作2天；IT后勤人员花在路上的时间从原来的21％降低到5％，每人每年增加的生产力为333小时；配置新用户的时间减少到原来的8%；转移、添加和更换计算机设备所用的时间减少到原来的50％；升级的时间也减少了57％。最终的统计结果也表明，采用ClearCube后，仅支持人员的成本每年就节省高达200万美元，如果把用户培训和减少停机时间带来的生产率的提升都考虑进去的话，节省的成本将更加可观。 CCI系统的效果 CCI系统不但具有ClearCube系统的所有优点，而且计算机系统以及数据的管理、备份和维护更加方便。假设计算机的生命周期为4年，根据HP公司自己的测算： 1. 台式机的TCO每人/每年降低达1200美元； 2. 提供了良好的数据集成和数据安全性； 3. 更加提升了企业灵活性； 4. 通过提供一致的用户体验而提高了生产力； 5. 对行政管理来说，按照4年的生命周期计，由于操作、支持和管理成本减少能使TCO降低超过50%。 假设一个10000人的企业，采用CCI系统以后，与传统的台式机环境相比较，在4年内节省的TCO将高达42,329,886美元。 企业计算机系统的发展趋势 综上所述，无论是Windows终端、NC和网络PC等系统，还是ClearCube 和 CCI架构都是把所有计算和存储资源从物理上集中到了一起，使用户端结构尽量简单，只提供桌面显示和键盘鼠标的输入功能。所不同的是，ClearCube是两层结构，只有访问层和计算层，如图1所示。作为计算层的计算资源、操作系统和用户数据是绑定到一起的，访问节点则可以和计算层节点任意绑定，组成二维结构，因此比普通PC的一维结构更加灵活；在计算机系统每个用户之间横向分离的同时，CCI架构在纵深方向上也把系统进行了分离。 HP的CCI系统不但实现了资源的集中，而且把用户数据独立出来，存储在后端的NAS上。每个用户都有自己的存储空间，访问层节点、计算层节点和用户的存储空间可以任意结合，形成三维的结构，因此比ClearCube更为灵活。 (E5) 
图1 服务器＋集中计算模式 
图2 集中存储＋半集中计算模式 
图3 ClearCube的Blade PC系统框图 
图4 HP CCI系统架构 企业计算机走新路 PC有商用和消费之分，但商用PC不等于企业计算机。企业计算机实际上是面向企业应用的计算机系统的简称，它不仅包括前端设备，还包括服务器、存储、网络系统，反映了整个企业的计算形态和应用特性。 伴随着计算机在企业中的应用日趋广泛，企业对计算机的依赖越来越大。随之而来的是计算机系统的管理复杂、维护不便、升级困难等一系列问题逐渐暴露。当计算机的数量越来越多，计算机系统规模越来越庞大的时候，这个问题更加突出。从而导致企业在计算机系统上的总体拥有成本（TCO）越来越高。这些问题该如何解决？企业需要什么样的计算环境？ 长期以来，为了降低企业计算机系统的TCO，IT厂商进行了大量的努力，纷纷推出各自的企业计算机系统，其核心观念就是资源的集中管理。在这个过程中涌现出的服务器+终端模式、服务器+NC模式和服务器+网络PC模式为企业计算提供了多种选择。 然而，这些系统都采用的是一台服务器服务多个用户的方式，这虽然降低了TCO，但用户所得到的计算能力却非常有限。新兴的企业用计算机系统贯彻了每个终端用户独立使用一台计算机的理念，而刀片PC的面世，使这一理念得以充分体现，为企业计算机提供了新的视野。在本专题中，我们将为广大读者呈现ClearCube公司提出的Blade PC和HP公司的CCI系统（均为刀片PC模式）。 面对企业的新需求，国内研发机构也在进行着新的探索。中科院计算所国家高性能计算机工程技术研究中心利用自身在存储方面的技术优势，开发了可重构的计算机系统架构（RCSI系统架构），从另一个途径为企业应用提供了很好企业计算环境。 NC经过多年的发展演变，在许多方面发生了变化。清华大学设计的新的NC应用架构，可以在保持NC原有优势的前提下，充分利用NC自身资源，将NC与PC机的差别大大拉近。清华网络计算机采用中心服务器集中数据与应用，通过网络连接为用户提供图形终端及一定的本地处理应用。同时，集中式的数据管理降低了系统的维护与管理成本，提高了企业计算环境的整体安全性。 |
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