一、天河二號概況

在世界超算Top500排名中取得四連冠的天河二號已經(jīng)于2014年初部署在國家超算廣州中心并對外提供服務(wù)。與已有超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要區(qū)別是，天河二號不僅僅定位在高性能計(jì)算，而是通過異構(gòu)多態(tài)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，期望能夠?yàn)閺V州市、廣東省甚至更大范圍的政府部門和企事業(yè)單位的信息化建設(shè)和大數(shù)據(jù)處理提供強(qiáng)有力的資源支撐。

天河二號的目標(biāo)定位

目前，天河二號的目標(biāo)定位為：滿足高性能計(jì)算、高吞吐率信息服務(wù)和海量數(shù)據(jù)處理等多領(lǐng)域復(fù)雜應(yīng)用需求，具體信息如上圖所示。

與此同時(shí)，天河二號及輔助設(shè)施的整體投資是24個(gè)億，是屬于異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有著近20000個(gè)節(jié)點(diǎn)：雙路12核E5-2600系列處理器，64GB內(nèi)存、定制的內(nèi)部高速互聯(lián)（224 Gbps）、2個(gè)GE、總存儲(chǔ)容量12.4 PB。

由于業(yè)務(wù)需求差異，以往的面向HPC的軟件棧已經(jīng)不能滿足多種應(yīng)用的需要，所以我們采用了云的方式來支持新的業(yè)務(wù)，將廣州超算中心打造成支撐智慧城市建設(shè)的公共基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)于電子政務(wù)建設(shè)、企業(yè)資源租賃、海量信息處理等信息化建設(shè)發(fā)展的多個(gè)方面。這是與傳統(tǒng)科學(xué)計(jì)算完全不同的應(yīng)用模式，主要的挑戰(zhàn)如下：

• 業(yè)務(wù)多樣：網(wǎng)站、信息管理系統(tǒng)、渲染、備份…
• 軟件平臺多樣：Linux/Windows、Oracle/MySQL/SQL Server、Apache/Nginx、Tomcat/Weblogic…
• 資源規(guī)模彈性伸縮：重大事件/重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)的突發(fā)訪問
• 可靠性、可用性與安全性要求高

二、天河二號上OpenStack的部署及優(yōu)化

我們支持的云業(yè)務(wù)，首先是黨政機(jī)關(guān)，提供私有云部署、云安全解決方案、應(yīng)用遷移、培訓(xùn)支持，提高辦公效率和降低能耗；其次是中小企業(yè)，提供資源租賃，私有云部署、混合云部署、安全增強(qiáng)，使用戶關(guān)注自身核心業(yè)務(wù)；最后是其他行業(yè)用戶，提供私有云部署、混合云部署、應(yīng)用遷移、培訓(xùn)支持，支撐用戶業(yè)務(wù)創(chuàng)新。

我們目前用于支撐業(yè)務(wù)的環(huán)境主要基于OpenStack的IceHouse和Juno兩個(gè)版本，后面會(huì)逐漸遷移到Juno版。需要注意的是，我們不是簡單的把原生的OpenStack拿過來部署，而是根據(jù)應(yīng)用的需求以及實(shí)際的硬件環(huán)境，對OpenStack進(jìn)行了大量的定制和優(yōu)化，這些工作最終形成了我們的企業(yè)級解決方案KylinCloud云平臺。

天河二號對OpenStack的主要增強(qiáng)

主要的增強(qiáng)優(yōu)化包括：重新定義了一套使用流程，全新改寫UI，擴(kuò)展細(xì)粒度配額管理，支持端口轉(zhuǎn)發(fā)。因?yàn)橛猩先f臺機(jī)器及IP是擴(kuò)展的，所以做了相應(yīng)的映射。在調(diào)度方面，支持QoS保障以及擴(kuò)展了多種調(diào)度策略。另外增加了計(jì)費(fèi)功能，優(yōu)化監(jiān)測性能。

天河二號OpenStack集群網(wǎng)絡(luò)布局

我們規(guī)模確實(shí)比較大，所以選擇了這樣的網(wǎng)絡(luò)布局：50個(gè)機(jī)柜、6400個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)柜的控制節(jié)點(diǎn)設(shè)置在同一個(gè)WLAN，以Cell為調(diào)度單位，管理網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)分離和基于以太網(wǎng)（部分子云基于TH-NI）。在虛擬主機(jī)方面：提供基于KVM的全虛擬化、基于LXC/Docker的輕量級虛擬化。虛擬網(wǎng)絡(luò)是基于OpenvSwitch，支持多種虛擬網(wǎng)絡(luò)類型。我們也采用了分布式高性能全局塊存儲(chǔ)，基于Ceph構(gòu)建，所有節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)全局的分布式存儲(chǔ)池，基于TH-NI高速網(wǎng)，用作虛擬鏡像、邏輯卷和運(yùn)行實(shí)例的統(tǒng)一存儲(chǔ)后端，裸容量6.4PB；IP-SAN存儲(chǔ)：裸容量1PB，萬兆接入云平臺，用于集中的文件存儲(chǔ)或備份；FC-SAN存儲(chǔ)：裸容量500TB，用于高I/O負(fù)載應(yīng)用支持。

另外，在平臺參數(shù)方面我們是這樣優(yōu)化的，主要是調(diào)整數(shù)據(jù)庫、消息隊(duì)列的參數(shù)閾值；KVM參數(shù)優(yōu)化：VHostNet、KSM；物理機(jī)OS的虛存優(yōu)化：swappiness；Nova、Neutron等關(guān)鍵服務(wù)的參數(shù)優(yōu)化；開啟服務(wù)的多進(jìn)程；Ceph OSD進(jìn)程優(yōu)化。

負(fù)載均衡和高可用優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)的負(fù)載均衡和高可用，主要做了這些部署與優(yōu)化：控制服務(wù)采用LVS+Keeplived，MySQL集群，RabbitMQ集群，組件之間的數(shù)據(jù)庫、消息隊(duì)列的分離，單獨(dú)的Neutron集群及L3-Agent高可用，單獨(dú)的Cinder-Volume集群。在實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)高可用方面，以16個(gè)物理節(jié)點(diǎn)為單位構(gòu)建高可用區(qū)域，通過監(jiān)控物理節(jié)點(diǎn)和虛擬機(jī)的狀態(tài)，在狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)及時(shí)啟動(dòng)新的虛擬機(jī)支撐應(yīng)用的運(yùn)行，也定制了靈活的觸發(fā)策略。

軟件動(dòng)態(tài)加載

另外我們是基于boot from volume和rbd clone做的軟件加載，方便用戶快速的使用需要的應(yīng)用軟件，不必在啟動(dòng)虛擬機(jī)后再安裝，我們提供了可加載的應(yīng)用軟件列表，以及用戶啟動(dòng)VM時(shí)，勾選需要加載的應(yīng)用軟件，啟動(dòng)虛擬機(jī)后即可使用軟件。比如你在上圖基礎(chǔ)上怎么做相應(yīng)不同的軟件支持，如果每個(gè)軟件都要做一個(gè)Image，相對來說開銷比較大，我們就做一個(gè)Image的動(dòng)態(tài)拼合加載，做一個(gè)干凈的Base Image，再加上一個(gè)增盤，當(dāng)用戶在需要MySQL的時(shí)候，就加上一個(gè)增量Image，想用Oracle時(shí)加載另一個(gè)增量Image。

在開發(fā)的時(shí)候就在想，如果想要做成一個(gè)平臺或者對外提供服務(wù)的平臺的話，運(yùn)維方面的工作不可少，那就需要一個(gè)大規(guī)模自動(dòng)化的運(yùn)維工具，實(shí)現(xiàn)對狀態(tài)的預(yù)見，對故障有一個(gè)收集和判斷。目前來說，我們的工具主要能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)的帶寬控制，云平臺及支撐組建的健康狀態(tài)監(jiān)測，基于日志分析的故障定位于分析，物理機(jī)與虛擬機(jī)的監(jiān)控與告警，安全補(bǔ)丁與漏洞，Ceph的RBD離線恢復(fù)工具，特性功能Backport與小版本更新。

三、應(yīng)用適配

電子政務(wù)類應(yīng)用

主要目標(biāo)是，基于天河二號主機(jī)系統(tǒng)的硬件資源，與廣州市電子政務(wù)中心及相關(guān)企事業(yè)合作，為各類電子政務(wù)應(yīng)用提供彈性計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源以及安全、可靠的服務(wù)平臺。首先就是電子政務(wù)類應(yīng)用，目前廣東省省級教育數(shù)據(jù)中心已上線四個(gè)信息管理系統(tǒng)，今年年內(nèi)上線14個(gè)系統(tǒng)，不久的未來，將成為廣州市電子政務(wù)的主要運(yùn)載平臺。

在我們實(shí)施時(shí)需要做到：遷移已有多種系統(tǒng)和平臺軟件：Redhat/CentOS、Oracle/WebLogic等其他第三方公司開發(fā)的軟件，已有VMWare平臺上部署系統(tǒng)的遷移，數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入，物理/邏輯隔離，服務(wù)的穩(wěn)定性、持續(xù)性，應(yīng)對突發(fā)訪問，與其他服務(wù)提供商之間的容災(zāi)備份。我們采取了這些措施與優(yōu)化：P2V、V2V鏡像轉(zhuǎn)換，負(fù)載感知的虛擬機(jī)規(guī)模自動(dòng)伸縮；此外，我們才采用了基于Ceph RBD卷的虛擬機(jī)和虛擬卷備份，做到每天一次增備，每周一次全備，同時(shí)完善虛擬機(jī)高可用機(jī)制，保證業(yè)務(wù)持續(xù)性。

渲染類應(yīng)用

面向各文化科技公司和工作室的業(yè)務(wù)需求，基于天河二號為動(dòng)漫渲染的復(fù)雜場景和特效提供強(qiáng)大的計(jì)算能力支撐，構(gòu)建動(dòng)漫渲染云，完成高質(zhì)量的渲染任務(wù)和高分辨率的真實(shí)感渲染，縮短場景的渲染周期，提高動(dòng)漫作品的制作效率。目前，某文化科技集團(tuán)已進(jìn)入其生產(chǎn)線，數(shù)量超過千節(jié)點(diǎn)規(guī)模，同時(shí)另外一個(gè)面向互聯(lián)網(wǎng)的渲染云平臺也開始提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

這就使得單個(gè)虛擬機(jī)性能要求高；針對渲染任務(wù)集群的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，提供高帶寬、低延遲的網(wǎng)絡(luò)傳輸；渲染開始、結(jié)束時(shí)有大量的文件讀寫操作，需要對磁盤IO進(jìn)行優(yōu)化；滿足渲染中數(shù)據(jù)存取頻繁的要求；彈性的資源擴(kuò)充機(jī)制，滿足不同渲染任務(wù)對計(jì)算能力的不同需求；廣泛的平臺支持，支持多種渲染平臺和軟件。所以，我們限制渲染集群的規(guī)模，減輕共享讀寫帶來的IO瓶頸；使用KSM，降低內(nèi)存消耗；物理機(jī)超線（HT）；根據(jù)實(shí)際效果調(diào)整內(nèi)存超售比例；調(diào)整物理機(jī)的open file limit；在渲染過程中有大量的（?。┪募x寫；優(yōu)化虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，提高帶寬等。

對HPC類應(yīng)用的支持

將云計(jì)算的優(yōu)勢引入到傳統(tǒng)的高性能計(jì)算領(lǐng)域，使用目前成熟的容器技術(shù)為用戶提供可定制、隔離性強(qiáng)、可彈性伸縮、界面友好的HPC集群。目前，諸多HPC應(yīng)用的CPU性能折損在1%以內(nèi)。同時(shí)也支持了CPU/MIC異構(gòu)并行，達(dá)到萬級計(jì)算核心。

為了做到這些，就要求：接近物理機(jī)的性能，充分利用天河節(jié)點(diǎn)的加速部件和高速網(wǎng)，拉通HPC軟件棧，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)資源統(tǒng)一管理，更好的資源共享與隔離，可定制的軟件環(huán)境，滿足彈性的資源使用需求，在一定配額下用戶自助申請資源。所以，我們使用基于Docker的輕量級虛擬化：基于現(xiàn)有HPC環(huán)境制作鏡像，整合HPC軟件棧；虛擬機(jī)直接模式訪問MIC加速器和TH-NI高速網(wǎng)；虛擬機(jī)直接訪問主機(jī)掛載的Lustre共享存儲(chǔ)。另外就是全系統(tǒng)計(jì)算資源的混合調(diào)度：根據(jù)任務(wù)屬性判斷Host，以及計(jì)算節(jié)點(diǎn)角色的按需切換。

至于為什么我會(huì)想用Docker，從操作系統(tǒng)角度上看，說白了它只是虛擬化的進(jìn)程空間，性能折損低。具體而言，我是用了Docker的Container功能，因?yàn)檩^底層的LXC相比，它具有一定的高層管理工具，把OpenStack和Container做了一個(gè)綁定，將數(shù)據(jù)庫和消息隊(duì)列本身的連接數(shù)和使用內(nèi)存數(shù)放大，以及網(wǎng)絡(luò)和KVM開關(guān)都打開。

四、社區(qū)貢獻(xiàn)

在以上部署實(shí)踐的基礎(chǔ)上，天河二號的云平臺研發(fā)團(tuán)隊(duì)深入到OpenStack源代碼內(nèi)部，圍繞遇到的問題和需求開發(fā)了一系列新特性和大量的Bug修復(fù)，并積極反饋給社區(qū)。2012年以來團(tuán)隊(duì)向社區(qū)貢獻(xiàn)了大量代碼，并在最新的Juno核心組件的代碼貢獻(xiàn)（commit數(shù)目）位居國內(nèi)第二位。關(guān)于Ceph我們也做了一些工作，向Ceph社區(qū)提交100+commits，在最新的v0.93版本中，團(tuán)隊(duì)代碼貢獻(xiàn)排名第2，個(gè)人排名第4。

五、基于OpenStack打造高效安全的企業(yè)云服務(wù)平臺

圍繞著充分發(fā)揮天河二號的性能優(yōu)勢、為中小企業(yè)提供安全、高可用、彈性的高品質(zhì)服務(wù)這一目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)基于OpenStack進(jìn)行了一系列深入的產(chǎn)品化定制與改造，形成了獨(dú)立的云服務(wù)解決方案KylinCloud─麒麟云平臺。麒麟云平臺采用互聯(lián)網(wǎng)自助服務(wù)的模式，面向企事業(yè)單位提供IaaS和PaaS層的IT服務(wù)，希望成為小微企業(yè)的IT服務(wù)的承載平臺，并基于此構(gòu)建完善的IT服務(wù)生態(tài)環(huán)境。

KylinCloud云平臺架構(gòu)

目前，麒麟云平臺已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行在天河二號上，在用戶單位的配合與支持下，多個(gè)成功應(yīng)用已經(jīng)驗(yàn)證了其基于天河二號提供云服務(wù)的可用性、可靠性和可擴(kuò)展性，為超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用開拓了一條嶄新的途徑。

同時(shí)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)也在努力構(gòu)建面向商用硬件的完整解決方案，面向不同用戶、不同應(yīng)用的需求，提供深度定制、安全、可靠的云服務(wù)。此外，麒麟云平臺正在與國內(nèi)著名安全系統(tǒng)解決方案提供商合作，對麒麟云平臺的系統(tǒng)安全、平臺安全和虛擬機(jī)安全進(jìn)行全方位的定制與增強(qiáng)。（責(zé)編/周建丁）

作者簡介：譚郁松，博士，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院/國家超級計(jì)算廣州中心研究員，天河系列超級計(jì)算機(jī)的骨干研究人員，一直從事操作系統(tǒng)和云計(jì)算等領(lǐng)域的研究工作，目前帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從事超大規(guī)模云平臺和大數(shù)據(jù)處理平臺的研發(fā)。