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BIM设计系统与云图形工作站

编辑:开道万时间:2014-12-16点击:
我们对“云计算”(Cloud Computing)和“软件作为服务”(SaaS)这些新概念已经耳熟能详,但是能不能将高性能图形工作站植入云中呢?本文介绍了位于美国北卡莱罗纳州夏洛市的Little 多元化建筑设计公司如何建立包含高性能图形工作站的“私有云”。“私有云”和“公共云”(例如Amazon Web Services or Google)不同之处在于前者云基础构架和信息资源由某个公司建立和运行。(请参见Gartner的Tom Bittman 对私有云的介绍)

总体而言,目前关于云计算的讨论大多数还集中在后台服务器系统上。直到最近才有公司将他们的台式机或工作站放到云上。Little 的云是AEC(建筑工程行业)领域里的首个云技术应用,其目标是在今后10年内将工作站及手提电脑硬件花费减少67%(大概2百万美元)。

是什么变化使得这些应用目标有望实现呢? 有许多原因,第一,网络带宽费用降低。现在10 mb以城域太网的价格相当于之前的T1(1.5mb)的价格;另一个原因,Windows 7和远程桌面协议(RDP)在移动图形处理和多媒体动画视频方面有重大改进。最后,硬件设备费用逐渐降低使越来越多的公司能够买得起专业的机架服务器.


工作站云的商业效用

当前经济模式的转变迫使所有企业去思考应变方式。 Little 应用云技术的源动力在于BIM(建筑信息模型) 的广泛应用- 设计人员可以在计算机上虚拟建造建筑,同时提供全套的设计施工文件、3D模型等-这需要高强度的计算能力以及克服一些其他的障碍(例如即时协同工作、信息共享、安全备份等)。Little 的云战略具有“一石十一鸟”的效益,同时包括了AEC行业以外很多其他应用。以下为十一项优势:

1.   应对工作电脑性能不断提升的要求
Little的多元化设计服务(包括建筑模拟、分析、渲染、3D 模型)对计算机设备性能的要求是相当高的,堪比游戏行业。我们手提电脑的更新周期是2年,每年大约$250,000-$300,000的设备更新费用;同时随着软件越来越复杂,手提电脑越卖越贵。直到2009年,我们再也支付不起昂贵的手提电脑更新费用,而设计师对电脑性能要求仍不断提升。 转换到云战略,云工作站更新周期是4-5年, 作为接入云工作站的终端-手提电脑,则完全可以采用稍低性能的(低于$1000/台),而且能用到报废为止。

2. 实现跨地区协同工作
作为拥有多分支机构的设计公司,Little的设计人员需要根据项目和专业的需求成立很多项目组。在奥兰多、华盛顿和夏洛特的工作人员经常同时要在一个建筑模型上工作。软件开发商探索着用广域网(WAN)解决协同工作问题,虽然这是目前最普遍可行的手段,但其实不够好。能让不同地点的工程师就像在一间办公室一样- 这种想法是奢望吗?现在不是了,转换到云系统,使我们在各地的设计人员真的就如同在一间办公室内工作一样方便。

3.实现跨公司协同工作
BIM 应用肯定会涉及到各个专业顾问公司在同一模型上进行工作,因为许多公司没有全面的专业设置,而是通过与其他专业咨询公司,例如工程专业(结构、机电)、消防或者声学设计等,协作完成整体设计的。现在,有许多专业咨询公司都应用了BIM, 如果大家同时在一个BIM 建筑模型工作,就像在一个公司里的人,该是多理想呀。但是如果没有云技术,各方顾问公司人员只能通过FTP 或网站定时交换数据模型信息,项目即时协同工作在外部公司之间非常难以操作。虽然眼下Little还没有一个正在实施的项目要求各顾问公司在同一建筑模型上工作,但一旦有需要,我们的云工作站可以保证公司内外所有的专业顾问之间实现真正的即时协同工作。

4.整合IT 基础设施建设费用
虽然Little 的云工作站建立的初衷是解决BIM 所要求的运算能力问题,但实施后却产生了其他效益。虚拟化策略是建立高性能图形工作站云的另一项核心技术。采用虚拟方式,一方面是硬件和网络设备性能得到改善,另一方面降低各方面费用,这对IT主管来说太有吸引力了。以我们为例,现在只用2台虚拟储存服务器替代了我们原来使用的57台传统物理服务器, 设备费用费由$170,000 减少到 $35,000;我们现在实现并管理着大约50T数据量,若不用虚拟存储方式,我们将需要用大量的IT 人力来维护管理这些数据,为此我们每年节省了$700,000成本开支。通过综合应用这种尖端的虚拟软件,我们期望在减少手提或台式计算机费用方面取得同样的成效。

5.整合分支机构IT 基础设备
我们最近将位于洛杉矶的2处分部合并为一处以提高效率,然后重新构建其IT系统。当时我们面临选择,购置一台2TB的存储区域网(SAN)还是网络附加存储(NAS)? 我们最终决定将洛杉矶分部的办公室转移到“云”上。利用设在夏洛特总部的云基础框架,我们为洛杉矶分部提供了随用随取的IT资源。这种策略使异地分部通过云被整合到位于夏洛特总部中,而不需单建一套存储设备;进一步,我们计划在年内将另3个分支机构IT设备整合到一起,实现各处“如同在一间办公室工作”的状态;身处异地不再成为协同工作的障碍。

6.实现通用商业应用目标
设计师当然希望得到$8000左右、最新、高配置的工作站,那么其余的人呢?Little 的虚拟高性能图形工作站云使得公司所有部门人员都能享受到这种高性能配置。你可以想象在高性能图形工作站云上运行Outlook, Microsoft Office 2007、财务、人事等其他软件的感觉吗?对于BIM 用户,7~10个用户可分配在一台工作站云上,对于一般公司管理用户,一台$8000虚拟高性能图形工作站能带20~30个用户,平均成本$267/人。这样的高产能不值得一试吗?

7.保证高机动性
究竟有多少人一直会呆在办公室里工作呢?为了节省物业开支,越来越多的工作人员选择在家工作,越来越多的自由职业者和顾问参与到激烈的市场竞争中,这些人对随时随地登陆到公司的办公系统中具有强烈需求。但目前,应用程序都放在个人电脑里、数据也是分散的,这就很难做到公司的应用平台和数据信息被随时共享。虽然广域网传输速度有所提升从而使手提电脑获取数据速度有所改善,但还是不够好。通过安全的远程控制系统接入公司的云,Little 的员工可以随时随地启用位于公司数据中心里的以千兆以太网络进行数据传输的高性能图形工作站,手提电脑仅是接入的端口。
 
在家工作的人员有了更多的选择。他们仍然需要一个宽带连接,但不是将手提计算机通过宽带访问公司工作系统,而是通过远程桌面协议(RDP)连接到公司的高性能工作站-以20 MB 企业级网络连接,提供了更好更快的运算能力。因为HPGW的性能远高于手提计算机,而且企业级网络连接也远超过家用宽带。(见图示1)

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图示1:应用远程桌面系统访问在云工作站上的Revit。
 
从图示2看到,Mac (苹果操作系统)像Windows操作系统一样能非常容易地接入云工作站。实际上,甚至智能手机系统,例如iPhone,都可以作为云接入端口。只要有用户RDP远程桌面协议(见图示3)就行,当然你不会用iPhone来运行Revit,但你起码可以用它来接入云并浏览一下建筑模型。

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图示2:Mac (苹果操作系统)操作系统接入云工作站上的Revit

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图示3:用iPhone接入云工作站上的Revit


8. 实现IT 自动控制和节约服务成本
虽然云策略不能减少正版软件应用许可数量,但能够极大地方便IT 人员进行软件管理和许可申请。许多软件都有网络版或支持多用户申请模式,这种系统可以保证任何人只要有空余的软件许可,在任何一个工作站点上都可以运行软件。如果每个人都需要运行某个软件,传统的做法是通过复杂的脚本或软体自动化将授权赋予所有200多台计算机。这种做法很花时间而且会经常出现问题,因为很难更新那些很少接入公司网络的手提电脑。现在公司用20台HPGW(所谓云计算机)完成所有工作。这20台HPGW云固定放置在我们的数据中心中里,每周7天每天24小时不间断运行。对IT 人员来说管理更新20台固定设备比管理200台要容易多了。根据应用软件类型和用户量,我们将某软件装在一台云计算机上,谁用谁访问,问题就迎刃而解了。


9.保证工作连续性、安全性及灾难数据恢复
有多少公司会备份员工的工作电脑的数据呢?大概不会的,由于太费时间和磁盘空间。但IT 人员知道,个人电脑上往往存着各种公司和业主重要的数据信息。应用云技术,我们将公司和业主的信息储存到云里,并在云里进行复制备份。没有云之前, 如果你的手提电脑被偷了或损坏了,在得到一台新电脑然后IT帮你恢复系统之前,你肯定没办法工作。有了HPGW云,如果发生了上述情况,就不再会有工作耽搁,因为所有数据、程序都在存储区域网络(SAN)上;Little 设置了专门的灾难数据恢复用的空间。例如如果LC-0000 云工作站(LC 为Little 云工作站编码) 出现问题,IT 会通知上面的用户接入到另一台LC-5000上继续工作,用户信息和数据同时转移过去。如果接入云的工作计算机出了问题,IT只需给他们换个空余的手提电脑就可以继续工作了。如果是在出差中手提电脑坏了,必要时随便找个电器商店,买一台$400左右的手提电脑就可以重新接入公司的HPGW云中。显而易见,数据安全性大大提升,特别是那些珍贵的业主文件数据。工作人员将所有的数据和软件放在云上而无需装在个人电脑中。如果确有必要将某些文件放到本机上,那也就是个副本而源文件仍在云上。

10.关注公司云工作站,无需关注个人电脑
通常IT 人员一方面要花费大量的时间维护工作电脑设备以确保工作正常进行;另一方面还要应付员工们大量繁杂的日常服务:例如PC个人设置、软件更新、回答业主需求等。Little 的云系统完美地完成了两方面任务。IT 人员只要看管住云工作站,不允许上面有任何个人用应用程序和信息数据;而个人计算机事实上成为员工的私有领地,存放个人信息或应用程序(例如 iTunes);如果员工想备份上面的数据,公司建议他们自己用USB接口移动硬盘、或租用网上硬盘进行备份。个人电脑系统一旦崩溃或被间谍软件侵害, IT人员能够迅速帮助恢复系统和数据,而员工工作文件和信息因在云里而不会受到任何损害。

11.提升渲染和动画制速度
许多大的设计公司都有3D 动画制作部,以表现建筑的真实渲染效果。有些公司甚至制作建筑动画漫游短片,给业主展现更完整的建筑设计。完成一部短片需要渲染出每一帧画面,有时需要好几天的时间完成渲染。应用云技术,渲染工作可以与其他工作同时进行,只需要按照优先级分配运算资源(图示4);而下班时间,所有的CPU都可同时投入到该运算过程中。我们有些项目,渲染时间由53分钟/桢加快到7.3秒/桢。由于计算能力的整合,极大提升了渲染速度。这使得Little 的设计人员可以放开制作高清晰、高质量的成果,拿出的作品表现让甲方为之惊叹。

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图示4: HPGW云除了正在运行BIM 软件,同时担负着渲染任务。



高性能图形云工作站战略实施要点
本部分将概述Little 虚拟高性能图形工作站云的建立过程,主要分以下二个步骤。同时,虚拟化其他IT设备,例如服务器、储存器是建立云工作站的关键。

高性能图形工作站云: HPGW云
私有云:任何位置
低成本云接入终端

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图示5:高性能图形工作站云系统图

步骤1:虚拟服务器和存储器
为了节约购置新服务器开支,我们开始测试VMware ESX 软件(注:VMware ESX 服务器是在通用环境下分区和整合系统的虚拟主机软件。它是具有高级资源管理功能高效,灵活的虚拟主机平台)。通过在低风险服务器初步测试,我们找到了技术解决工具,目前我们所有的服务器都放在了虚拟基础构架上,这极大地节省了Little 在硬件方面的开支同时提升了系统操作的同步性、持续性和防灾能力,使IT部门实现了公司对我们提出的要求-“少花钱多办事”。

接下来,我们将现有的IT 存储都改为虚拟化使现有的IT人员能够应付堆积如山的数据维护量。我们选择以EMC CX300 光纤存储柜为标准并配备了一个大容量硬盘作为应用软件运行和储存服务器- 配备了2台50TB EMC虚拟存储器,互为冗余。

步骤2:虚拟化高性能图形工作站
我先说明一下什么是我所说的“虚拟工作站”。从技术上讲,这些工作站不是一般IT人员所想象的那种虚拟设备。我们没有用VMware’s ESX虚拟服务器或其他虚拟主机平台(VDI),例如Citrix Zendesktop or VMware View。我们所用的设备是能够允许多用户同时共享Windows 7 64-bit操作系统。因此从IT 的方面看,这仅是个软件执行操作;从终端用户方面看,就像真正的虚拟工作站。

为了使虚拟化的优势扩展到个人电脑上,我们测试了各种桌面系统的虚拟化产品,可惜目前没有虚拟图形运算能力(GPU)的技术,因此会导致应用云可能比在手提电脑上还慢。人们愿意接受云工作方式的关键是要使用户感觉转换到云工作站上要比用手提电脑快很多。转入云工作站上,目的是切断应用程序与手提电脑的必然联系。
 
如果尝试一下从婴儿学步开始,应用“混合”的方式来实现桌面系统的虚拟化会怎样呢?我曾经有个设想就是-在数据中心建立一台极快速的工作站,设计人员通过远程桌面协议来访问它。但这个方案不够理想,因为还是要建立用户到工作站一对一的映射,节省不了费用。但是如果能由单一用户工作站变成一个多用户工作站(定义为工作站服务器)会怎样?对于终端用户,好像是在虚拟化的云端里工作,对于IT 人员来说是共享硬件问题。我给IT 团队提出了这个挑战,而他们做到了- 通过我们具有决定意义的测试之后,我们能够将10个人共享到一台工作站上。
 
以下是配置HPGW云的“秘方”

硬件
Rack mounted workstation 机架工作站

(2台3.0 Ghz Xeon 4核处理器(共8核)
32GB RAM 
1.5GB Video RAM
Fast local hard drive 高速本地硬盘
虚拟SAN上的用户/设计数据映射
用户接入端:入门级手提电脑及Windows操作系统

软件
Microsoft Windows 7, 64-bit desktop operating system  WIN7, 64-bit, 桌面操作系统
工具软件包括:提供多用户接入,CPU资源分配,网络,及内存资源

远程桌面协议(RDP)提供用户远程访问
按照Little 225 人规模,我们可配置20台HPGW云工作站,这些计算机更新周期不是以往使用手提电脑的2年,而是4-5年,中间或许会根据需要更新某些部件;而手提电脑可以用到物理报废为止,大概4年。由于大量的运算不在手提电脑中进行,所以公司标配手提电脑的价位在$800-$1000而不是原来的$2200-$2500. 据我估算,公司在10年中用于购置个人电脑的费用会由原计划的300万美元减少到100万美元。
 
这种云的解决方案适用于国际交互工作吗?理论上可以,但实际还有问题,主要是因为跨洋网络延时严重。我曾经用我的上网卡尝试登陆我们的云工作站,键入比较慢,但能进行基本操作,我的网卡延时180毫秒,跟越洋数据传输延时差不多。当然,这跟你所在的全球地域网络条件有关,某些地区效果也许会好些,但肯定不会像本地一样好。在美国境内,从东岸到西岸的网络延时只有50-55毫秒,效果自然绝对是没问题。如果有境外机构,建议在两处各建立独立的云,以避免跨洋网络延时问题。

以下是我们在建立云工作站系统的经验体会:
多人接入一台云工作站,使我们能够随时监控并动态调整运算资源。很多时候员工因为开会或外出,他们的手提电脑是空闲的(不在云上),我们可以及时调配这部分闲置能力。
 
用户对内存和CPU运算要求不都是一样的,有高有低。IT人员要认真研究需求的合理性或进行针对性培训


内存是关键制约因素。开始,我们由于过多的人接入一台云工作站,发生了“云爆”。经过调整,BIM 用户7-8人/台,同时增加每台工作站的内存,最终消除了“云爆”
 
有些应用程序不适合通过远程桌面访问方式。例如我们不得不对AutoCAD程序进行稍微的调整,因为十字鼠标线会产生大量的数据传输量,对整天用AutoCAD的人来说是件非常郁闷的事(注:译者从作者最新了解到AutoCAD在云上工作已经没问题了)。实时视频制作也是在本地计算机上运行比较好。在实施之前一定要测试一下关键软件。云技术虽然优越,但尚不完美。

我们能够使云工作站100%负荷运转;当一些人不使用时,可以将空闲的运算能力转给渲染部门做动画用;而且由于设定了优先级,设计和渲染可以同时进行,任何“多余”的运算能力都可以随时补充给新用户或给灾难恢复系统使用。

在家中工作,接入云比连接宽带访问要快很多

设计人员容易忘记文件放在什么地方,IT人员理所当然地要依靠远程桌面进行管理。IT 人员需要花些时间培养设计人员的新的云工作习惯,但一旦掌握了,他们会欣然接受的。

结论
以上是Little 在高性能图形云工作站云实践中的经验,我们将继续努力改善并提升我们的系统。我能够预见,在软件商开发出虚拟GPU 之后,这种私有的、混合技术应用的、高性能图形云工作站云系统将发挥不可限量的作用。到那时,大概再等3-4年后,我们将更新云框架- 225人的设计团队将仅在2台高性能图形工作站云工作站上完成公司所有的业务。当然,现在还是个梦想。