工业4.0_工业4.0大数据 - CSDN
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  • 今天早上有人问我,工业4.0到底是个啥,本来答应给他单独讲一遍,后来一想,不如整理下材料和思路,一块分享给大家,所以今天就跟大家谈谈这个神秘的工业4.0吧。  先声明,笔者只是个知识的搬运工,我说的不一定对...
    笔者早年从事过工业自动化行业,后来去了几个城市,讲过《工业互联网与工业文明史》这门课,以至于很多人以为我很懂工业互联网(其实我也就是半桶水而已)。今天早上有人问我,工业4.0到底是个啥,本来答应给他单独讲一遍,后来一想,不如整理下材料和思路,一块分享给大家,所以今天就跟大家谈谈这个神秘的工业4.0吧。

      先声明,笔者只是个知识的搬运工,我说的不一定对,不过是看了很多材料后消化理解的结果而已。事实上,工业4.0就没有标准答案,连德国人自己都没有。

    先看三个概念:
      工业1.0


    机械化,以蒸汽机为标志,用蒸汽动力驱动机器取代人力,从此手工业从农业分离出来,正式进化为工业。

    工业2.0


    电气化,以电力的广泛应用为标志,用电力驱动机器取代蒸汽动力,从此零部件生产与产品装配实现分工,工业进入大规模生产时代。
      工业3.0


    自动化,以PLC(可编程逻辑控制器)和PC的应用为标志,从此机器不但接管了人的大部分体力劳动,同时也接管了一部分脑力劳动,工业生产能力也自此超越了人类的消费能力,人类进入了产能过剩时代。
      这三个定义都很学术,你们放心,这是我全文较学术的一段话,后面,我决定老和尚讲故事的方法来给大家讲这个故事。


      要理解工业4.0,我们得先看下目前的状况,我们称之为工业3.X,用修真小说的时髦描述,也就是3.0中后期,这种状态叫做完全的自动化和部分的信息化。


    咱们还得从工厂的业务模式说起。
      作为一个工厂,存在的目的只有两个,生产产品,然后卖出去。所以在工业企业中,通常会分为两个大的部门,一个是生产部门,一个是业务部门,前者通过MES(制造执行系统)管理,后者通过ERP(管理信息系统)来管理。
      这两个系统啥区别呢?ERP更倾向于财务信息的管理,而MES更倾向于生产过程的控制,简单的说,ERP主要告诉你客户需要生产多少个瓶子,哪天下单,哪天要货,而MES主要负责监控和管理生产这些瓶子的每一个步骤和工序如何实现。
      在中国工厂的很多车间里,各个生产设备之间、生产设备和控制器之间,都已经基本实现了连通。再牛逼一点的公司里,整个工厂已经通过制造执行系统(MES)连通起来,而业务部门全部通过ERP连通起来了。
      发现问题了吗?
      ERP和MES其实并没有连起来!
      所以当ERP给MES下达生产计划指令后,MES在生产过程中发生了与计划偏差的事项(比如设备坏了,原料不合格等等),MES会根据车间的实际情况进行调整。但是ERP是不知道的!所以它会继续按照原本的计划执行订单,时间久了,财务系统和工厂的实际情况就会出现非常大的偏差。
      至于为啥没连起来,两个原因,首先是ERP和MES的开发公司通常是两拨人,搞财务的和搞生产的合作,不但互相不懂对方的职业术语,鸡同鸭讲,而且互相看不上对方。另外,业务部门和生产部门在公司里通常是分开运营,各自的领导有各自喜欢的供应商(原因你懂的)。

    当然,人民群众的智慧是无穷的,他们是断然不会干等着两个系统的偏差越来越大的,既然系统不给力,咱人工上,咱们工人有力量。所以工厂车间通常会定期把MES的调整项做成一个表,交给业务部门,然后由业务部门手动在ERP中调整过来。
      ERP和MES的问题只是工厂内系统断层的一个问题缩影,事实上工厂里还有非常多的其他系统,设计、制造、采购、办公等等,这些系统都是一个个的信息孤岛,互相都不知道对方在干啥,干到哪一步了。其中一个部分出了特殊情况,其他部分都不知道,只有等到问题出现了,才能退回来,所有系统再一个个改。
      插一句,老罗的锤子手机之所以难产,就是因为在设计的时候,生产人员并没有实时了解情况,所以实际生产时发现原本的牛X设计会导致良品率很低,只能退回去重新设计。这样每一个产品都要改来改去,所以一个工业品从设计到上线量产,往往要用一两年的时间。
      当然,这种事也不是第每天存在的,以前因为在工业时代,产品的生命周期很长,笔者的老东家,西门子一个型号的变频器可以卖三十年,这样一两年的研发上线时间也就显得不那么长了,其余的问题,靠着人工沟通,虽然有错,倒也都相安无事。
      然而,可怕的狼终于还是来了。
      这两只狼,一只叫产能过剩,一只叫互联网。
      全球性的产能过剩,导致企业的竞争越来越激烈,以往一款产品卖三十年的做法已经不行了,你跑不快,有的是快的。老罗的锤子手机仅仅晚上线了几个月,就从一款万众期待的爆款,成为了臭大街的过时货,产品的生命周期大大缩短了。
      互联网时代的到来,撼动了工业时代的一大基础,信息不对称。工业时代里,因为生产厂家无法低成本的了解每一个客户的需求,所以往往采用一刀切的方法,就是把需求做多的性能组合到一起,成为一款产品。
      比如你想要一双适合你的脚的鞋子,鞋厂是无法知道你的脚多大的,所以只能测量很多人的脚之后,把较集中的尺码分成40号,41号,42号等等,但是如果你的脚偏肥或偏瘦,对不起,概不伺候。

    互联网改变了这个局面,人与人,人与厂商,可以低成本的实现连接,从而让每个人的个性需求被放大,人们越来越喜欢个性化的东西。但是个性化的东西需求量没有那么大,这就需要工业企业能够实现小批量的快速生产。
      这两只狼,逼迫着传统工业必须做一件事,一件工业社会较不爱做的事,就是快速、小批量、定制化的生产。
      这个时候,先得做点准备工作,就是工业3.0首先要进化为3.X,所谓工业3.X,其实就是先把ERP和MES等等信息系统彻底打通,让工厂原本的所有信息孤岛实现连通。这个时候,就从完全的自动化和部分的信息化,进入了完全的自动化和完全的信息化,也就是工业3.0大圆满阶段。
      别小看这个过程,单就这一条,也许我们中国就需要十年甚至更长才能完成。
      好了,前面的都是现实问题,3.0大圆满之后,我们就要开始科幻烧脑之旅了,我们终于要冲击工业4.0了。这个过程中,3.0中以及完全的自动化和信息化要开始做一件事,就是结婚,生孩子。
      这个过程,德国叫工业4.0,美国叫工业互联网,我们工信部称之为两化融合,物联网的脑残粉们把它叫做万物互联。
      这里我要说一下,所有的物,如果需要互联沟通时,就有一个问题,说什么语言?说英语、德语、还是四川话?
      通讯协议是什么,这个是一个关键问题。你可能会说,为什么不用现在互联网的通讯方式,也就是TC/PIP协议,这是个技术问题,没法给你这种小白解释明白(其实我这个曾经的半桶水自动化工程师也不怎么太懂)。简单的来说,互联网的通讯方式,速度还是太慢,精确度还是不够,安全性还是不好。而工业生产中,对于速度、精度和安全性的要求,要远远高于你下载一部电影的要求。
      所以万物互联,必须需要一个专门的通讯协议。
      这也是德国的工业4.0,美国的工业互联网,以及中国的两化融合中国制造2025,这些时髦的名词背后的核心问题,大家在争这个通讯标准。美国的互联网世界第一,所以美国人希望从信息化层降维到自动化层;而德国的机械制造业较强,所以他更希望从自动化层升格到信息化层;中国嘛,制造业第一大国,互联网第二强国,所以两边都不想跟,打算自己搞个互联网+,也叫中国制造2025。
      按照修真小说的习惯,每一个境界都要分成一个小境界,以突显差异和牛逼,我按照这个方法,把工业4.0也分成六重天。
      工业4.0第一重天,智能生产。
      之前我们说过,生产设备和管理信息系统也各自连接起来,并且设备和信息系统之间也连接起来了。你有没有觉得还缺点什么?没错,就是生产的原材料和生产设备还没有连接起来。
      这个时候,我们就需要一个东西,叫做RFID,射频识别技术。估计你听不懂,简单来说,这玩意儿就相当于一个二维码,可以自带一些信息,他比二维码牛叉的地方,在于他可以无线通讯。
      我还是来描述一个场景,百事可乐的生产车间里,生产线上连续过来了三个瓶子,每个瓶子都自带一个二维码,里面记录着这是为张三、李四和王二麻子定制的可乐。
      第一个瓶子走到灌装处时,通过二维码的无线通讯告诉中控室的控制器,说张三喜欢甜一点的,多放糖,然后控制器就告诉灌装机器手,“加二斤白糖!”(张三真倒霉……)。
      第二个瓶子过来,说李四是糖尿病,不要糖,控制器就告诉机器手,“这货不要糖!”
      第三个瓶子过来,说王二麻子要的是芬达,控制就告诉灌可乐的机械手“你歇会”,再告诉灌芬达的机械手,“你上!”
      看到了,多品种、小批量、定制生产,每一灌可乐从你在网上下单的那一刻起,他就是为你定制的,他所有的特性,都是符合你的喜好的。
      这就是智能生产。
      工业4.0第二重天,智能产品。
      生产的过程智能化了,那么作为成品的工业产品,也同样可以智能化,这个不难理解,你们看到的什么智能手环、智能自行车、智能跑鞋等等智能硬件都是这个思路。就是把产品作为一个数据采集端,不断的采集用户的数据并上传到云端去,方便用户进行管理。
      德美工业4.0和工业互联网的核心分歧之一,就是先干智能工厂,还是先搞智能产品。德国希望前者,美国希望后者。至于中国,我们就搞加,还是加这个东西好,正加反加都行。
      工业4.0第三重天,生产服务化。
      刚才说了,智能产品会不断地采集用户的数据和状态,并上传给厂商,这个就使一种新的商业模式成为可能,向服务收费。我好多年前在西门子的时候,西门子就提出来向服务收费,当时我觉得这是德国佬拍脑袋想出来的傻&TImes;决定,但是现在我才明白这是若干年前就已经开始为工业4.0的生产服务化布局了。你对西门子的印象是什么?冰箱?你个糊涂蛋,西门子这些年已经悄然并购了多家有名软件公司,成为仅次于SAP的欧洲第二大软件公司了。
      这个服务是什么呢?比如西门子生产一台高铁的牵引电机,以往就是直接卖一台电机而已,现在这台电机在运行过程中,会不断的把数据传回给西门子的工厂,这样西门子就知道你的电机现在的运行状况,以及什么时候需要检修了。高铁厂商以往是怎么做的?一刀切,定一个时间,到时间了不管该不该修都去修一下,更我们汽车保养没什么差别。现在西门子可以告诉你什么时候需要修什么时候需要养护,你要想知道,对不起,给钱。
      再举个例子,智能产品实现后,每一辆汽车都会不断地采集周边的数据,来决定自己的行驶路线,整个运输系统会完全服务化,任何人都不需要再买车,有每天也许自己开车会成为严重的违法行为,因为设备是智能的,而人确是不可控的。
      在这个阶段,所有的生产厂商都会向服务商转型。
      工业4.0第四重天,云工厂。
      当工厂的两化融合进一步深入的时候,另一种新的商业模式就有要孕育而生了,这就是云工厂。
      工厂里的设备现在也是智能的了,他们也在不断地采集自己的数据上传到工业互联网上,此时我们就可以看到,哪些工厂的哪些生产线正在满负荷运转,哪些是有空闲的。那么这些存在空闲的工厂,就可以出卖自己的生产能力,为其他需要的人去进行生产。
      互联网行业为什么发展的这么快,就是因为创业者只需要专注于产品和模式创新,不需要自己去买一个服务器,而是直接租用云端的服务就行了。而目前工业的创业者,还是要不断地纠结于找OEM代工还是自建工厂中,这个极大地限制了工业领域的创新。当云工厂实现的时候,我预言中国的工业领域将出现一个比互联网大百倍以上的创新和创业浪潮,那个时候这个社会的一切都将被深刻的改变。
      工业4.0第五重天,跨界打击。
      互联网行业天天说降维打击传统行业,什么谷歌小米阿里巴巴乐视,可是我告诉你,当工业4.0进入第五重天时,工业企业的跨界打击将比这些互联网企业猛烈百倍。这个过程将从根本上撼动现代经济学和管理学的根基,重塑整个商业社会。
      举个例子,一个生产手表的厂商,这个表每天贴着你的身体,采集你身体的各项数据,这些数据对于手表厂商也许没啥用,但是对于保险公司就是个金库,这个时候,手表厂商摇身一变,就能成为较好的保险公司。
      当自动化和信息化深度融合的时候,跨界竞争将成为一种常态,所有的商业模式都将被重塑。
      工业4.0大圆满,黑客帝国。
      整个工业4.0过程,就是自动化和信息化不断融合的过程,也是用软件重新定义世界的过程。
      在未来,多元宇宙将在虚拟世界成为现实,一个现实的世界将对应无数个虚拟世界。改变现实世界,虚拟世界会改变;改变虚拟世界,现实世界也会改变。一切都在基于数据被精确的控制当中,人类的大部分体力劳动和脑力劳动都将被机器和人工智能所取代,所有当下的经济学原理都将不再试用。
      但是有一些东西是不会变的,我相信。
      人类的爱、责任、勇敢,对未来和自由的向往,以及永无止境的奋斗。
      生生不息.

    参考:http://www.elecfans.com/article/88/143/2017/20170411505932.html

        http://news.hexun.com/2016-01-05/181591638.html

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  • 工业4.0:智能工业

    2020-07-27 23:30:29
    智能工业或者工业 4.0,是从嵌入式系统向信息物理融合系统(CPS)发展的技术进化。 作为未来第四次工业革命的代表,工业 4.0 不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网(物 联网、数据网和服务互联网)的方向发展...
  • 工业4.0

    2019-07-25 04:54:15
    工业1.0  机械化,以蒸汽机为标志,用蒸汽动力驱动机器取代人力,从此手工业从农业分离出来,正式进化为工业工业2.0  电气化,以电力的广泛应用为标志,用电力驱动机器取代蒸汽动力,从此零部件生产与产品...

    工业1.0

     机械化,以蒸汽机为标志,用蒸汽动力驱动机器取代人力,从此手工业从农业分离出来,正式进化为工业。

     

    工业2.0

     电气化,以电力的广泛应用为标志,用电力驱动机器取代蒸汽动力,从此零部件生产与产品装配实现分工,工业进入大规模生产时代。

     

    工业3.0

     自动化,以PLC(可编程逻辑控制器)和PC的应用为标志,从此机器不但接管了人的大部分体力劳动,同时也接管了一部分脑力劳动,工业生产能力也自此超越了人类的消费能力,人类进入了产能过剩时代。 

     

    工业4.0

     自动化和信息化不断融合,用软件重新定义世界。“工业4.0”是以智能制造为主导的第四次工业革命,包含由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变,目标建立一个高度灵活的个性化、数字化的产品与服务的生产模式。利用物联信息系统(Cyber—PhysicalSystem,CPS)将生产中的供应、制造、销售->信息数据化、智慧化,最后达到快速、有效、个人化的产品供应。

     德国的工业4.0,美国的工业互联网,中国的两化融合中国制造2025。

        工业4.0 = 互联网 制造 

     特点

    • 互联:连接,万物互联;
    • 数据:;
    • 集成:;
    • 创新:制造业创新发展,推动中国制造向中国创造转型;
    • 转型:;

     大主题

    • 智能工厂:研究智能化生产系统及过程、网络化分布式生产设施的实现;
    • 智能生产:涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用;
    • 智能物流:通过互联网、物联网、物流网,整合物流资源、充分发挥现有物流资源供应方的效率,需求方快速获得服务匹配、物流支持;
    • 智能服务:服务业;

     技术

     工业物联网、云计算、工业大数据、工业机器人、3D打印、知识工作自动化、工业网络安全、虚拟现实和人工智能。

     重点

    • 通过价值网络实现横向集成;
    • 垂直集成和网络化的系统;
    • 工程端到端数字集成横跨整个价值链;

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    参考

    转载于:https://www.cnblogs.com/wjcx-sqh/p/5967899.html

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  • 概念- 工业4.0

    2019-10-06 19:48:30
    传统产业加快转型升级:工业化与信息化。 新型产业将成为主导:“互联网+”,移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合,包括高端装备、信息网络、新能源、生物医药等。 提升服务业支撑作用:大力发展...
    1. 德国高科技战略计划,互联网+制造。
    2. 中德合作,2014年签署了协议。
    3. 包括三大主题:智能工厂、智能生产、智能物流。
    4. 传统产业加快转型升级:工业化与信息化。
    5. 新型产业将成为主导:“互联网+”,移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合,包括高端装备、信息网络、新能源、生物医药等。
    6. 提升服务业支撑作用:大力发展旅游、健康、养老等服务业,与制造业融合发展。

    工业1.0:机械化,以蒸汽机为标志。以蒸汽动力驱动机器取代人力
    工业2.0:电气化,以电力的广泛应用为标志
    工业3.0:自动化,以PLC和PC的应用为标志,机器接管了人的大部分体力劳动、一部分脑力劳动
    工业4.0:智能化,以智能制造为核心

    涉及“智能”,“工业4.0”的股票会有很大的发展空间

    转载于:https://www.cnblogs.com/allen2333/p/9021066.html

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  • 数据中心基础架构 22 年演进

    千次阅读 2019-05-29 15:25:18
    作者 |Chris Rust 译者 |苏本如,责编 | 屠敏 出品 | CSDN(ID:CSDNnews) ...当今世界正处在信息技术(IT)创新的黄金时代。由机器学习、物联网和大规模可扩展应用支持的云计算、移动应用、大数据分析的巨大...

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    作者 | Chris Rust

    译者 | 苏本如,责编 | 屠敏

    出品 | CSDN(ID:CSDNnews)

     

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    前言

     

    当今世界正处在信息技术(IT)创新的黄金时代。由机器学习、物联网和大规模可扩展应用支持的云计算、移动应用、大数据分析的巨大力量正在重塑商业和社会的方方面面。而这场IT复兴的中心,则是超大规模的全球数据中心(DC)在公共、私有和混合云计算领域的不断涌现。根据Synergy Research Group的数据统计,全球超大规模数据中心的数量从2016年的300个增加到2017年的390个,另有69个超大规模的数据中心正处于规划或建设阶段。

    本文首先简要回顾了迄今为止数据中心基础架构创新的三大浪潮。然后,将介绍第四波IT基础架构创新:即应用定义基础架构(ADI),以及推动大型企业采用它的技术力量和运营挑战。

     

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    数据中心基础架构变迁简史

     

    数据中心是专门建造的一种基础架构,用于放置计算机系统和相关组件,如网络设备、存储系统和电信设备。它是通向我们连接的世界的知识经济的大脑。现代的数据中心起源于20世纪60年代的主机房、电信中心办公室和企业IT布线室。在过去二十年里,一波又一波迅猛涌现的技术创新浪潮极大地提高了现代数据中心的技术水平。

     

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    1997-2007,第一波浪潮 - 裸机服务器

     

    裸机服务器是提供给单一租户的物理服务器。它的优势在于高应用性能和可预测性。弱点在于:高成本、提供应用的中等复杂性和应用部署后的低灵活性。它们会继续存在,作为某些特定的,对性能敏感的工作负载的解决方案,这种工作负载值得使用这种专有的基础架构(如数据库)。裸机服务器还的经常用于专用的计算机集群,这些集群是为支持特定的可扩展分布式计算应用(如Hadoop集群)而构建的。对于更大的灵活性和更好的经济性的要求使得这种方式在不断发展的应用环境下受到了限制。

     

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    2005年至今,第二波浪潮 – 使用虚拟机管理器(hypervisor)实现虚拟化

     

    虚拟化是对计算机系统的仿真,它可以使一台物理计算机能够运行一台或多台虚拟机(VM)。

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    图1:使用虚拟机管理器实现的虚拟化使得一台计算机看起来像多台计算机

    虽然这一概念可以追溯到20世纪60年代和大型计算机时代,但直到1998年,随着VMware将其虚拟机管理器的商业化,它才真正被应用到提高IT效率的最前沿。在VMware之前,大量昂贵的计算机资源未得到充分利用。通过使一台计算机看起来像多台计算机,每台计算机都有自己的客户端操作系统,VMware的虚拟机管理器帮助解决了提高IT效率的需求。1999年发布的VMware虚拟机管理器非常新颖,因为它首次在Intel x86上实现了虚拟化,通过使用二进制转换来替换特权指令,将其捕获到虚拟机管理器中。截至2017年11月,VMware已成长为一家高利润的,市值达到530亿美元的公司,在2017年第三季度,它的收入为19.8亿美元,净利润为4.43亿美元。由于全球数以万计的企业都在VMware的虚拟化系统上运行其重要的运营系统,因此,在基于虚拟机管理器的企业私有云虚拟化解决方案中,VMware成为虚拟化市场的龙头老大。其它的虚拟化软件包括了Microsoft Hyper-V、Linux KVM和Xen。

    使用虚拟机管理器(hypervisor)实现虚拟化的优势包括:技术成熟;广泛采用;通过启用多个虚拟机来提高了计算机利用率;基于虚拟机构建和操作云的基础架构软件;强大的多租户架构支持。

    而这种虚拟化的弱点包括:高复杂性;虚拟机管理器的资源开销;每个客体虚拟机的客户端操作系统资源开销;相对于裸机基础架构而言,对应用的性能不可忽略的影响;当一个用户影响同一物理服务器中其他用户的性能和稳定性时的“邻近噪声效应”。多个虚拟机同时发送其IO请求时导致存储性能降低时的“IO搅拌机效应”。基于工作负载的虚拟机管理器的极高的能源消耗;以及实例化新虚拟机需要的时间。

    使用虚拟机管理器构建了虚拟化平台的虚拟机管理软件供应商和云平台运营商正在致力于通过以下技术来解决其中的一些弱点:硬件虚拟化(例如,Amazon Nitro项目);轻量级虚拟机管理器;将操作系统和应用打包在同一内核镜像内以消除传统的内核空间和用户空间的分隔的单一内核技术(Unikernels);以及各种无服务器计算技术。

     

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    2010年至今,第三波浪潮 - 超聚合基础架构(HCI)(同样是基于hypervisor)

     

    超聚合基础架构(HCI)是一种完全由软件定义的IT基础架构,它可以虚拟化传统“硬件定义”系统的所有元素。HCI至少包括虚拟化计算(一个hypervisor)、虚拟化存储(软件定义的SAN)和虚拟化网络(软件定义的网络)。

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    图2:超聚合基础架构(来源:Nutanix HCI最终指南)

    简单地说,HCI将计算、存储和网络连接集成到一个“盒中云”一体机中,然后提供硬件和软件资产的统一管理视图,以隐藏云平台的复杂性。HCI在裸机设备上使用复杂的基础设施软件,以简化管理,并提高最终用户在某些高价值应用(如虚拟桌面)中的易用性。HCI供应商包括Dell/EMC、IBM、联想、HP、Nutanix、Stratoscale和Cisco。

    HCI的优点包括:通过将硬件和软件预先打包在一起,并通过虚拟机管理器(hypervisor)隐藏掉虚拟化的底层复杂性,保证了它的易用性,通过不断增长的HCI设备集群实现了基础架构的优雅扩展,并且简化了私有云的自建难度。HCI同时还为桌面虚拟化等高价值应用提供了强大的解决方案。

    HCI的弱点包括:当系统资源打包到设备中时,计算和存储的分配比例就被锁定了;对某些重要的有状态的应用(如关系数据库)缺乏支持;对大规模可扩展的现代大数据分布式计算(如Hadoop、MongoDB,Cassandra, 和 Spark)的支持有限;HCI的供应商的锁定;在大型云平台上鲜有部署。

     

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    IT基础架构的第四波浪潮

     

    在IT转型的前三波浪潮中,每个IT项目首先都是从规划底层基础架构开始。例如,要部署数据库,计划的第一步都是从获取和配置服务器或虚拟机、网络设备和存储设备开始。所有必需的基础架构组件一开始都要计划好,以确保它们满足应用的当前的服务等级协议(SAL)和预期增长的要求。只有在计划和配置了所有这些基础架构之后,应用才能上线。但是基础架构存在的目的是为应用服务的,而不是反过来。所以,基于应用来启动一个IT项目不是更好吗?通过只描述其需求,并让基础架构自行组装和配置以满足这些需求(当前的和预期的),这样是不是更好?

    当前我们正在处在第四波IT基础架构创新的浪潮,基础架构将由它所服务的应用来定义。在这第四波浪潮中,应用和人员都摆脱了底层IT基础架构的束缚。底层基础架构本身可能会发生变化,从裸机到虚拟机,再到私有云或公共云,但与应用的交互始终保持不变。第四次浪潮将是应用定义基础架构(ADI)的时代,基础架构变得越来越不可见,至繁再次归于至简。

    下面将阐述第四波IT基础架构的驱动因素,首先我们从一个重要的长期趋势- 容器技术开始。

    容器技术

    容器技术是一种将应用及其依赖项打包的技术,它允许将一个应用从一个计算环境可靠地移动到另一个计算环境。

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    图3:容器技术 vs.hypervisor虚拟化技术(来源:Docker)

    与把整个操作系统与应用打包在一起的虚拟机不同,在一台计算机上运行的多个容器共享操作系统。在自己的容器中运行的每个应用继续享有一个隔离边界,使其看起来像是在该计算机上运行的唯一应用。

    随着Docker在2013年引入应用容器,容器技术变得广泛流行起来。Docker通过将应用打包成Docker镜像的形式作为行业标准,在推广容器概念方面发挥了领导作用。

    容器,特别是Docker,大大简化了应用的配置。它们在将配置和应用的有效负载(容器镜像)的合并或(如果适用)分离之间达到了正确的平衡。容器以接近零的开销运行,因为容器并没有使用虚拟机管理器hypervisor进行虚拟化。相反,它们将应用(或应用的一部分)彼此隔离在安全分区中,这些分区在主机操作系统上的共享用户空间中运行。这意味着应用以裸机速度运行,而不消耗任何额外的资源。

    但是,容器本身不足以作为IT基础架构管理范式,因为它们不具备“基础架构感知”能力。很多机构发现,现有的数据中心基础架构无法处理大量的容器化的应用,因为基于单一现代微服务的Web应用可以轻松地使用超过数百个或更多的容器。需要运行很多应用的机构,经常发现他们的系统管理团队在试图将资源与容器匹配时不知所措。

    容器通过允许多个应用在同一服务器上运行来提高服务器利用率。但是,由于所有应用共享相同的存储,而存储的性能可能不稳定,这会影响所有应用的性能。为了解决这一问题,一些机构将关键的应用部署在隔离的基础架构上,以确保良好的性能,但是这样做导致硬件的过度配置和资源利用率的低下。云计算技术正在发展以解决这个问题。长期以来,云服务提供商一直提供IaaS(基础架构即服务)和PaaS(平台即服务)产品。而第一波基于裸机的CaaS服务(容器即服务)正在开始由最大的云服务提供商开发。在讨论CaaS产品时,“应用状态(application state)”的概念非常重要。

    无状态和有状态的应用

    理解“应用状态”的概念有助于理解服务于应用的IT基础架构不断发展的需求。应用状态是应用组件执行其预期功能所需的数据。一个应用可能需要配置信息、用户证书(user credentials)、用户画像 (user profile) 、用户历史记录、点击流数据(clickstream data)等等。与应用相关联的数据可以存储在许多不同的物理位置:本地服务器缓存、文件系统、数据库表或其它存储资源中。有许多因素有助于全面了解应用状态,如应用的持久性要求(正常运行时间、重新启动要求、数据丢失窗口等),配置状态,会话状态,基础架构状态(如网络地址、集群状态)等等。

    无状态的应用不会保存在一个会话中生成的客户端数据,以在与该客户端的下一个会话中使用。每一个会话都像第一次一样执行,响应不依赖于前一个会话的数据。像HTTP这样的协议是无状态的,Web服务器不会记住处理中的跨页面请求的任何状态。

    相反,有状态的应用会保存以前会话的数据,它们限制需要存储在客户端的数据,并将上一次使用的信息保留在服务器上以备下一次使用。需要执行实时工作的应用通常维护一些状态信息以获得快速的响应时间。这样的例子包括内容分发网络(CDN)、流媒体服务器、身份管理和身份验证服务器以及用于支付处理的核心交易系统。许多至关重要的关键应用通常需要保留和管理状态信息。复杂的分布式大数据、NoSQL和数据库应用都是有状态的,需要在本地和云平台中运行。仅仅将存储卷附加到Docker上不足以支持有状态的应用,因为这并不能解决性能的可预测性、应用的可移植性和高可用性、生命周期管理等问题。因此,迫切需要云计算基础架构更好地支持有状态的关键应用。

    容器编排(Orchestration)

    只有当容器能够有效地部署、管理和扩展时,将应用放入容器才变得有趣。容器编排引擎发挥了管理容器集群的重要功能,是第四波IT基础架构的重要组成部分,其重要性之高,以至于引发了一场“容器编排大战”。主要参战方包括了Docker公司的Swarm,Redhat公司的Openshift,Rancher公司的Cattle,Mesosphere公司的Marathon,AWS公司的ECS,和CoreOS公司的Fleet。容器编排是战略性的,它是更广泛基础架构管理解决方案的一个组成部分。容器编排引擎的重心主要针对无状态的云原生应用。然而,也有一些公司在致力于提高容器化环境中支持像MySQL和PostgreSQL等开源数据库的能力(如Kubernetes的StatefulSet),这就需要全面的基础架构控制,以满足服务级别协议(SLA)、服务质量(QoS)以及有状态的应用的高可用性要求。

     

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    第四波浪潮 - 应用定义基础设施(ADI)

     

    ADI需求概述

    随着容器技术的兴起,以及在共享多租户基础架构上优雅地运行无状态和有状态的应用的需求的上升,应用定义基础架构(ADI)应运而生。

    ADI可以描述为一个基于容器的、应用感知的计算和存储平台,运行在通用硬件组件上。它的软件有效地抽象了底层服务器、虚拟机、网络和存储边界,以生成一个集计算、存储和数据的连续体。许多不同的容器化应用都可以在这个连续体中运行,而不会影响彼此的性能。

    应用的可移植性和可扩展性得到了提高,因为计算和存储是分离的;应用可以在不移动或复制数据的情况下围绕着连续体自由移动。复杂的分布式应用,如NoSQL、Hadoop、Cassandra和Mongo,可以快速轻松地部署。

    ADI能够根据单个应用的需求以及环境的拓扑结构智能地提供容器和存储,并配置应用以充分利用这些组件。ADI确保所有应用获得足够的计算、存储和网络资源,以满足用户定义的服务质量要求;保证了所有应用的性能的可预测性。

    ADI应该能够自动恢复失败的节点和磁盘,并在服务器之间无缝地移动工作负载。因此,硬件的使用更加有效率,对硬件的需求降低,从而可以为不可避免的性能峰值预留更多的硬件。

    Robin Systems公司的ADI介绍

    Robin Systems 公司(以下简称Robin或Robin公司)的应用定义基础架构(ADI)是第四代IT基础架构解决方案,专门设计用于满足裸机、hypervisor虚拟化或HCI所不能满足的快速发展的新兴需求。Robin公司的ADI由容器支持,但远远超出了容器编排或基于容器的IT基础架构的传统概念。

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    图4: Robin公司ADI功能框架图

    Robin公司的ADI是一个基于容器、应用感知的计算和存储平台。其软件有效地抽象了底层服务器、虚拟机、网络和存储边界,它是一个集计算、存储和数据的连续体。许多不同的容器化应用都可以在这个连续体中运行,而不会影响彼此的性能。应用的可移植性和可扩展性得到了提高,因为计算和存储是分离的;应用可以在不移动或复制数据的情况下围绕着连续体自由移动。复杂的分布式应用,如NoSQL、Hadoop、Cassandra和Mongo,可以快速轻松地部署。包含了整个应用环境的Robin应用级快照使得快速创建生产环境的副本变得轻松容易,而不会影响生产性能,并且可以快速回滚到以前的时间点以更正问题。

    Robin技术的关键是它的应用感知结构控制器(Application-Aware Fabric Controller),它是所有应用部署和数据移动的管理层。它控制和管理着两个主要资产,即应用感知计算平面(Application-Aware Compute Plane)和应用感知存储平面(Application-Aware Storage Plane),这两个资产分别将计算和存储虚拟化,消除了容量的孤岛。控制器能够根据单个应用的需求以及环境的拓扑结构智能地提供容器和存储,并配置应用以充分利用这些组件。这使得通过一次点击来部署Cassandra和Hadoop这样的复杂的多容器应用成为可能。此外,Fabric Controller确保了所有应用获得足够的计算、存储和网络资源,以满足用户定义的服务质量要求;保证了所有应用的性能的可预测性。Robin控制整个I/O路径,因此它可以管理读/写请求的优先级,而且可以提供保证的最小和最大IOPS级别,以确保应用的性能不受邻近噪声的影响。

    Robin ADI还通过一键单击粒度快照和精简克隆(可以在几秒钟内创建)提供数据生命周期管理。不像克隆和快照的其他实现,Robin克隆了整个应用的环境,包括存储、操作系统、应用配置和网络拓扑结构。如果一个应用出现了问题,数据可以在几秒钟内回滚到已知的可工作的快照。为了确保高可用性,Fabric Controller监视基础架构并自动恢复故障节点和磁盘。由于Robin能够无缝地在服务器之间移动实时运行的工作负载而无需中断服务,因此可以更高效地使用硬件,对硬件的需求降低,从而可以为不可避免的性能峰值预留更多的硬件。

    Robin公司的ADI技术创新包括:

    1. 100%基于容器。没有基于虚拟机管理器的虚拟化,因此消除了在每个虚拟机中实例化一个完整的客户端操作系统所需的性能、内存和准备时间。

    2. 支持当前和未来的分布式计算应用和分析架构。

    3. 无需了解底层硬件部件细节,通过解耦计算和存储硬件,保证这些位于不同创新曲线上的资源可以独立扩展。在HCI中,计算和存储在购买时是紧密耦合的,并且要保证不会随着应用需求的发展而出错。HCI的数据和存储与计算位于同一设备中的这一优势,Robin 的ADI解决方案完全可以支持,同时还能够以不同的方式优化计算节点和存储节点,以满足“计算密集型”工作负载和/或“数据密集型”工作负载的不同需求。

    4. 强大的服务质量(QoS)和流量管理机制,保证了在整个ADI中同时运行的每个应用的服务级别协议(SLA)。这是通过application-to-spindle的基础架构控制来实现的,它需要深度存储层(deep storage tier)的创新,而这些创新仅仅依靠任何容器管理/容器编排框架都是不可能实现的。正如网络的发展提供强大的包级服务质量(QoS)来支持IP语音一样,ADI也在发展具有强大QoS的IT基础架构,以保证大规模可扩展的无状态和有状态的应用能够在统一平台上得到良好的支持。

    5. 专门构建的“应用感知”的存储堆栈。这将启用几个以应用为中心的生命周期管理工作流,否则它们将被降级为普通的存储卷管理。这很难用现成的存储解决方案来解决。请注意,没有存储本身可以是“应用感知的”。Robin的ADI解决方案提供了一个存储堆栈,它带有可编程原语和application-to-spindle集成,后者可以将这个存储堆栈配置为 “应用感知”的。这种端到端和从上到下的基础架构远远超出了容器编排引擎与第三方通用存储结合时所能实现的功能。

    6. 非常高的存储堆栈性能,这点在第三方测试和客户环境中得到验证,它可以使用所有的通用组件,以远低于高端EMC VMAX阵列的成本,达到相同级别的性能。Robin的ADI解决方案的存储堆栈被证明能比其它的存储堆栈(如Ceph, Gluster, Nutanix, Rubrik和 Cohesity)提供更高的性能基准测试结果。

    7. 一种“应用感知”的容器编排架构,内置以应用为中心的原语,为广泛快速增长的数据驱动应用库提供了PaaS体验。

    8. 业界第一个同时为无状态和有状态的数据驱动应用提供PaaS服务的ADI。而CloudFoundry, Kubernetes, Mesos都不支持类似的BigData,NoSQL和符合ACID规范的关系数据库应用。

    9. 作为领先的开源分布式计算应用具有的易用性。支持广泛且快速增长的战略开源应用库,包括MongoDB,Couchbase,Hortonworks, Elasticsearch, ELK (ElasticSearch + Logstash + Kibana), Solr, Oracle,Cassandra, Hadoop, Cloudera, Redis, Spark, VoltDB, MariaDB, MySQL, PostgreSQL,和 Kafka.

    10. 作为稳定的基础架构管理基础的可扩展性。支持不断增长的应用库。第三方合作伙伴和客户已经为流行的第三方软件包(如Splunk)独立构建了众多应用。

    11. 通过“一键部署”功能对应用提供支持,并且通过完整的应用生命周期管理提供类似应用商店的体验。允许定制名字为“bundle”的应用部署配置文件/模板。追求极致的易用性,致力将用户的每一个复杂的操作简化为“一键”体验。这是Robin的一种有意识的设计理念,当它们为产品添加新功能时,会严格执行该理念。

    12. 可以和裸机媲美的性能。下面是Enterprise Strategy Group提供的第三方基准测试的结果,这个测试对一个多节点Cassandra数据库运行了7种不同的Yahoo Cloud Serving Benchmark (YCSB)测试:

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    图5: ESB Group提供的1代裸机、2代虚拟机和4代Robin's ADI的基准测试结果(来源:https://robin systems.com/wp-content/uploads/2017/05/esg-lab-review-robin-systems-jan-2017.pdf,第7页)

    Robin的ADI解决方案在《财富》50强公司的任务关键型生产环境中得到了大规模部署和验证。其中一个著名的部署是在一个由通用硬件构建的共享基础架构上同时运行一个Cassandra虚拟集群、一个Hadoop虚拟集群、一个Elk虚拟集群、一个复杂分析管道和多个符合ACID规范的关系型数据库。每一个复杂的应用都可以用一个苹果应用商店实例化,就像点击一个图标一样。

     

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    Robin ADI和Kubernetes K8S比较

     

    Kubernetes(K8S)在前面已经讨论过,它是一个面向无状态应用的容器编排框架。Kubernetes是一种重要的新兴技术,在无状态容器管理(例如,服务发现和负载平衡)方面具有优势。这些在有状态应用的世界和/或Robin ADI服务的现代数据堆栈应用中都不太用得上。Kubernetes(K8S)是在Google开发的,它用激进地过度构建云硬件资源的方式来解决共享资源的争用。将同一用户空间中并发运行多个容器的问题抛给硬件和技术人员,然后精简主机操作系统内核的做法,似乎不太可能满足大多数私有云和混合云向前发展的需要。

    相反,Robin ADI是一个大数据,NoSQL和数据库部署和应用生命周期管理框架,面向复杂的分布式和老旧应用。Robin ADI为每个在仓库规模的计算设备上运行的容器提供了可靠的QoS和SLA。

    与Kubernetes(K8S)相比,RobinADI在5个关键领域具有独特的优势:

    1. 容器管理:Robin在虚拟化Linux 名字空间 和cgroups方面做了大量的工作。没有它,人们就不会认真考虑将Robin ADI的“开箱即用”支持的复杂应用(如Cloudera, DB2, SAP HANA等)进行容器化。Robin在解决Docker对容器rootfs的状态保护的局限方面做了大量的工作。因此,它们在无缝地将复杂应用的容器从一个物理主机迁移到另一个物理主机(以实现高可用性)方面,具有独特的优势。Robin通过应用专用的“hooks”技术扩展了容器配置管理,“hooks”是Kubernetes所缺乏的概念。正因为如此,Robin的ADI可以快速地将复杂的有状态的应用打包在一起。

    2. 网络管理:Kubernetes使用覆盖网络(overlay networking)。这使得复杂的分布式应用的IP地址管理变得困难。例如,在Kubernetes中,当一个容器从一个故障主机转移到另一个主机时,它会得到一个新的IP地址。这会破坏分布式应用的网络拓扑视图。有一些复杂的、特定于应用的解决方法可以绕过这个限制。鉴于Kubernetes关注的是不受此影响的无状态的应用,所以Kubernetes并没有解决这个问题。Robin使用网桥网络技术(bridge networking,比覆盖网络性能高),并在容器从一个物理主机移动到另一个主机时管理绑定到容器的IP地址。这是Robin ADI的一大优势,也是实现大规模基础架构、应用和容器可扩展性等广泛功能的关键因素。

    3. 应用的可移植性:Robin ADI允许在云内和云间进行完整的应用和数据移植。这种将一个活动的容器集群在运行时从一个主机移动到另一个主机而不中断其服务的能力是一种创新。例如,你启动了一个作业,让它运行3天,这时你觉得这个作业运行太慢。因为Robin ADI提供了从应用到存储设备的基础架构控制,所以你可以给整个运行时应用和数据作个快照,将这个作业的所有组件迁移到一个更大的集群,并重新启动停止的作业,而不会丢失迄今为止已完成的部分。而使用Kubernetes (KS8)迁移一个在容器集群中运行了部分作业的应用时,这个作业需要被停止并在新的更大的集群中重新从头开始。

    4. 使用体验:Kubernetes被广泛认为安装和维护复杂。而Robin ADI只需要几分钟就可以安装完毕,并且有着类似苹果的使用体验:每一次操作都可以简化为“一键”体验。这是由细粒度“应用到存储”基础架构控制实现的。

    5. 存储管理:这点上面已经详细讨论过。

     

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    Robin ADI解决方案推动了第四波基础架构的创新

     

    当今IT界面临的一个关键挑战是使许多分布式计算应用能够在高效的共享基础架构上和平共存,在这种基础架构中,每个应用都可以根据工作负载的要求以近乎实时的方式进行适当的扩展,而不会损害其他应用的性能。

    在当今的私有云、公共云和混合云中,业务连续性和灾难恢复的传统概念集中在数据可移植性上。它不仅仅是指数据的可移植性,而且指跨平台的完整的应用和数据的可移植性。这不仅意味着应用的可执行文件的移动,还意味着实际运行时的应用和相关数据在使用中的移动。

    基础架构倾向于增加和扩展,而不是完全被替换。因此,基于虚拟化和HCI的第二和第三波IT基础架构还需要很多年的时间被采用新技术的架构所取代。然而,向第四波IT基础架构的过渡已经开始。

    Robin Systems公司已经构建了第一个真正的ADI解决方案。这是一个转折点,无状态和有状态的应用都可以在一个稳定的、高性能的,高成本效益的,完全由经济高效的通用硬件构建而成的共享基础架构上优雅地运行和扩展。没有我们不知道的复杂性需要隐藏,也没有类似其它方案的虚拟化管理软件的成本需要降低,因为这些问题已经完全被云平台管理堆栈消除了。

    有了Robin ADI,你可以这样很容易地在你的应用中启动一个IT项目:你只需要描述它的需求,而基础架构就会自行组装和配置以满足这些需求。这是Robin ADI解决方案在存储层的重大创新。

    最后,Robin ADI允许从容器构建的整个活动集群从一个主机操作系统迁移到另一个主机操作系统,并在不中断服务的情况下进行放大或缩小。这赋予应用和数据新的基于云平台的独立性,它们可以无缝地在私有云、公共云和混合云之间迁移。Robin ADI独特的视角和突破性创新是基于每个容器集群的“application-to-spindle” QoS和可靠的SLA。这需要跨计算层、存储层和网络层,并且一起协力工作的创新。这种以应用为中心的工作流管理将原生云应用和传统应用的简化提升到了一个新的水平,达到了大道至简的终极境界。

    原文:https://www.linkedin.com/pulse/how-application-defined-infrastructure-adi-disrupt-cloud-chris-rust/

    作者简介:Chris Rust, Clear Venture公司联合创始人。

    本文为 CSDN 翻译,转载请注明来源出处。

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    【END】

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