本文借助高性能應(yīng)用平臺(tái)中心IBM platform application center (PAC) 和NICE DCV的集成來講述面向高性能計(jì)算和云桌面可視化的集成架構(gòu)。

3D設(shè)計(jì)應(yīng)用在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、船舶等高端制造業(yè)，也應(yīng)用在游戲、動(dòng)漫、影視等娛樂產(chǎn)業(yè)等。然而應(yīng)用3D過程中需要建模、渲染、求解等，這些需要消耗大量的GPU、IO、及內(nèi)存資源，傳統(tǒng)的方法中的CAE和CAD渲染平臺(tái)是獨(dú)立的，工程師在本地將圖像化作業(yè)渲染出來，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁咝阅苡?jì)算中心進(jìn)行計(jì)算求解，將高性能計(jì)算返回的結(jié)果返回到本地的工作站再處理，這種方式會(huì)帶來數(shù)據(jù)安全性，軟硬件資源浪費(fèi)，管理維護(hù)困難，網(wǎng)絡(luò)傳輸要求高等諸多問題，然而通過把NICE DCV與高性能計(jì)算中心集成可以解決上述問題，工程師只需在高性能計(jì)算中心的web頁(yè)面提交3D應(yīng)用的任務(wù)，應(yīng)用運(yùn)行后由DCV借助GPU來完成渲染工作，用戶通過VNC實(shí)時(shí)查看3D執(zhí)行，進(jìn)行3D交互設(shè)計(jì)即可。所有的操作都在云端執(zhí)行，用戶無需擔(dān)心如何選擇合適的應(yīng)用服務(wù)器、如何選擇合適的圖形渲染服務(wù)器，只需關(guān)心自己提交的3D應(yīng)用即可。本文借助高性能應(yīng)用平臺(tái)中心IBM platform application center（PAC）和NICE DCV的集成來講述面向高性能計(jì)算和云桌面可視化的集成架構(gòu)。

云桌面可視化工具-DCV

云桌面可視化（Desktop Cloud Visualization，以下簡(jiǎn)稱DCV）是面向2D/3D交互式應(yīng)用，傳統(tǒng)的應(yīng)用軟件通過本地高速I/O通道向顯卡發(fā)送圖形處理命令，顯卡將請(qǐng)求數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染成像后顯示在終端上。然而通過DCV所有的圖形渲染工作由數(shù)據(jù)中心的圖形工作站來完成，渲染后的圖像通過DCV協(xié)議經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程的終端上。DCV在帶寬和延時(shí)比較低的情況下能實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程2D/3D交互應(yīng)用的高效運(yùn)行，并且可以將運(yùn)行的可視化任務(wù)共享給多用戶，同時(shí)用戶可以將DCV部署在異構(gòu)的操作系統(tǒng)上（Windows、Linux），支持在物理機(jī)和虛擬機(jī)上進(jìn)行OpenGL的3D加速。圖1為NICE DCV的架構(gòu)。

圖1 NICE DCV的架構(gòu)

NICE DCV 架構(gòu)組成如下：

• DCV服務(wù)器，配置一塊或多塊GPU卡，用于OpenGL渲染。

• 一個(gè)或多個(gè)DCV客戶端，可以配置瘦客戶端，用于遠(yuǎn)程可視化連接。

• 異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（例如LAN、WAN和VPN）。

遠(yuǎn)程3D可視化解決方案對(duì)比

NICE DCV, Hyper-V+RGS，XenServer +HDX ，Citrix HDX，RemoteFX，Exceed On-Demand是目前比較主流的桌面虛擬化平臺(tái)。圖3 為主流的桌面虛擬化平臺(tái)對(duì)比圖。下面主要對(duì)Exceed On-Demand、Citrix HDX、RGS 進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。UNIX用戶可以使用Exceed On-Demand軟件安全、方便和高效的工作，極大的較少X Server的網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，但是Exceed On-Demand只能布置在Linux系統(tǒng)平臺(tái)，支持OpenGL圖形應(yīng)用程序接口，能在Linux平臺(tái)實(shí)現(xiàn)GPU共享。 Citrix HDX是一種全面而易于管理的服務(wù)器虛擬化平臺(tái)，能高效地管理 Windows和 Linux虛擬服務(wù)器，可提供經(jīng)濟(jì)高效的服務(wù)器整合和業(yè)務(wù)連續(xù)性。能實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體、語(yǔ)音、視頻和3D圖形交互。但在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，該產(chǎn)品只能實(shí)現(xiàn)基于Windows平臺(tái)的桌面虛擬化交互，而且無法實(shí)現(xiàn)對(duì)GPU資源的共享。Remote Graphics Server采用惠普專利的HP2壓縮/解壓縮技術(shù)，在低帶寬下仍然能實(shí)現(xiàn)高清及3D OpenGL的圖像數(shù)據(jù)傳輸，在渲染圖形的同步性方面有著出眾的表現(xiàn)，同時(shí)部署比較簡(jiǎn)單，對(duì)OpenGL和DirectX兩種應(yīng)用接口，但無法實(shí)現(xiàn)GPU的共享。NICE DCV協(xié)議適用于多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能較好的應(yīng)對(duì)帶寬和延時(shí)的限制，所有應(yīng)用全部可以運(yùn)行在虛擬機(jī)和物理機(jī)?？蓱?yīng)用在Linux和windows兩種系統(tǒng)平臺(tái)，支持OpenGL和DirectX兩種圖形應(yīng)用接口，同時(shí)還支持異構(gòu)系統(tǒng)平臺(tái)的GPU資源共享。

圖2 可視化解決方案對(duì)比

高性能平臺(tái)應(yīng)用中心PAC和DCV集成架構(gòu)

IBM Platform Application Center（PAC）作為高性能應(yīng)用平臺(tái)中心，內(nèi)建了DCV的應(yīng)用模板，支持DCV 部署在Windows和Linux系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)Web下2D/3D 應(yīng)用的遠(yuǎn)程交互，并借助于PAC的后臺(tái)程序?qū)崿F(xiàn)資源的調(diào)度，支持DCV在當(dāng)前主機(jī)或遠(yuǎn)程機(jī)器渲染 2D/3D應(yīng)用。

PAC和DCV的融合還可以實(shí)現(xiàn)2D/3D任務(wù)的圖形化集中管理和調(diào)度，從PAC上可以實(shí)現(xiàn)2D/3D任務(wù)的建立、提交、運(yùn)行、暫停、終止、查看等全程監(jiān)控及管理。用戶不需要知道哪些機(jī)器安裝了2D/3D應(yīng)用，哪些機(jī)器是可用的，由PAC后臺(tái)的分布式系統(tǒng)來完成資源的分配、調(diào)度。通過這種方式可以共享計(jì)算資源和應(yīng)用許可證，提高資源的利用率和減少硬件和軟件的支出。圖3為PAC和DCV的集成架構(gòu)。

圖3 PAC和DCV的集成架構(gòu)

PAC和DCV集成方案包括提供web入口的高性能應(yīng)用平臺(tái)PAC、計(jì)算資源管理和調(diào)度、圖形可視化資源管理和調(diào)度、后端資源使用實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外還可以增加統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表功能、3D應(yīng)用計(jì)費(fèi)等功能。PAC和NICE DCV集成的整體解決方案具體如下：

用戶通過Web 頁(yè)面登錄到高性能應(yīng)用平臺(tái)中心PAC, 在應(yīng)用程序列表中選擇運(yùn)行交互式的2D/3D圖形可視化應(yīng)用程序的模板，并進(jìn)行應(yīng)用模板的發(fā)布，提交2D/3D圖形化應(yīng)用作業(yè)。

運(yùn)行交互式的2D/3D可視化應(yīng)用的許可證請(qǐng)求被滿足后，主調(diào)度服務(wù)器繼續(xù)向圖形服務(wù)器查詢是否有足夠資源來運(yùn)行應(yīng)用程序，如果當(dāng)前資源滿足需求，則把合適的圖形處理服務(wù)器資源分配給該任務(wù)。

交互式的應(yīng)用程序在實(shí)際分配的圖形服務(wù)器上啟動(dòng)，通過DCV使用本機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器上的CPU、內(nèi)存和顯卡來進(jìn)行圖像渲染，并將圖形Session的信息返回。

遠(yuǎn)程可視化客戶終端獲得遠(yuǎn)程3D圖形Session的信息，然后連接到實(shí)際的Session上。

通過VNC連接遠(yuǎn)程可視化客戶終端，并在用戶的桌面終端機(jī)上使用VNC打開相應(yīng)的交換窗口，實(shí)現(xiàn)用戶交換設(shè)計(jì)。

PAC和DCV的融合可以幫助用戶自動(dòng)選擇可用的應(yīng)用服務(wù)以及渲染機(jī)器，并且提供基于Web頁(yè)面的3D遠(yuǎn)程交互設(shè)計(jì)。用戶只需在PAC提交具體的應(yīng)用，然后通過VNC連接到遠(yuǎn)程客戶機(jī)實(shí)現(xiàn)與3D應(yīng)用的交互設(shè)計(jì)，而無需關(guān)心具體的細(xì)節(jié)。同時(shí)PAC將DCV rending機(jī)器的信息收集后保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，提供對(duì)DCV rending節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，通過分析節(jié)點(diǎn)的CPU 使用率，可用內(nèi)存，I/O速率等來幫助用戶分析提高DCV rending節(jié)點(diǎn)使用效率。圖3為PAC集成DCV后的3D應(yīng)用實(shí)列，圖4為在PAC中對(duì)DCV rending節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析圖。

圖4 PAC和DCV集成實(shí)列圖

圖5 DCV rending節(jié)點(diǎn)負(fù)載統(tǒng)計(jì)分析圖

PAC集成DCV具有如下優(yōu)點(diǎn)：

• 用戶共享2D/3D應(yīng)用程序，減少應(yīng)用許可證的使用。

• 多用戶可以共同完成2D/3D應(yīng)用的設(shè)計(jì)，節(jié)省開發(fā)時(shí)間。

• 提高顯卡、內(nèi)存的使用效率，降低硬件的花費(fèi)。

• 通過PAC的Web頁(yè)面可以靈活訪問3D應(yīng)用。

• 3D任務(wù)的可視化管理，動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

• 提高了3D應(yīng)用程序的可用性。

• 數(shù)據(jù)保存在云端，提高了數(shù)據(jù)的安全性。

• 節(jié)省IT人員的維護(hù)成本。

3D應(yīng)用會(huì)話的生命周期

通過web瀏覽器訪問PAC，在PAC頁(yè)面上進(jìn)行3D任務(wù)的提交， PAC服務(wù)器將作業(yè)請(qǐng)求的信息傳遞給后臺(tái)的分布式系統(tǒng),由后臺(tái)的分布式系統(tǒng)完成資源的分配和調(diào)度，任務(wù)提交后以作業(yè)形式展現(xiàn)在PAC的作業(yè)列表，作業(yè)運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)VNC服務(wù)器、2D/3D應(yīng)用服務(wù)，DCV對(duì)3D應(yīng)用進(jìn)行渲染。創(chuàng)建vnc文件用于VNC桌面客戶端的連接。用戶通過PAC下載VNC 客戶端，然后使用客戶端連接到VNC服務(wù)機(jī)器，開始2D/3D的設(shè)計(jì)、查看等工作，關(guān)閉VNC服務(wù)器上的3D應(yīng)用時(shí)結(jié)束當(dāng)前會(huì)話，作業(yè)結(jié)束。

圖6 應(yīng)用會(huì)話生命周期

結(jié)束語(yǔ)

PAC不僅可以集成DCV，而且還可以集成HP-RGS，EOD等虛擬化應(yīng)用軟件，給用戶提供更多的虛擬化應(yīng)用選擇，此外PAC還內(nèi)置了其它第三方應(yīng)用程序模板，例如ABAQUS、ANSYS、FLUENT、BLAST、HMMER和NASTRAN等。內(nèi)置模板已運(yùn)用多個(gè)行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，例如航空航天，石油化工、機(jī)械制造、汽車制造、生命科學(xué)，醫(yī)療、化工等多個(gè)行業(yè)。更重要的是用戶可以根據(jù)具體需要可以創(chuàng)建應(yīng)用程序模板，擴(kuò)大了應(yīng)用集成的范圍，從而使作業(yè)提交更快速，便捷，低錯(cuò)誤率。應(yīng)用集成是PAC的重要組成功能，PAC還具有作業(yè)管理、集群管理、數(shù)據(jù)管理、用戶管理、報(bào)表分析等諸多功能。

作者簡(jiǎn)介：楊玉林，2012年加入IBM至今，從事軟件測(cè)試工作，研究方向?yàn)榉植际较到y(tǒng)，高性能計(jì)算和圖形可視化。
責(zé)編：周建丁（zhoujd@csdn.net）

總結(jié)

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