摘 要：本文探討和研究了基于beowulf集群的“透明工廠型”工業以太網的構架以及關鍵技術，對“透明工廠型”工業以太網的研究和建設提供了一套可行切實的解決方案，對相關的研究具有指導意義。 關鍵詞：beowulf，集群，透明工廠，工業以太網 1、 前言 　　以太網是一種成功的信息網絡技術，進入市場已近30年了，在辦公自動化獲得了廣泛的應用。以太網具有成本低、穩定和可靠等諸多優點，它已經成為最受歡迎的通信網絡之一。以太網的典型通信特點是隨機接入、載波偵聽、碰撞檢測和競爭沖突。 　　然而以太網是為面向辦公自動化等實時性要求不高的領域而設計的，傳輸報文具有排隊延遲不確定的缺陷，無法保證數據傳輸的實時性要求，所以無法在工業控制中得到有效的使用。隨著管控一體化技術的發展，迫切要求能將管理層的以太網向下延伸，直到設備層，形成一個統一的無需數據轉換的透明的數據鏈路。因此，工業以太網技術已經成為人們關注的重點，本文研究了基于beowulf集群的“透明工廠型”工業以太網構建的有關問題，為高性能、低成本、高數據處理能力和實時性能的工業以太網建設提供了一套簡單便捷的解決方案。 2、 “透明工廠型”工業以太網 　　2.1 “透明工廠”及其特點 　　透明工廠是21世紀提出的一個創造性的戰略，它將構建互連網基礎的技術與施耐德自動化的產品融合。其宗旨是將現存的、開放的和已經證實的技術引入市場，從而消減專有系統的集成障礙。透明工廠的實施將大大減少系統集成的工作量，也會減少從設計和概念到實際運行產品的時間。“透明工廠”是建立在新的信息技術和通訊技術基礎上的，這些技術包括OPC開放、軟件標準和Web技術等。透明工廠中的一個顯著的特點是將Web訪問的功能擴展到I/O級，從而實現遠程調解I/O的功能，而不僅僅是停留在訪問I/O信息。 　　2.2 “透明工廠型”工業以太網及其實質分析 　　“透明工廠”型工業以太網是工業以太網的完全解決方案，也就是說企業網從上到下完全是由以太網組成。實現了整個工廠對用戶來說是“透明”的，如圖1是傳統混合型工業以太網和“透明工廠型”工業以太網的比較。 　　如圖1左側a的傳統混合型工業以太網其實是一種折中的方案，也是比較容易實現的方案，是目前許多公司的工業網絡架構模型。在工業現場的管理層和車間層使用以太網，向上可以和Internet連接，向下可以讀取車間里各個控制子系統的狀態信息。在設備層，仍然采用獨自的現場總線技術，如CAN、Profibus、ASI 等。它們與以太網之間通過專用的網關連接。這種方案可以最大限度地利用現有以太網所能提供的通信功能。每個網關是以太網的節點，同時也是下面子系統的主站。網關可以實現對子系統實時的控制，并把子系統內部的信息進行預處理，只把一些重要的信息按照TCP/IP 的幀的格式發送到以太網上。 　　這種方案的好處是避免以太網直接對傳感器和執行器等底層設備的訪問，減少了以太網上實時數據的傳送量，減少了沖突的機會，在一定程度上避免了在惡劣的工業條件下傳輸實時數據出現遲延的問題。但這種模型還只是一個過渡型的結構，因為設備現場總線的繁多協議同樣影響著終端用戶的使用，而現場總線的統一開放的思想還是沒有完全實現。同時由于在工業環境下，以太網的可靠性和數據處理能力都會收到影響，在一定程度有所降低，在電磁兼容性方面也有待于進一步提高 　　基于新型的“透明工廠型”工業以太網其網絡架構模型如圖1右側b所示，其整個網絡是基于統一的協議，所以用戶可對從高層的管理層到底層的設備層的任一個設備進行訪問，而無需知道這種訪問是如何進行的。普通的傳感器、執行器通過工業以太網I/O模塊連接到以太網上，管理層的主機可采用IP訪問的方式與各個設備進行通信。這種方案的優點是現場監控網絡的全面解決方案，但實現起來還有許多技術問題需要解決。主要要對以太網進行面向實時控制的修改，還要在網絡層以上引入實時控制算法，彌補以太網在傳輸確定性數據方面先天性的不足。 　　而Beowulf 集群技術解決了如何通過使用普通PC來達到高性能、高實時的計算系統的問題。近年來，集群系統迅速發展，主要是因為集群結點為工作站系統的處理性能越來越強，更快的處理器和更高效的多CPU機器已大量進人市場，以及局域網新技術和新協議的引入，集群結點間的通信能獲得更高的帶寬和較小的延遲，集群系統比傳統的并行計算機更易于融合到已有的網絡系統中去。集群開發工具日臻成熟，其價格也愈加便宜并且易于構建。另外集群的可擴展性良好，結點的性能也很容易通過增加內存或改善處理器性能獲得提高。因此采用集群技術來解決“透明工廠型”工業以太網的實施的難題已經成為可能。下面討論如何通過建立beowulf集群系統來大大提高工業以太網的計算機處理性能和數據傳輸能力，解決工業以太網中實時性能的關鍵問題，來實現“透明工廠型”工業以太網的問題。 [align=center] （a） 傳統混合型工業以太網 （b） “透明工廠”型工業以太網 圖1、傳統混合型工業以太網與“透明工廠”型工業以太網比較[/align] 3、 Beowulf 集群系統 　　集群，是由一組獨立的計算機系統構建的一個松耦合的多處理機系統，系統中各進程借助網絡實現通信、共享內存傳遞信息，從而實現分布式并行計算。一組廉價的微機協同工作可以達到超級計算機的性能。目前，集群已經成為各高性能計算機廠商的研究熱點。 　　Beowulf的定義至今還有爭議，但大多數人已經贊同將用市售微機構建的廉價計算集群的稱為Beowulf系統。第一個Beowulf于1994年誕生于美國航空航天局的戈達德空間飛行中心，該中心科學家Sterling和他的同事，將16臺Intel486微機用標準以太網連接成一個計算集群，獲得70兆flops的持續運算能力，建造該集群僅費4萬美元，而當時市場上出售的具有相同性能的超級計算機約為100萬美元一臺。Beowulf 系統所具有的價格優勢是傳統的并行計算機所無法比擬的。 　　Beowulf系統除了強大的計算能力和極為優越的性價比，還具有其它諸多優點。首先，它依賴的都是一些成熟的、容易獲得的計算機技術和設備，不存在技術上的風險。其次，很多構建Beowulf系統所用的軟件可以免費從Internet網上下載，構建方法手冊、幫助文件等都可以在Internet網上獲得，這不但降低Beowulf系統的成本，也使系統的構建較為容易。第三、微機是應用最為廣泛，最為廣大科研工作者熟悉的一類計算機，Beowulf系統與現有軟、硬件結合，允許用戶在一個熟悉的硬件和軟件環境下開發，調試和運行并行程序，這為使用者帶來了很大的方便。第四、Beowulf系統具有良好的移植性，同時Beowulf系統亦具有良好的可伸縮性，這對系統的構建、維護以及資源的充分利用都十分有利。 4、 基于beowulf集群的“透明工廠型”工業以太網的研究與實現 　　4.1 beowulf集群系統的構建 　　PC集群屬于高性能集群計算、并行計算技術中的一種，集群構建時組成部分可根據要運行的主要應用進行調整，因此，構造集群系統的方案可以根據具體需要調整。而Beowulf集群主要是使用普通的、相對廉價的計算機構建能夠處理繁重計算的集群。這里我們采用PC集群構建Beowulf 集群系統。Beowulf PC集群系統采用通用PC作為節點，其各個節點由基于Intel、運行Linux或Windows等通用操作系統的節點計算機緊密集成，它也可以存在多個網絡通信模式或路徑，在工業以太網環境下我們這里都采用以太網通信。 [align=center] 圖2、Beowulf PC集群系統拓撲結構示意圖[/align] 　　如圖2所示，我們采用16臺CPU為PIV-2.66GHz、內存為512M、硬盤為80GB/7200RPM、配有雙網卡的普通PC機作為節點組成集群機，實現基于消息傳遞的分布式內存的并行Beowulf PC集群系統。采用CISCO2900XL系列交換機（24口/100M），將交換機設置為3個虛擬網段，其中的一個網段設置為信息接收網段（LAN1） ，另一個網段設置為信息發送網段（LAN2 ）。LAN1只負責接收來自節點計算機的消息，將接收到的消息發送到LAN2的各個端口，LAN2將消息發送到相應的節點計算機，以使各節點計算機的兩個網卡分別進行消息的發送和接收，提高消息傳遞的速度。交換機的第3個網段用于將系統與局域網連接，從而實現遠程登錄服務等功能。 　　為達到更快的運行速度，可清除各節點操作系統中不必要的服務以提高應用程序的執行效率，并且可以采用將NFS通訊和數據通訊分別綁定在不同網卡上的方法提高數據傳輸速度，甚至可以在每個節點安裝三塊網卡，其中之一綁定NFS，另兩塊綁定數據通訊，達到高速通信的目的。同樣采用以上技術，對于48個ATHLON 1G節點的Beowulf系統，其峰值運算速度可以達到38Gflops/sec。 　　4.2 軟件環境的搭建 　　通常在Beowulf集群上運行的軟件是 Linux操作系統、并行虛處理機 PVM（Parallel Virtual Machine），和消息傳遞接口MPI（Message Passing Interface）。集群環境中應用較多的是消息傳遞模型。消息傳遞模型為編程者提供了靈活性但卻將各個并行執行部分之間復雜的信息交換和協調控制的任務交給了編程者，增加了編程者的負擔，這是消息傳遞編程模型的劣勢。 　　目前比較流行的消息傳遞軟件是并行虛擬機PVM（parallel virtual machine）和消息傳遞接口MPI（message passing interface）。MPI是一個顯示的消息傳遞模式，在其中，任務通過發送消息相互通信。其最大的優點是高性能，點到點通信函數模型、可操作數據類型都比PVM豐富，群組通信的函數庫也更大，但是不如PVM靈活。MPI和PVM都提供了一套函數集，且各有所專。它們能在所有的并行平臺上運行，包括PVP、SMP、MPP（massively parallel processor）、工作站和PC組成的集群系統，并已經在Windows平臺上實現，提供了對C、Fortran和Java語言的綁定。Beowulf集群系統的微機操作系統多為：UNIX、Linux、WindowsNT/2000/XP。它們都具有很強網絡支持功能和可靠性。其中Linux作為著名的開放操作系統，可以在Internet上免費下載，被多數Beowulf系統作為操作系統。 　　在實際的項目實施中采用了Redhat Linux9.0操作系統，安裝好Linux后，對Linux進行網絡配置。在所有的結點微機上安裝TCP/IP網絡協議，并將所有的結點微機設置為同一工作組，結點微機定義不同的網絡名以便區分。再將結點微機上安裝MPI軟件MPICH1.2.5.2作為集群的支撐環境，并把存儲并行程序的硬盤分區或文件夾設置為共享。 　　4.3 Beowulf集群系統在“透明工廠型”工業以太網中的實施 [align=center] 圖3、基于Beowulf集群的“透明工廠型”工業以太網拓撲結構圖[/align] 　　基于Beowulf集群的“透明工廠型”工業以太網構架如圖3，Beowulf集群系統在新的工業以太網中和通用計算機一樣連接到中央交換機，整個網絡分為4層，分別是計算機管理層（計算機中心），管理人員層（管理層），車間層（生產線上工業PC機）以及設備層，各層通過高速中央交換機連接，另外通過Internet遠程管理人員可以接入，對整個“透明工廠”進行操控。當然，要實現完全意義上的“透明工廠型”工業以太網，還需要解決CSMA/ CD 監聽機制的安全問題，數據的沖突問題等等其它有關的問題，這里限于篇幅，不一一討論。 5、性能測試與結果分析 　　工業以太網的測試通常包括以下幾個重要的指標：（1）最大響應時間。對于每個節點的報文，在網絡正常運行的情況下，報文從發送到接收后產生響應所經歷的最大的延遲時間。（2）數據包丟失率。在正常工作的情況下，指定時間內數據包的丟失數目。（3）傳輸介質。普通以太網傳輸介質在工業現場的測試結果并不令人滿意。以太網的傳輸介質是否能保證數據穩定、可靠地傳輸是重要的選擇標準。（4）傳輸速率。在網絡正常工作的情況下，單位時間所能傳送的比特位數。 　　以動態通信量濾波型工業以太網的的標準測試條件：幀長度512 Byte ，測試時間600s，幀間距9.6μs做測試。測試結果如下：通信量：300MB/s，最大響應時間：187.3ns;丟失幀數：11。由測試的結果可見，在實時性要求不是極高的工業場合，這種方案已經完成可以滿足要求。以上方案在太陽能電池生產線的工控機管理和控制的實施中成本節約了近80%，而同樣達到了良好的效果。 6、結論與展望 　　本文討論了如何構建基于Beowulf集群的“透明工廠型”工業以太網，該系統采用由微機及高速以太網絡組成的分布式、同構、對等集群結構形式，由16臺微機組成的Beowulf集群系統擔當了以太網中計算中心與數據處理中心的重任，達到了高性能超級計算機的指標。而以太網由于結構簡單、構造容易，可以低廉的價格獲取較高的局域網數據傳輸性能， 因而也和Beowulf 集群系統相輔相成，共同解決了工業以太網的數據傳輸實時問題。 參考文獻： 　　1.Korch M,Rauber T. Evaluation of Task Pools for the Implementation of Parallel Irregular Algorithms[C]. Proceedings of the International Conference on Parallel Processing Workshops, 2002. 　　2.李貴明.俞國揚.羅家融.基于Linux的Beowulf集群的實現[J].計算機工程.2003: 29（II）. 　　3.王韜.李曉明.SMP Cluster:如何開發兩級并行[J].計算機工程與科學.2002,24（4）. 　　4.李翀,羅家融,王華忠. 基于BEOWULF的PC集群系統設計及并行編程的研究[J].微計算機信息.2005,21（8-3）:64-67