摘 要：本文探討和研究了基于beowulf集群的“透明工廠型”工業(yè)以太網(wǎng)的構架以及關鍵技術，對“透明工廠型”工業(yè)以太網(wǎng)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(yè)以太網(wǎng) 1、 前言 　　以太網(wǎng)是一種成功的信息網(wǎng)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(wǎng)具有成本低、穩(wěn)定和可靠等諸多優(yōu)點，它已經(jīng)成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡之一。以太網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求，所以無法在工業(yè)控制中得到有效的使用。隨著管控一體化技術的發(fā)展，迫切要求能將管理層的以太網(wǎng)向下延伸，直到設備層，形成一個統(tǒng)一的無需數(shù)據(jù)轉換的透明的數(shù)據(jù)鏈路。因此，工業(yè)以太網(wǎng)技術已經(jīng)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(yè)以太網(wǎng)構建的有關問題，為高性能、低成本、高數(shù)據(jù)處理能力和實時性能的工業(yè)以太網(wǎng)建設提供了一套簡單便捷的解決方案。 2、 “透明工廠型”工業(yè)以太網(wǎng) 　　2.1 “透明工廠”及其特點 　　透明工廠是21世紀提出的一個創(chuàng)造性的戰(zhàn)略，它將構建互連網(wǎng)基礎的技術與施耐德自動化的產(chǎn)品融合。其宗旨是將現(xiàn)存的、開放的和已經(jīng)證實的技術引入市場，從而消減專有系統(tǒng)的集成障礙。透明工廠的實施將大大減少系統(tǒng)集成的工作量，也會減少從設計和概念到實際運行產(chǎn)品的時間�！巴该鞴S”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(xiàn)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(yè)以太網(wǎng)及其實質分析 　　“透明工廠”型工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)以太網(wǎng)的完全解決方案，也就是說企業(yè)網(wǎng)從上到下完全是由以太網(wǎng)組成。實現(xiàn)了整個工廠對用戶來說是“透明”的，如圖1是傳統(tǒng)混合型工業(yè)以太網(wǎng)和“透明工廠型”工業(yè)以太網(wǎng)的比較。 　　如圖1左側a的傳統(tǒng)混合型工業(yè)以太網(wǎng)其實是一種折中的方案，也是比較容易實現(xiàn)的方案，是目前許多公司的工業(yè)網(wǎng)絡架構模型。在工業(yè)現(xiàn)場的管理層和車間層使用以太網(wǎng)，向上可以和Internet連接，向下可以讀取車間里各個控制子系統(tǒng)的狀態(tài)信息。在設備層，仍然采用獨自的現(xiàn)場總線技術，如CAN、Profibus、ASI 等。它們與以太網(wǎng)之間通過專用的網(wǎng)關連接。這種方案可以最大限度地利用現(xiàn)有以太網(wǎng)所能提供的通信功能。每個網(wǎng)關是以太網(wǎng)的節(jié)點，同時也是下面子系統(tǒng)的主站。網(wǎng)關可以實現(xiàn)對子系統(tǒng)實時的控制，并把子系統(tǒng)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(fā)送到以太網(wǎng)上。 　　這種方案的好處是避免以太網(wǎng)直接對傳感器和執(zhí)行器等底層設備的訪問，減少了以太網(wǎng)上實時數(shù)據(jù)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(yè)條件下傳輸實時數(shù)據(jù)出現(xiàn)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(xiàn)場總線的繁多協(xié)議同樣影響著終端用戶的使用，而現(xiàn)場總線的統(tǒng)一開放的思想還是沒有完全實現(xiàn)。同時由于在工業(yè)環(huán)境下，以太網(wǎng)的可靠性和數(shù)據(jù)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(yè)以太網(wǎng)其網(wǎng)絡架構模型如圖1右側b所示，其整個網(wǎng)絡是基于統(tǒng)一的協(xié)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(zhí)行器通過工業(yè)以太網(wǎng)I/O模塊連接到以太網(wǎng)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(yōu)點是現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡的全面解決方案，但實現(xiàn)起來還有許多技術問題需要解決。主要要對以太網(wǎng)進行面向實時控制的修改，還要在網(wǎng)絡層以上引入實時控制算法，彌補以太網(wǎng)在傳輸確定性數(shù)據(jù)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(tǒng)的問題。近年來，集群系統(tǒng)迅速發(fā)展，主要是因為集群結點為工作站系統(tǒng)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(wǎng)新技術和新協(xié)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(tǒng)比傳統(tǒng)的并行計算機更易于融合到已有的網(wǎng)絡系統(tǒng)中去。集群開發(fā)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(yè)以太網(wǎng)的實施的難題已經(jīng)成為可能。下面討論如何通過建立beowulf集群系統(tǒng)來大大提高工業(yè)以太網(wǎng)的計算機處理性能和數(shù)據(jù)傳輸能力，解決工業(yè)以太網(wǎng)中實時性能的關鍵問題，來實現(xiàn)“透明工廠型”工業(yè)以太網(wǎng)的問題。 [align=center] （a） 傳統(tǒng)混合型工業(yè)以太網(wǎng) （b） “透明工廠”型工業(yè)以太網(wǎng) 圖1、傳統(tǒng)混合型工業(yè)以太網(wǎng)與“透明工廠”型工業(yè)以太網(wǎng)比較[/align] 3、 Beowulf 集群系統(tǒng) 　　集群，是由一組獨立的計算機系統(tǒng)構建的一個松耦合的多處理機系統(tǒng)，系統(tǒng)中各進程借助網(wǎng)絡實現(xiàn)通信、共享內存?zhèn)鬟f信息，從而實現(xiàn)分布式并行計算。一組廉價的微機協(xié)同工作可以達到超級計算機的性能。目前，集群已經(jīng)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(shù)人已經(jīng)贊同將用市售微機構建的廉價計算集群的稱為Beowulf系統(tǒng)。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(wǎng)連接成一個計算集群，獲得70兆flops的持續(xù)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(tǒng)所具有的價格優(yōu)勢是傳統(tǒng)的并行計算機所無法比擬的。 　　Beowulf系統(tǒng)除了強大的計算能力和極為優(yōu)越的性價比，還具有其它諸多優(yōu)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(tǒng)所用的軟件可以免費從Internet網(wǎng)上下載，構建方法手冊、幫助文件等都可以在Internet網(wǎng)上獲得，這不但降低Beowulf系統(tǒng)的成本，也使系統(tǒng)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(tǒng)與現(xiàn)有軟、硬件結合，允許用戶在一個熟悉的硬件和軟件環(huán)境下開發(fā)，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(tǒng)具有良好的移植性，同時Beowulf系統(tǒng)亦具有良好的可伸縮性，這對系統(tǒng)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(yè)以太網(wǎng)的研究與實現(xiàn) 　　4.1 beowulf集群系統(tǒng)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(jù)要運行的主要應用進行調整，因此，構造集群系統(tǒng)的方案可以根據(jù)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(tǒng)。Beowulf PC集群系統(tǒng)采用通用PC作為節(jié)點，其各個節(jié)點由基于Intel、運行Linux或Windows等通用操作系統(tǒng)的節(jié)點計算機緊密集成，它也可以存在多個網(wǎng)絡通信模式或路徑，在工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境下我們這里都采用以太網(wǎng)通信。 [align=center] 圖2、Beowulf PC集群系統(tǒng)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(wǎng)卡的普通PC機作為節(jié)點組成集群機，實現(xiàn)基于消息傳遞的分布式內存的并行Beowulf PC集群系統(tǒng)。采用CISCO2900XL系列交換機（24口/100M），將交換機設置為3個虛擬網(wǎng)段，其中的一個網(wǎng)段設置為信息接收網(wǎng)段（LAN1） ，另一個網(wǎng)段設置為信息發(fā)送網(wǎng)段（LAN2 ）。LAN1只負責接收來自節(jié)點計算機的消息，將接收到的消息發(fā)送到LAN2的各個端口，LAN2將消息發(fā)送到相應的節(jié)點計算機，以使各節(jié)點計算機的兩個網(wǎng)卡分別進行消息的發(fā)送和接收，提高消息傳遞的速度。交換機的第3個網(wǎng)段用于將系統(tǒng)與局域網(wǎng)連接，從而實現(xiàn)遠程登錄服務等功能。 　　為達到更快的運行速度，可清除各節(jié)點操作系統(tǒng)中不必要的服務以提高應用程序的執(zhí)行效率，并且可以采用將NFS通訊和數(shù)據(jù)通訊分別綁定在不同網(wǎng)卡上的方法提高數(shù)據(jù)傳輸速度，甚至可以在每個節(jié)點安裝三塊網(wǎng)卡，其中之一綁定NFS，另兩塊綁定數(shù)據(jù)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(jié)點的Beowulf系統(tǒng)，其峰值運算速度可以達到38Gflops/sec。 　　4.2 軟件環(huán)境的搭建 　　通常在Beowulf集群上運行的軟件是 Linux操作系統(tǒng)、并行虛處理機 PVM（Parallel Virtual Machine），和消息傳遞接口MPI（Message Passing Interface）。集群環(huán)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(zhí)行部分之間復雜的信息交換和協(xié)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(fā)送消息相互通信。其最大的優(yōu)點是高性能，點到點通信函數(shù)模型、可操作數(shù)據(jù)類型都比PVM豐富，群組通信的函數(shù)庫也更大，但是不如PVM靈活。MPI和PVM都提供了一套函數(shù)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(tǒng)，并已經(jīng)在Windows平臺上實現(xiàn)，提供了對C、Fortran和Java語言的綁定。Beowulf集群系統(tǒng)的微機操作系統(tǒng)多為：UNIX、Linux、WindowsNT/2000/XP。它們都具有很強網(wǎng)絡支持功能和可靠性。其中Linux作為著名的開放操作系統(tǒng)，可以在Internet上免費下載，被多數(shù)Beowulf系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)。 　　在實際的項目實施中采用了Redhat Linux9.0操作系統(tǒng)，安裝好Linux后，對Linux進行網(wǎng)絡配置。在所有的結點微機上安裝TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)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(wǎng)絡名以便區(qū)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(huán)境，并把存儲并行程序的硬盤分區(qū)或文件夾設置為共享。 　　4.3 Beowulf集群系統(tǒng)在“透明工廠型”工業(yè)以太網(wǎng)中的實施 [align=center] 圖3、基于Beowulf集群的“透明工廠型”工業(yè)以太網(wǎng)拓撲結構圖[/align] 　　基于Beowulf集群的“透明工廠型”工業(yè)以太網(wǎng)構架如圖3，Beowulf集群系統(tǒng)在新的工業(yè)以太網(wǎng)中和通用計算機一樣連接到中央交換機，整個網(wǎng)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(chǎn)線上工業(yè)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(xiàn)完全意義上的“透明工廠型”工業(yè)以太網(wǎng)，還需要解決CSMA/ CD 監(jiān)聽機制的安全問題，數(shù)據(jù)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(yè)以太網(wǎng)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(jié)點的報文，在網(wǎng)絡正常運行的情況下，報文從發(fā)送到接收后產(chǎn)生響應所經(jīng)歷的最大的延遲時間。（2）數(shù)據(jù)包丟失率。在正常工作的情況下，指定時間內數(shù)據(jù)包的丟失數(shù)目。（3）傳輸介質。普通以太網(wǎng)傳輸介質在工業(yè)現(xiàn)場的測試結果并不令人滿意。以太網(wǎng)的傳輸介質是否能保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠地傳輸是重要的選擇標準。（4）傳輸速率。在網(wǎng)絡正常工作的情況下，單位時間所能傳送的比特位數(shù)。 　　以動態(tài)通信量濾波型工業(yè)以太網(wǎng)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(shù)：11。由測試的結果可見，在實時性要求不是極高的工業(yè)場合，這種方案已經(jīng)完成可以滿足要求。以上方案在太陽能電池生產(chǎn)線的工控機管理和控制的實施中成本節(jié)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(yè)以太網(wǎng)，該系統(tǒng)采用由微機及高速以太網(wǎng)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(tǒng)擔當了以太網(wǎng)中計算中心與數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸性能， 因而也和Beowulf 集群系統(tǒng)相輔相成，共同解決了工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸實時問題。 參考文獻： 　　1.Korch M,Rauber T. 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