分级分布式微机监控系统的主机配置

分级分布式微机监控系统的主机配置 若,? 46?美国德州工控机四通电啮应用电话:(010)62577230,62577231《刹控技术》1999年18g-g5期 分级分布式微机监控系统的主机配置 AClusterConfigurationMethodofHierarchicalandDistributedMicrocomputerSystem -rp2-~ 大连轻工业学院经贸系(1]6o34)阎丕涛 【摘要】以负栽和负栽平衡为起点,给出了基于工业现 场的基本条件和要求确定其微机分布式监控系统中微 Abstract:Wi山thedevelopmentofcomputertecknology.mi? erooompoterclusterisverypopularespeciallyindistributed nmnitorandcontrolsystel/1.111isclusterineludesmmlyPCs connectedbynetwork.TheproblemofthePC'squantityin theclusterisint.r~uced,thatisinecmpliancewithreal—time andreliabilitytheindustry. . Keywords:1.1s衄monitor,loadban凼g,duster configuration,detectionpoint 现代工业生产的连续性,复杂性使测点的种类,数 量大幅度增加,智能仪,现场总线等技术的发展使多 层次的工业监控,调度和管理系统得到广泛的应用,与 此同时,人机接口也由GUI,多媒体到虚拟现实,智能 认知等要求水平日益提高,这些使承担工业监控任务 的主机负载迅速增加,其涉及到系统的网络通信,生产 数据处理,系统管理调度,人机接口,报警报表等多种 作业,而工业监控系统的实时性与可靠性又是最基本 的要求,其主机负载情况和可靠性将直接影响到整个 系统的设计与正常工作. 网络机群的应用,使系统主机的负荷有了分解优 化的途径,而任务的划分,处理机的分配与负载的平衡 是并行计算的基本问,若将由工业主机组成的网络 机群看作是松耦合的分布存储并行机,则可引入并行 计算的,针对工业系统网络机群中的负载平 衡问题加以研究;但这首先要确定网络机群中合适的 主机数量,以求高效率的利用资源,降低成本,同时保 证工业系统的可靠性. 工业系统网络机群的负载平衡问题是并行计算中 的静态负载平衡问题.负载平衡是为了尽量均匀地分 配任务,减少节点间的通信,以求获得较高的并行效 率;它主要分为静态负载平衡和动态负载平衡两大类; 其中,静态平衡是指对计算量和通信量可以进行先验 估计,并在此基础上采用一定的启发算法来划分任务 和分配处理机,同时也有些事先无法预测的系统开销, 需要在程序运行过程中动态地进行调度Hj.对于分布 式的微机监控系统来说,若以现场的智能仪表,总线或 其他测控设备为前端机,以用于生产数据处理,系统管 理调度和人机接口的P(=机群为上位机(见图1),则由 于系统的监测对象事先已知,与前端机的通信及数据 处理任务成为可先验预估量,人机接口和数据交换任 务也可事先划分;因此,其负载的平衡问题是静态负载 的平衡问题.当单个上位机所需承受的最大负载小于 单个上位机的负载能力时,分布式系统上位机群的主 机资源配置退化为系统容错和可靠性问题,即通过多 个上位机的冗余提高系统的可用度,从而增强系统的 可靠性;但当要求单个上位机所承受的最大负载大于 单个上位机本身的负载能力时,就说明系统存在上位 机资源配置和任务划分调度的问题;所以,从单个上位 机所能承受的最大负载出发,以上位机的负载能力为 限,来确定上位机的数量. 网 囝1 应用负载平衡的前提是有一个能正确反映负载及 负载能力的负载指标J.一个作业的响应时间依赖于 其所运行的主机上的负载,负载越重,运行时间越长. 对于上位机来说,理想的负载指标应与作业响应时间 有一个单调的关系,一个作业的运行本身需要占用系 统的各种资源,资源使用得越平衡,作业响应时间就越 短.在工业应用中实时性是其重要的性能指标,它直 接依赖于系统的测控处理周期,而系统的测控处理周 西门子PLC经销商电话:(029)2234544,2225544 分叛分布式微机监控系统的主机配置47? 期与其作业响应时间单调对应;系统的实时性要求越 高,其测控处理周期就越短,对应的作业响应时间也就 要求越短,负载要求就越均衡.本文以作业响应时间 (测控处理周期)和信息量(测点数量)作为研究主机负 载的依据. l方法 假设系统有测控点n个,位于m个前端设备中 (或分为m个测点组,以下均称前端机),上位机与前 端机间的网络拓扑结构为总线型.最大通信速率为, 则总的通信负载以其作业时间可计为:=Bm+ Avn.如果整个系统的实时性要求系统最大测控处理 响应周期为,各前端机的巡检周期为,那么,当 ?时,若要保持一致的总线型拓扑结构,则必须 考虑拆分主机与前端机问的网段(即:将前端机分组监 控管理),方能满足小于的实时性要求;拆分后的网 段间可通过上位机间的其他高速率的网络相连,而拆 分网段的方法可通过组合分拆法来完成.这是一个A 拆分.设可分为段(即分部数为K),则:A的集合 t 为:<,Bm/+Avn/},其中:0<i<矗+1;且有? (Bin/十Avrd)=;考虑到各网段负载的均衡性,可 令分拆的各分部量相等,则其问题退化为古典的组台 论问题,显然最少网段数: K=INT(总/j+l,若MOD(/)>0; K=T(总/),MOD(总/)=0. 当>时,或在分段后的同一网段里(即> 目&时),因为各前端机工作是并行的,而数据在网上 的传输是串行的,所以其各测点数据的有效响应时间 = MAx{,(总一):+(其中,分别为某个 前端设备的巡检周期与通信负载量相关的时间). >=+时,有效响应时间=(一)+ =, 在>的前提条件下,系统能正常的通信 与巡检;总<0+时,有效响应时间:+,须 保证0+<,否则需要在测点数,前端设备等方 面重新定酌系统方案. 对于同一网段中的所有上位机而言,如果各机是 同构的,其每台上位机至少能承担一个前端机的所有 负载任务,对各测点的处理无重复,且人机接口的具体 方式,要求限制已知,如:屏幕显示资源(大小,分辨率 等)限制了屏幕显示的信息量,一定的响应周期里语言 表述信息量有限等;此时,可设一台上位机能令用户满 意的描述输出测点数最多为?一个;另外还必须兼顾 到系统的可靠性,若上位机的失效率为,同一网段中 上位机的数目为,』,有测点?个,一台上位机的更换 安装时间可预估为T.,则无冗余系统平均无故障时 间:MTYF=l/(LX),考虑其中有一台设备的冗余, 则须:MTFF=1/((L一1)X】);这样一来,如要实现上位机系统在其中一台设备故障时能优美降级,保 证其健壮性,就须考虑各上位机在承担其本身的必要 监控任务的同时,有能承担至少一个含测点最多的前 端机的负载能力.假设机均处理测点数为?,优美降 级时均摊的测点数为札,那么:.=LXN,=(L一 1)X(N+),+??一,!vI?含测点最多的前端 机中的测点数,从而可得出:N??一X/(?一+ 巩),同时N??一一含测点最多的前端机中的测点 数,L?/一+1. 另外,对于能令用户满意的最多描述输出测点数 ?一来说,其本身就包含了用户对测点数据的实时性 要求,如果设测点数据处理及输出描述的复杂系数为 ,那么每个上位机的测点负载应满足不等式:+ CX?一<(为上位机与相应的前端机通信所占 用的时间). 由此可知,在实时性要求确定的情况下,人机接口 要求的复杂程度与每个上位机所能处理的测点数之问 是相互制约的. 此时,因为上位机数L,负载量都已确定,所以可 以直接利用并行计算的负载平衡算法来划分任务均衡 负载,以获得较高的系统并行效率J. 2实现 上位机和前端设备间的通信是通过与前端对应的 分布式工业网来实现的,上位机间另有Novell,NT等以 太网相连;上位机间任务的调度可通过速度较高的以 太阿进行.考虑到上位机群的可靠性,采用了分散式 的调度结构.各上位机分别保留了主机状态及任务分 配表,并根据状态表的变化均衡对应的负载 对于处理器来说其负载的大小一般体现在CPU 的利用率和CPU的队列长度上,但对系统的上位机 来说其被争用的主要资源是接口资源,需要均衡的也 主要是接口资源,而系统中人机接口以及和前端通信 接口资源的占用又都与测点负载紧密相关;因此,如果 只考虑静态负载的均衡问题,则可用测点负载作为均 衡上位机负载的指标.另外,由于实时性的限制,上位 机资源的变化须及时通知,以便对应测点负载的及时 处理;这要求上位机状态信息检测的频率越高越好,但 检测频率的提高会增加系统的开销,从而可能影响到 系统正常的作业响应时间.这里我们以上位机轮询广 播应答取样的方式,通过轮询主机对机群的广播应答 (本系统采用NoveU的工作站通信OxEl功能的o4号 调用,报文格式:网络号/轮询主机号/下次轮询主机号 汽车水泵性能测试台电话:(010)65682811,656862918417 ? 48.美国镪州工控机四通电脑应用话:(010)62577230,62577231《澳I控技术》1999 年18卷第5期 /1异常主机号/异常状态),获得各上位机及网络是否正 常的消息(应答缓冲区中是否存在OxFF),如有异常就 由此轮询主机将异常上位机的?号广播给对应的其 它上位机,由在各上位机处理周期(<)中的状态检 测进程接受并处理,从而完成测点负载的重组,保证了 上位机群系统的优美降级.其主机状态及任务分配表 的数据结构表示如下: sLmcti tms~ednetid;/*所在网段号*/ ntid;/*主机m号*/ charname[24:;/*机名*/ ,msi~edhstaltrs;/*对应主机状态*/ imidevice[10];/*分摊的前端负载*/ host: 上位机间轮询处理的周期是与机群和前端问通信 巡检周期相一致的,每台上位机在处理完与前端的通 信作业后就立刻进行广播轮询应答取样工作,然后交 由下一台上位机进行与前端的通信作业,其故障的检 测间隔为,所以在系统降级时被重新均衡的测点信 息的首次最长响应时间<.+(未计人上位机冗余 处理的时间裕量).这样既满足了系统的实时性要求, 又有了适当的上位机状态更新频率 当故障系统恢复时,新修复的上位机正常入网,轮 询主机通过应答获得消息,并将新修复的上位机?号 广播给其他机器,其他上位机立刻卸去对应负载,新修 复的上位机根据自己的原定序号进入轮询状态. 整个系统复位运行或正在轮询的主机故障时,根 据各上位机的计时器计到仍无本网广播报文,则先 计到的上位机始发报文.计时器在每次进行轮询应答 取样时与报文一同清理.其首次最长响应时间<. 3结束语 分布式工业监控系统的设计,任务的划分和分配, 人机接口的满意性等由于其随机性和复杂性使之难以 量化,一般根据实际经验和现场的运行测试完成,一旦 出现问题,往往通过优先级,降低人机接口的满意性和 容错能力等进行补救与迁就,但是随系统的复杂性,人 机接口的要求提高,对量化需求也就越来越大.本文 提供了一种通过对实际工业系统中的已知量:测控对 象的测点,前端设备,实时性要求等的分析运用来设计 规划整个系统的方法,其兼顾了工业系统对实时性和 可靠性的要求,为工业系统中的微机机群的设计和应 用提供了可行的途径. 参考文献 1KumF.Thein?u0fdifferent~~orldoaddescriptiononacload b-】一igscheme,?EETram.on鼬Eng,1991.17(7) 2秦忠国.姜弘道静巷负载平衡问题的表示与算珐计算机科学. 1998.25(2):95,97 3王庆凯,胡亮.Pc机环境中的状态检测和空闲机选择计算机科学. 1998,25(4):95—9"/ 4秦患国等动志负载平衡问题的一种分类与扩散算法计算机科学. 1998,25(5) (收稿日期:1999—02)口 E-mail的发明者托姆林森(RayTomlinson) 托姆林森发明了一个了不起的通信工具E-mail(电子崛 件),对我们的生活,学习和工作方式带来了极其深远的影响. 1965年托姆林森从着名的麻省理工学院毕业后,又花2年时间 拿到了电脑工程的博士学位,然后到一家BBN(BoltBeranekand N)的企业从事电脑方面的研究工作.当时,这家企业正 受聘于美国军方,参加了Inte~t的前身——肿吼的建设和 维护工作.当时他们是在那些简陋的硬件设备上搞一个操作 系统,托姆林森搞出一个"传递信息的程序,这个程序刚开始 时只能在当地使用,但赧快他使它能够走得更远,最后可以跨 越整个来传递崛件. 与电话发明人贝尔给助手打的第一个电话不同,第一封电 子邮件的具体内容已经没有人记得了,所知道的只是这封电子 邮件是由托姆林森从一台电脑发给另一台电脑的,收件人就是 他自己.对于这项发明,当时就连他自己都没有认识到它的重 要性,托姆林森在BIIN多年共事的同事与朋友JeBurchfid回 忆道:"他一面向我展示他所取得的成绩,一面不断叮累我说: '千万不要告诉其他任何人,我们拿钱可不是为了搞这个的"' 后来政府机构负责Pa项目的一个主管L丑nyRoberts对这 项发明爱不释手.并把电子邮件作为自己在工作中唯一的通信 方式,这迫使他们的其他研究人员不得不与之联网.于是这种 通过网培来传递信息的系统,很快就成为一个不可缺少的工具 而风靡世界. E-mail的发明改变了许多企业和成千上万人的工作与生活 方式,也成了远隔千里的家人经常保持联系的最佳途径这项 发明改变了整个世界的通信面貌,为许多人带来了方便和巨大 的财富,但是发明者自己却没有从中得到一分钱的好处.他自 我解嘲地说:"电新有时是能带来巨大回报的,但我的这项创新 却不属于此列." 分币大小的微型光盘 据报道,美国明尼苏选大学的科学家发明了一种分币大小 的微型光盘,其存储容量是普通光盘的几千倍,数字光盘的几 十倍.科学家说,这种微型光盘的数据存储密度比目前性能最 好的数字光盘还要高出近百倍,它用于存储数据的凹槽仅10 nm,问距为加nm读盘时,处于振动状态的专用微型硅针头靠 近数据槽,原子问相互作用会使针头的振动频率发生变化,测 量这一变化量,计算机便可读出盘上刻录的信息 目前普通光盘仅能存储10rain的高质量影像信息,数字光 盘每面可存133reffn,而这种微型光盘可达到5h.匕 西安科工控承接水处理工程电话:(029)34544/2225544