基于Xen的工業過程綜合監控平臺設計與實現
2014-08-08 19:33:19葉瑩韓冰陳鵬王薇
計算技術與自動化 2014年2期
葉瑩+韓冰+陳鵬+王薇
收稿日期：2013-06-24
基金項目：國家“863”計劃重點項目(2011AA110202)
作者簡介：葉 瑩（1980—），男，湖北咸寧人，工程師,學士，研究方向：現場工業控制及系統應用。
文章編號：1003-6199(2014)02-0034-04
摘 要：隨著現代工業生產自動化水平的提高，監控平臺已經成為自動控制系統中必不可少的部分；近年來信息化技術的發展要求工業企業破除各裝置之間存在的“自動化孤島”壁壘，實現統一的系統監控、身份認證以及軟硬件平臺的高度可靠。本文基于Xen實現統一監控虛擬化軟硬件平臺，并在其上完成主流監控軟件（Ifix/PIMS/VXSCADA）的部署，進行冗余熱備機制和高度可用性等技術的試驗，實現異構監控平臺的統一部署、統一接入和即插即用。
關鍵詞：虛擬化技術；工業控制；監控平臺
中圖分類號：TN081文獻標識碼：A
The Design and Implementation of a Comprehensive Monitoring Platform for Industrial Process Based on Xen
YE Ying1, HAN Bing1,CHEN Peng1,2,WANG Wei1
(1.Zhejiang SUPCON Research Limited Company, Hangzhou,Zheijiang 310053, China;
2.Institute of Cyber-Systems and Control Zhejiang University, Hangzhou,Zheijiang 310053, China)
Abstract:With the development of the automation technologies in modern industrial production, SCADA has become an essential part in automatic control system. The development of information technology requires industrial enterprises to break the barriers known as “isolated automation island” between each device, realizes the unity of the system monitoring, the identity authentication and high reliable software/hardware platform. In this paper, a unified monitoring software/hardware platform based on virtualization technology has been designed with the help of Xen, and several mainstream SCADA software (Ifix/PIMS/VXSCADA) are deployed on the platform. Besides, redundant hot standby mechanism and high availability technologies are studied to realize the unified deployment/access and plugandplay of different SCADA software.
Key words:virtualization technology;industrial control;Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA)
1 引 言
隨著微電子技術、計算機控制技術、工業以太網技術及現場總線技術的發展，作為通用的自動化系統開發與實施工具軟件——工控組態軟件日漸成熟。由于其在構建工業控制系統的過程中免去了大量煩瑣的編程工作，極大地提高了自動化系統開發、實施和運行管理過程中的工作效率，近年來，工控組態軟件在中小型工業過程控制工程、工業自動化工程中越來越受到歡迎［1］。
目前，世界上有不少專業軟件/硬件/系統廠商生產和提供各種組態軟件產品，如Ifix，PIMS，VXSCADA，組態王等，這些產品在工業控制系統中得到了廣泛的應用，為提升我國工控企業的自動化水平做出很大的貢獻；然而，各組態軟件間的兼容性較差，很難進行信息的交互，形成了企業內部的“信息孤島”；控制算法和核心指令均通過監控計算機實施，一旦軟硬件出現問題，就會對企業生產造成巨大的損失，且系統的恢復以及維護均需要專業人員現場完成，工作量巨大。信息化技術的發展對工礦企業的自動化系統提出了更高的要求，即具有高度的信息互通互聯、統一身份認證、即插即用以及高度的安全性/可用性，同時系統配置、維護和升級簡單方便。
傳統的監控系統和組態軟件均采用C/S架構，其優點是客戶端響應速度快，處理能力強。這種模式比較適用于在小規模、并發用戶少且有安全性保障的局域網環境中運行。但隨著信息技術以及用戶需求的發展，傳統C/S架構的監控系統暴露出許多問題，其局限性表現在如下幾個方面［2］：
1)部署困難。除了要安裝服務器軟件外，對每臺客戶機都要安裝專用的客戶端軟件，對于大型分布式系統來說，不便于管理。
2)監控系統軟件產品大都缺乏開放的標準，一般不能跨平臺運行。在多數情況下，客戶端的操作系統是不同的，與此對應的客戶端程序也是不同的。
3)移植性差。如果用戶分布范圍廣，造成系統維護難度大，移植、升級困難，成本較高。
4)可擴充性差。對于服務器端的數據庫，它必須同每一個活動的客戶端保持連接，服務器有限的系統資源將被用于頻繁應付與客戶端之間的連接，無法及時響應數據請求，系統性能不斷下降。
基于上述現有工業監控系統平臺的不足，本研究引入基于Xen的虛擬化技術對硬件資源進行整合，實現了統一監控虛擬化軟硬件平臺，并基于虛擬機完成了主流監控軟件（Ifix/PIMS/VXSCADA）的安裝和部署，通過統一的虛擬機監視器(Virtual Machine Monitor，VMM)對運行在虛擬機之上的數據服務/監控服務應用進行配置和管理，同時虛擬化技術的引入可進行動態遷移，實現不宕機情況下應用程序的轉移［3］，保證工業現場監控連續性。為達到監控和管理工業生產的目的，需要實現對虛擬機桌面進行訪問和操作，本研究使用身份認證機制，實現用戶權限的識別，最終實現了異構監控平臺的統一訪問、即插即用和高度安全性/可用性。
計算技術與自動化2014年6月
第33卷第2期葉 瑩等：基于Xen的工業過程綜合監控平臺設計與實現
2 虛擬化技術分析
虛擬化技術是指在一個計算機硬件平臺上模擬多個獨立的、結構和實際硬件相同的虛擬硬件系統，在每個虛擬硬件系統上都可以運行不同的操作系統，即客戶操作系統 ［3］。虛擬化的概念最早由IBM公司在上世紀六十年代提出，并成功運用在IBM大型機System/360上［4］。虛擬化技術能夠動態組織多種計算資源，實現透明化的可伸縮計算系統架構，從而可以靈活構建滿足多種應用需求的計算環境，提高計算資源的使用效率，除此之外虛擬化技術還有降低管理成本、提高使用靈活性、提高安全性、更高的可用性、更高的可擴展性、互操作性和投資保護、改進資源供應等特點［5］。因此，虛擬化技術是IT基礎設施和資源管理方式的變革，降低了資源使用者和資源之間的聯系度［6］。
從虛擬化的目的來分，虛擬化技術可分為平臺虛擬化、資源虛擬化、應用程序虛擬化和表示層虛擬化等［7］，本文主要對平臺虛擬化中的系統級虛擬化技術進行研究，通過隱藏控制平臺的實際物理特性，為用戶提供符合要求的虛擬主機的硬件及軟件配置。平臺虛擬化技術的核心是虛擬機監視器(VMM)，它提供能夠模擬硬件資源且與物理主機相似的虛擬機(VM)。虛擬機上運行的操作系統稱為客戶操作系統（GOS），VMM可以在同一臺物理主機上虛擬出多個VM，并且做到各個VM之間相互隔離并可以安裝不同的操作系統。從功能角度來分析，VMM作用是對各個VM的資源進行調度、分配和管理，保證各個GOS安全運行［8、9］。
3 基于Xen技術的虛擬化監控系統開發
方法
3.1 Xen虛擬化技術
Xen是劍橋大學開發的虛擬機管理軟件［6］，通過修改操作系統內核避免對所有硬件的模擬，使其相對于全虛擬化有更高的性能，但虛擬機所能安裝的操作系統局限于一些開源的操作系統，如NetBSD， GNU/Linux， FreeBSD和Plan 9等系統，對于Windows操作系統則不能運行。自Xen3.0版本后，通過引入Intel VT和AMD-V技術，使得Xen不修改操作系統內核也能達到較高的虛擬化性能，大大擴展了應用范圍；同時還支持32位、64位及PAE虛擬機，保存及恢復虛擬機，動態遷移等功能，能夠應用于服務器的在線維護，在線升級和動態負載均衡等方面［10］。Xen主要分為四大核心子系統: CPU虛擬化、內存虛擬化、I/O設備虛擬化，以及網絡虛擬化，在此不再贅述。
3.2 基礎硬件設備
Xen從3.0版本開始通過使用Intel VT-X和AMD-V等技術實現對硬件虛擬化的支持，提高了Xen的兼容性，使得非開源的Windows操作系統也能應用于Xen虛擬機。目前主流的監控組態軟件大部分是基于封閉的windows系統開發的，Xen3.0的推出為實現異構監控系統的綜合監控平臺開發奠定了技術基礎。如圖2所示，本研究選用了采用VT-x 技術的IBM X3850 X5（1臺），IBM System x3650 M3（2臺）服務器作為構建虛擬化系統的硬件支持。
3.3 統一監控平臺設計
對虛擬機的訪問可通過遠程登錄的方式進行操作。傳統的遠程登錄方式有Windows系統自帶的遠程登錄軟件，RealVNC等軟件。在較大規模的工業控制現場中，存在多個用戶同時訪問同一系統監控畫面的可能，而如何避免在查看監控時的相互干擾和如何控制查看監控時的權限是虛擬化監控系統集群必須要解決的兩個問題，常規遠程登錄軟件無法解決。本文研究設計了統一監控平臺，這其中包括身份認證系統，訪問控制系統和遠程登錄系統，實現對虛擬機訪問的綜合統一控制。
3.3.1 身份認證模塊設計
身份認證模塊開發使用Web Service技術，在統一監控客戶端輸入用戶信息，用戶信息被傳遞到Web Service服務器，該服務器上配置了身份認證服務，在用戶信息到達后，該服務訪問數據庫，數據庫使用MySQL數據庫存儲用戶身份信息，包括用戶名、密碼、權限等信息。身份認證服務獲取用戶信息后進行判斷，把驗證結果返回到統一監控客戶端。其數據流向如圖1所示：
圖1 身份認證系統結構圖
圖2 身份認證對話框
當統一監控客戶端接收到驗證信息后，客戶端對驗證信息進行解析。如果驗證失敗，顯示失敗原因，本模塊中失敗原因分為用戶名錯誤，密碼錯誤，驗證服務未開啟三種情況。如果驗證正確，客戶端會得到該用戶的權限，分為0級，1級，2級和3級，每一級擁有對不同監控系統進行管理的權限，對應關系如表1所示：
表1 權限分配表
權限分配表
1級
2級
3級
0級
供電系統
給水泵汽輪機
電液控制系統
爐膛安全
監控系統
鍋爐室
模擬監控
全局權限
客戶端會根據不同的權限級別把對應于各系統的連接按鈕變為可用，對于不擁有訪問權限的監控系統，對應的連接按鈕變為不可用狀態，從而達到分權限對監控系統進行訪問的目的。
3.3.2 訪問控制模塊設計
在工業控制現場，較多的使用一個系統作為一個監控工程，當遇到兩個或兩個以上用戶同時對同一監控工程訪問時，需要保證每個用戶監控不相互干擾。
本文中采用建立多個虛擬機的方法，如供電系統監控，建立4臺虛擬機安裝供電系統監控軟件，在無用戶訪問時，虛擬機處于掛起狀態。通過身份認證后的用戶訪問供電系統監控軟件時，統一監控客戶端先訪問到WEB服務器的訪問控制服務，獲取供電系統監控虛擬機的占用情況，為用戶分配一個空閑的虛擬機并激活，再通過遠程登錄的方式查看操作虛擬機桌面。
3.3.3 遠程登錄模塊設計
為實現對虛擬機桌面的訪問，開發遠程登錄模塊。在該模塊中加入網絡通信狀態的實時監測，負責檢測與虛擬機通信狀態，并保證通信中斷恢復后的重新登錄。
3.4 虛擬化監控方案架構及效果
通過使用Xen技術構建虛擬機，開發統一監控平臺，能夠構建一套完整的支持工業監控的虛擬化系統。虛擬機創建時分配單核CPU，1G內存和30G磁盤。為了驗證該虛擬化監控系統，本文選用Ifix/PIMS/ VXSCADA等幾款常用的工業生產監控軟件構建虛擬化監控系統，根據Xen虛擬機配置方法，完成動態遷移功能設置，每個虛擬機上搭載的服務如圖3所示。
圖3 虛擬機搭載服務示意圖
圖4 統一監控平臺運行效果
在每個監控軟件上配備模擬監控工程，實現組態信息的發布及監控，實際運行的效果如圖4，統一監控端實現了對多個虛擬機統一訪問的功能。
各個虛擬機在監控軟件運行情況下對10分鐘內CPU和內存占用情況進行統計，經平均后統計結果如表2。
表2 各虛擬機主要資源占用統計
序號
CPU（%）
內存（M）
1
12
132
2
30
413
3
32
435
4
45
513
5
43
602
6
35
451
7
36
413
8
31
389
圖5 動態遷移測試配置圖
基于Xen的虛擬化技術能夠進行動態遷移和運行時負載均衡［5］，提高工業監控系統的連續性和穩定性。為了展示虛擬化系統高可用性，進行動態遷移實驗。動態遷移是虛擬機由一個物理主機轉移到另一個物理主機的過程，可以在不影響用戶使用的情況下實現對物理機的維護和升級，進行了如圖4的演示驗證方案。
表3 監控中斷時長統計表
序號
監控中斷
時長(ms)
最大中斷
時長(ms)
最小中斷
時長(ms)
平均中斷
時長(ms)
1
963
2
840
3
983
4
1226
5
1309
6
892
7
982
8
934
9
961
10
927
1309
840
1001.7HOST A通過網絡對XenDomain提供存儲空間，HOST B使用NFS導出的目錄運行一個虛擬機，HOST C是目標主機，HOSTB主機上的虛擬機轉移后在HOST C上運行。HOST B源機上運行中控VXSCADA軟件。在遷移過程中的停機時間與主機CPU，內存等硬件設置及負載等多種因素有關，在文獻［11］中有對相關問題的深入研究，虛擬機的停機時間在數百毫秒至數千毫秒不等。接下來對本解決方案下開發的軟件及虛擬機內部署服務連續性進行實驗驗證。
統一監控平臺具有通信檢測及通信恢復重連功能，虛擬機動態遷移時會造成通信的瞬時中斷，平臺內部可以通過統計監控中斷時間得到虛擬機服務中斷時長，完成測試。
本文進行10次試驗統計服務中斷時間，試驗結果如表3所示。在10次測試中，統一監控平臺都實現了對虛擬機通訊的監測，并在虛擬機遷移后實現監控的自動開啟。 VXSCADA監控服務中斷時長均在在2秒以內，基本可以滿足工業監控需求。基于上述技術，可以為用戶提供不間斷的監控服務，實現監控平臺的高可靠性/高可用性。
從以上分析和實際驗證效果可以得出，本研究在所開發的系統上成功部署了多種主流工業監控軟件，實現了異構監控平臺的統一訪問、即插即用和高度安全性/可用性，該系統能夠取代傳統的硬件配置方式應用于工業化生產監控過程。
4 結 論
本文使用Xen技術創建了服務器集群的虛擬化軟硬件基礎平臺，在其上部署工業監控軟件，為保證工業監控的安全性/可用性，開發統一監控平臺，對用戶身份進行驗證，并對用戶訪問監控軟件進行控制，形成了一整套基于異構組態軟件的工業控制虛擬化監控方案，并通過試驗驗證了其有效性。未來將會對資源分配策略、遷移策略等方面技術進行深入研究，進一步提高虛擬化技術穩定性及高效性。
隨著工業自動化技術的發展以及虛擬化技術的進一步成熟，虛擬化技術有望在更多的工業自動化領域得到推廣。
參考文獻
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［11］江雪,李小勇,虛擬機動態遷移的研究［J］.計算機應用,2008,28(9),2375-2385.
本文進行10次試驗統計服務中斷時間，試驗結果如表3所示。在10次測試中，統一監控平臺都實現了對虛擬機通訊的監測，并在虛擬機遷移后實現監控的自動開啟。 VXSCADA監控服務中斷時長均在在2秒以內，基本可以滿足工業監控需求。基于上述技術，可以為用戶提供不間斷的監控服務，實現監控平臺的高可靠性/高可用性。
從以上分析和實際驗證效果可以得出，本研究在所開發的系統上成功部署了多種主流工業監控軟件，實現了異構監控平臺的統一訪問、即插即用和高度安全性/可用性，該系統能夠取代傳統的硬件配置方式應用于工業化生產監控過程。
4 結 論
本文使用Xen技術創建了服務器集群的虛擬化軟硬件基礎平臺，在其上部署工業監控軟件，為保證工業監控的安全性/可用性，開發統一監控平臺，對用戶身份進行驗證，并對用戶訪問監控軟件進行控制，形成了一整套基于異構組態軟件的工業控制虛擬化監控方案，并通過試驗驗證了其有效性。未來將會對資源分配策略、遷移策略等方面技術進行深入研究，進一步提高虛擬化技術穩定性及高效性。
隨著工業自動化技術的發展以及虛擬化技術的進一步成熟，虛擬化技術有望在更多的工業自動化領域得到推廣。
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［11］江雪,李小勇,虛擬機動態遷移的研究［J］.計算機應用,2008,28(9),2375-2385.
本文進行10次試驗統計服務中斷時間，試驗結果如表3所示。在10次測試中，統一監控平臺都實現了對虛擬機通訊的監測，并在虛擬機遷移后實現監控的自動開啟。 VXSCADA監控服務中斷時長均在在2秒以內，基本可以滿足工業監控需求。基于上述技術，可以為用戶提供不間斷的監控服務，實現監控平臺的高可靠性/高可用性。
從以上分析和實際驗證效果可以得出，本研究在所開發的系統上成功部署了多種主流工業監控軟件，實現了異構監控平臺的統一訪問、即插即用和高度安全性/可用性，該系統能夠取代傳統的硬件配置方式應用于工業化生產監控過程。
4 結 論
本文使用Xen技術創建了服務器集群的虛擬化軟硬件基礎平臺，在其上部署工業監控軟件，為保證工業監控的安全性/可用性，開發統一監控平臺，對用戶身份進行驗證，并對用戶訪問監控軟件進行控制，形成了一整套基于異構組態軟件的工業控制虛擬化監控方案，并通過試驗驗證了其有效性。未來將會對資源分配策略、遷移策略等方面技術進行深入研究，進一步提高虛擬化技術穩定性及高效性。
隨著工業自動化技術的發展以及虛擬化技術的進一步成熟，虛擬化技術有望在更多的工業自動化領域得到推廣。
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