基于控制系統工作站虛擬化方案的測試設計

董柯芳,瞿 青,錢炎超

(浙江中控技術股份有限公司研發中心,浙江 杭州 310051)

0 引言

在傳統的分布式控制系統(distributed control system,DCS)的實際應用中,存在計算機硬件和操作系統的更新速度與上位機系統軟件的更新速度脫節的情況。物理機一旦部署，更新換代較為困難，會造成資源、成本的浪費[1]。目前，很多DCS供應商已經大規模采用工作站虛擬化部署方案代替計算機的方式，以緩解計算機、操作系統的更新換代壓力，降低用戶的硬件、安裝和維護成本，提升系統維護的效率。

中控提出的ECS-700控制系統虛擬化解決方案，將控制系統工作安排與虛擬化技術有機整合，通過采用瘦客戶機(即小型行業專用商用計算機)訪問虛擬機，實現了對傳統物理機作為控制系統工作站方式的替代。該方案在幫助工業企業降低成本的同時，提高了自動化水平和設備可靠性。

不同于基本的軟件測試，虛擬化方案的測試需要考慮更多方面。本文設計的測試方法以方案架構及實施為基礎，從不同角度出發，包括：虛擬化平臺自身的實用性和穩定性；控制系統軟件部署在虛擬化平臺上的運行情況；瘦客戶機連接及其他外部設備等多個層面的測試內容。

1 ECS-700系統虛擬化架構

ECS-700控制系統的虛擬化涉及將控制系統的操作員站、工程師站等節點分配給虛擬機而不是物理機。因此，必須根據控制系統及相關工作站的部署方式，設計合理的虛擬化架構，繼而搭建測試環境[2]。

通過虛擬化部署的控制系統的關鍵點是添加虛擬化架構。虛擬化架構由管理系統所需的軟硬件組成，包括ESXi 主機、vSphere Client及 VCenter Server等。其中：vSphere是VMware的一套解決方案，其兩個核心組件是ESXi(Hypervisor)和VCenter Server；vSphere Client是虛擬機操作平臺軟件[3]。ECS-700控制系統工作站虛擬化架構如圖1所示。

圖1 ECS-700控制系統工作站虛擬化架構圖

控制系統工作站虛擬化方案只是對控制系統工作站進行虛擬化，并未改變下位機控制站的環境，實現簡便，提升了可行性。整體架構從下至上可分為三層，分別是控制節點層、虛擬化服務器集群層和終端層。

①控制節點層。該層布署控制節點及其相關控制網絡，部署方式與傳統控制系統下位機一致。

②虛擬化服務器集群層。該層包括生產服務器群和備份服務器，采用的是VMware vSphere虛擬化平臺。其中，生產服務器群的作用是為虛擬化平臺及運行在該平臺上的虛擬機提供硬件。虛擬機可作為工程師站、操作員站等備份服務器，對生產服務器的運行數據進行相應的存儲備份，從而保障數據的安全運行。在網絡連接部分，生產服務器除了配置虛擬化平臺管理相關的網絡，還需要預留兩個網口，用于連接控制網。

③終端層。終端連接設備用于連接服務器上創建的虛擬機，在確保瘦客戶機與虛擬機網絡連通的前提下，通過遠程桌面協議(remote desktop protocol,RDP)等通信協議連接虛擬機，作為工程師站、操作員站等。

2 測試重點

ECS-700控制系統虛擬化方案重點關注虛擬化環境與ECS-700系統上位機軟件和相關配套軟件的兼容性，以及軟件的典型組態在虛擬化環境長期運行的穩定性及性能。除此之外，還需對虛擬化平臺基礎功能、虛擬化環境配套ECS-700系統上位機軟件時的網絡劃分及網絡延時、瘦客戶機訪問、Avamar備份軟件基本功能等進行測試。ECS-700控制系統虛擬化方案主要測試項如圖2所示。

圖2 ECS-700控制系統虛擬化方案主要測試項

3 測試項設計

本文對比物理機上ECS-700上位機軟件的測試場景和實際結果，測試ECS-700系統工作站虛擬化部署標準化方案的可行性。針對提煉出的測試重點拓展測試內容，可有效保障測試設計的充分性和完整性[4]。

3.1 網絡架構測試

由于增加了虛擬化服務集群，網絡結構與使用計算機時不同。對此，需要驗證虛擬化網絡對控制系統軟件沒有影響，并比較與物理架構網絡延遲的差異。

3.1.1 虛擬交換機測試

VMware虛擬化平臺提供了標準交換機和分布式交換機兩種虛擬交換機類型，用于提供主機和虛擬機的網絡連接，以及管理虛擬機的流量。其中：標準交換機可以檢測與其虛擬端口進行邏輯相連的交換機，只在本地有效，且只能被一臺主機識別并使用；分布式交換機用于連接虛擬機端口，可以跨主機進行交換，在虛擬機之間進行內部流量轉發或通過連接到上行鏈路連通外部網絡。

①為單臺ESXi主機配置標準交換機，分配上行鏈路并添加端口組，從而測試添加該網口的虛擬機之間的網絡能否連通。

②創建分布式交換機，將所有主機都添加在該交換機下并分配上行鏈路，從而測試單臺主機和不同主機之間各網段能否正常通信。

3.1.2 端口組策略設置測試

端口組策略的設置內容包括混雜模式、MAC地址更改、偽傳輸。本文使用控制變量的方式嘗試每種設置，在保證虛擬機各網段通信正常的同時，還需測試控制系統軟件中不同虛擬機之間的數據傳輸情況，如ECS-700控制系統軟件的組態發布功能和監控實時值。

3.1.3 網絡延遲測試

網絡框架搭建完成后，本文采用ping命令查看各網段，測試網絡延遲。虛擬化網絡架構如圖3所示。

圖3 虛擬化網絡架構圖

3.2 虛擬機閾值測試

為保證虛擬機以及控制系統軟件在虛擬機上的運行性能，在服務器上創建虛擬機時需要注意服務器的CPU、內存、存儲等基本信息，并根據ECS-700控制系統上位機軟件的標準配置，計算在該配置下一臺ESXi主機可以創建并運行多少臺虛擬機。在保證使用的CPU、內存、存儲小于總數時，還要測試各虛擬機在運行狀態下是否擁有良好的性能[5]。

3.3 瘦客戶機訪問測試

由于虛擬機沒有物理連接，監視器、鼠標和鍵盤不能直接連接，而是使用瘦客戶機通過網絡遠程連接到虛擬機。因此，需要測試瘦客戶機連接虛擬機后，虛擬機在單屏、雙屏、四屏等多種情況下的響應速度和流暢度是否與物理機相近，從而測試出一臺瘦客戶機同時連接虛擬機的最大數量。

3.3.1 響應速度、操作流暢度測試

瘦客戶機作為終端連接各工程師站和操作員站，操作的流暢度和靈敏性是用戶的關注重點。采用對比測試的方式，比較通過瘦客戶機連接的方式和直接使用物理機的延遲是否接近，以及控制系統監控軟件能否流暢運行。

3.3.2 并發訪問測試

并發訪問測試[6]是在虛擬機和控制系統軟件能正常運行的情況下，測試一臺瘦客戶機最多同時能連接幾臺虛擬機。

3.3.3 雙屏、四屏環境測試

不同的瘦客戶機型號支持連接的最大顯示器數量不一樣。對此，使用wyse3040連接單、雙屏使用，模擬現場單、雙屏連接場景；使用wyse5070連接四屏使用，模擬現場四屏連接場景。

3.4 Avamar軟件備份與恢復功能測試

為保證數據的安全性，需要對備份恢復功能進行測試，保證備份數據的完整、正確。該方案選用的備份軟件為Avamar。當生產服務器運行異常時，可以從備份服務器上獲取工程師站、操作員站等虛擬機數據，在生產服務器上加載運行。

3.4.1 備份功能測試

備份模式包括增量備份、完全備份、自動備份(按照配置的備份策略進行備份)、手動備份。首先，測試備份任務能否正確執行；備份完成后，查看備份數據的正確性和完整性。

3.4.2 備份恢復

備份內容恢復的方式包括恢復到原始虛擬機、恢復到另一臺已有的虛擬機和恢復到新的虛擬機。備份恢復測試是通過比對恢復前后的內容，驗證備份恢復的正確性和完整性，

3.4.3 備份性能測試

當備份內容較多時，記錄備份時間，觀察服務器端和用戶端的CPU使用率和網絡使用率。

3.5 虛擬機外部I/O測試

瘦客戶機連接虛擬機的方式不同于傳統計算機，還需對外部連接設備進行測試，保證設備能在瘦客戶機上使用，包括存儲設備、狗授權設備(物理狗、網絡狗)、操作員鍵盤等。

3.6 控制系統軟件測試

確?？刂葡到y軟件在該平臺虛擬機上能夠正常運行并使用，是驗證該方案可行性的基礎。將基本功能測試和性能測試的結果與物理機上的結果進行對比，可保證功能使用正常且性能基本相似。此外，還要進行長期測試，驗證軟件在虛擬機上能夠長期、穩定運行。

3.6.1 基本功能測試

基本功能測試方法和內容與在物理機上部署時一致。如果相關軟件的自動化測試[7]腳本已經比較成熟，可以利用自動化測試代替手工進行基本功能驗證。

3.6.2 性能測試

性能測試是使用現場組態，通過比對物理機的測試結果，檢驗虛擬機的性能是否通過。

3.6.3 長期測試

長期測試是使用典型組態規模，利用自動化腳本涵蓋監控軟件的主要功能,持續運行規定時間(一般為2周)，查看軟件是否正常運行、虛擬機性能狀態以及有無資源泄漏、內存持續增長等情況。使用vCenter配置一定閾值的監控事件報警，以查看長期測試過程中報警的觸發次數及觸發原因。

3.7 異常場景測試

現場使用過程中，可能會出現異常斷電或服務器宕機等情況。因此，需要驗證在出現該類異常情況時，虛擬化平臺是否能夠正?；謴?，即進行異常場景測試[8]。這可以通過斷電重啟的方式模擬異常場景。場景設計包括單臺生產服務器斷電、兩臺生產服務器斷電、備份服務器斷電。

4 方案應用

目前，控制系統工作站虛擬化的方案已在現場實施部署，有效幫助用戶解決了傳統物理機作為控制系統工作站帶來的問題。

現已有將近十個現場在使用該方案。典型現場試用案例有邯鋼老區退城整合項目。經現場反饋，采用控制系統工作站虛擬化方案極大地簡化了部署和配置，節省了時間和精力，降低了維護和管理成本。該測試設計涵蓋現場使用的各個階段，保證了虛擬化平臺以及控制系統軟件的正常運行。

控制系統工作站虛擬化方案在現場使用情況正常、穩定，與測試結果相符，虛擬化平臺及虛擬機自身的穩定性和安全性較高，工程師站、操作員站可在虛擬機上正常運行。在該方案的虛擬化平臺及配套硬件基礎上，DCS控制軟件能夠長期高性能運行；瘦客戶機采用RDP協議連接虛擬機使用，操作無卡頓，軟件運行流暢。

控制系統工作站虛擬化方案在現場的成功應用，證明了本文測試方法的完整性和可靠性[9]，也充分體現了該方案的可行性和優勢。

5 結論

測試設計的完整性保證了虛擬化方案在現場的正常使用。通過測試可以發現少許控制系統在虛擬機上運行的特有缺陷，且控制系統軟件對虛擬化平臺存在特殊設置要求(如分布式交換機的安全配置)，因此有效提高了虛擬化方案的安全性和可靠性[10]。虛擬化技術與控制系統工作站的結合打破了操作系統和物理硬件之間的從屬關系。經測試驗證和現場使用反饋，在控制系統工作站中引入虛擬化技術，不僅能完全替代傳統工作站的部署方式、緩解操作系統和計算機更新換代的壓力，還能有效提升系統維護的效率以及計算機資源的利用率、延長系統的壽命。該研究有利于企業減員增效。