מאת: אריק וינשטיין. חברת Command Alkon רותמת את טכנולוגיית ה-eVM for Windows של חברת TenAsys, טכנולוגיית Intel® Virtualization ואת מעבדי אינטל (Intel® Architecture) בעלי ליבות מרובות וביצועים גבוהים כדי לאפשר מערכת יחידה שתתמוך בצורה אמינה ומאובטחת במערכות הפעלה זמן-אמת וכלליות (general-purpose).
תיאור המקרה
סיטואציה: חברת-Command Alkon השקיעה מיליוני דולרים ביישום תוכנה קנייני: COMMANDbatch. אלפי יצרני בטון סביב לעולם מסתמכים על יישום זה לניהול ובקרת ייצור בטון. זהו יישום זמן-אמת שפותח לבקר על פלטפורמת חומרה ייעודית. הלקוחות של Command Alkon השתמשו במחשב שולחני סטנדרטי לניהול היישום ביחד עם קופסה נוספת שמיועדת לביצוע פונקציות זמן-אמת. שתי הקופסאות מחוברות על ידי חיבור רשת ובעלות קשר קבוע האחת עם השנייה.
האתגר: ביחד עם שני מערכי חומרה הנדרשים, פתרון שתי-קופסאות הוא יקר. בנוסף, הקונפיגורציה מציגה כמה נקודות נוספות שבהם תקלה היא אפשרית והם כוללות את החיבור רשת בין שתי המערכות, כונן ה-flash במעבד השני ועוד. תמיכת בתוכנה הייתה קשה גם כן כי אפליקציית המחשב השולחני הייתה צריכה לטעון באופן אוטומטי עדכונים למעבד השני עבור התוכנת זמן-אמת. פונקציה זו בלבד דורשת תוכנה ייחודית ומורכבת שהיא Command Alkon חיפשה פתרון יעיל, אמין וזול יותר – פתרון שמציע ביצועים טובים יותר וקל לתחזוקה. הם שקלו להסב את האפליקציה ללוגיקה מתכנתת (PLC) או סביבת runtime חדשה יותר אולם המחיר הווה מגבלה.
פתרון: על ידי השימוש בפלטפורמת תוכנת וירטואליזציה TenAsys eVM for Windows ומערכת עם מעבדים משובצים מרובי ליבות מבוססי Intel® Architecture וביחד עם טכנולוגיית Intel® Virtualization, יכולה להריץ בהצלחה את האפליקציה הקיימת על מערכת חומרה חדשה ואמינה יותר ולהימנע מחומרה נוספת הנדרשת לביצועי זמן-אמת. תוכנת TenAsys eVM מבטיחה ביצועים דטרמיניסטיים, הפרדה של אפליקציית זמן-אמת ועוזרת ליישום COMMANDbatch לרוץ טוב יותר.
Command Alkon
בשליטה
Command Alkon מספקת את התשתית שתומכת בכל תהליך הייצור ובשרשרת האספקה. מוצר החומרה\תוכנה שלהם המוכר כ:COMMANDbatch הוא רק אחד מהמרכיבים מתשתית מורכבת זו אך הוא מרכיב חשוב בניהול הלוגיסטיקה ובקרה בייצור הבטון. מרכיב זמן-האמת של COMMANDbatch מבטיח את יכולת המפעל לייצר בצורה אמינה את סוג הבטון הנדרש ושילוחו בזמן האופטימלי. בו”ז, בעוד המפעל מייצר את הבטון, משלחים ומפעילי אתרי בניה משתמשים בכלים מבוססי Windows להפעיל את הצד העסקי של הדברים, מאזנים את צריכת הבטון עם יכולת המפעל לייצר אותו. כדי ש-COMMANDbatch תנהל את הדברים באופן יעיל, אפליקציית זמן-האמת והכלים מבוססים Windows חייבים להיות בתקשורת תמידית ואמינה ביניהם.
התיישנות מודל
ה-“שתי קופסאות”
בגלל שיישומי זמן-אמת משובצים כמו ה- COMMANDbatch הם דטרמיניסטיים בטבעם ודורשים גישה להתקני I/O ייחודיים ויכולות עיבוד שקריטיים בזמן, יצרנים בד”כ משתמשים בחומרה שמוקדשת ליישומים הללו. זהו המקרה עם Command Alkon. יישום ה-COMMANDbatch המותקן כרגע באלפי אתרים סביב העולם הוא בתצורת “שתי קופסאות”, כאשר חלקים של התוכנה רצים על שתי המערכות וחבור רשת מותקן לתקשורת ביניהם. אחת הקופסאות הוא מחשב PC שמריץ מ”ה של Windows. הקופסה האחרת שכינוייה הוא “הלבנה” (the brick) היא פלטפורמה שמוקדשת לבקרת החומרה הייחודית. הלבנה מספקת תמיכה ייחודית, אמינה ודטרמיניסטית לייצור בזמן-אמת של הבטון. ע”י הפרדה שלה מהפונקציות של ה-Windows , הלבנה מבטיחה זמן אחזור (latency) נמוך לפסיקות, גישה ישירה להתקני I/O ייחודיים ומשטרי תיזמון (scheduling policy) התומכים בדרישות זמן-אמת של האפליקציה. כל דבר אחר שקורה ברשת לא יכול להפריע לתהליכים הלוגיים ששולטים במפעל הבטון ובתהליך ייצור הבטון. בעוד יש אמינות מצד תהליך זמן-האמת, פתרון השתי קופסאות הוא לא בהכרח אידאלי. תחזוקה ותמיכה צריכה להיות מסופקת לשתי המערכות כמו גם לתקשורת ביניהם. גם שני סטים מלאים של חלפים צריכים להיות זמינים כל הזמן. הדבר מייקר את ההוצאות התפעוליות גם ל-Command Alkon וגם ללקוחותיה. פתרון בשתי קופסאות הוא גם פגיע יותר בדרכים רבות מאשר מימוש בפלטפורמה אחת. למשל, החיבורים בין המערכות הם נקודות כשל פוטנציאליות כמו גם הכפלת מספר ספקי כוח וזאת ללא הזכרת נקודות חיבור נוספות בין המערכות.
“מליוני דולרים הושקעו”
כמו הרבה חברות אוטומציה תעשייתית, Command Alkon מצאה את עצמה בין מוצר מצליח המבוסס על פלטפורמות מתיישנות ובין דרישת הלקוחות לשינוי. יש מי שיציע פתרון שהוא קל: לעבור לפתרונות רשת מפעליים המשתמשות בטכנולוגיות חדשות יותר. אבל Command Alkon צריכה להתחשב בהשקעה של מיליונים שעשתה בתוכנה – קוד שנכתב במיוחד לרוץ בו”ז על פלטפורמת מבוססת Windows וגם בסביבת מערכת הפעלה זמן-אמת. המרת היישום הקיים לפתרונות מפעליים שהם לא מבוססי Windows תחסם בגלל עלות. “השקענו מיליוני דולרים בפיתוח הקוד ושכתובו לחומרה חדשה יצרוך זמן רב ועלות גבוהה, למרות רצון לקוחותינו לפלטפורמה עם ביצועים טובים יותר, אמינה וזולה יותר. מימוש ב-PLC הוא לא הדרך לפתרון” אומרים ב-Command Alkon.
שוקלים ווירטואליזציה
אחרי דחיית פתרון ה-PLC, פנו לפתרון של הטמעת היישום שלהם במערכת ווירטואלית. התאוריה: על ידי חלוקה (partitioning) של החומרה שתריץ שתי מערכות הפעלה שונות, Command Alkon יכולה להריץ גם את האפליקציה זמן-אמת וגם את הכלים מבוססי Windows על פלטפורמה אחת. תועלת מידית: קוד קיים יוכל לרוץ על מערכת מדומה (Virtualized) מבוססת Windows. אבל כשמהנדסי Command Alkon החלו לבדוק פתרונות ווירטואליזציה בכלליות, גילו שלא כולם דומות. בתור התחלה, דטרמיניסטיות וביצועים מהירים הם חיוניים ליישומים תעשייתיים בגלל אופיים הקריטי בזמן של הדרישות ממערכות העיבוד. בנוסף, יישומים תעשייתיים דורשים גישה ישירה להתקני I/O מיוחדים. במקרה של Command Alkon, הכוונה לשסתומי בקרה, משקלים, סורקים והתקני ייצור אחרים הנגישים דרך I/O Ports מסוימים. הם השתמשו ביציאה טורית ב”לבנה” והיו צריכים חיבור דומה בפלטפורמה הווירטואלית. מסורתית יישומי תוכנה המבוססים על ווירטואליזציה ב- Windows – כמו אלו המשמשות בחוות שרתים להגדלת נצילות המערכת – הם לא מתוכננים לתמוך בדטרמיניסטיות וביצועים איכותיים. היישומים לא מודעים לביצועי זמן-אמת או זמן אחזור (latency) ולא יכולים לתמוך בתהליכים קריטיים בזמן. ה-scheduling policies ביישומים אלו מגדילים את ניצולת המערכת אך לאו דווקא את הביצועים הנדרשים בתהליכים קריטיים.
פתרון ה-Embedded Virtualization
מה ש-Command Alkon הצטרכה הוא פתרון Embedded Virtualization שתומך בעיבוד קריטי בזמן וגם בביצועים המקוריים (native performances) גם של הכלים מבוססי Windows וגם של בקרת זמן-אמת – פתרון שמסופק ע”י פלטפורמת הווירטואליזציה eVM for Windows של TenAsys וטכנולוגיית Intel® Virtualization מבוססת החומרה.
פלטפורמת הווירטואליזציה eVM for Windows של TenAsys תוכננה לדטרמיניסטיות ואיכות המוקדשת לביצועי זמן-אמת ואומתה לרוץ ב- Intel® Architecture בסביבת מרובת תהליכים ביחד עם Intel Virtualization. בתוכנת TenAsys eVM ליבה אחת כולה במעבד ®Intel מוקדשת להריץ את יישום הזמן-אמת. היישום עצמו רואה את הליבה כמרחב חישוב שלו בלבד והוא לא מודע שהוא משתף בכל המשאבים בפלטפורמה.
“התוכנה שלך הקריטית בזמן מאותתת מידית ע”י אירוע חיצוני ויישומי זמן-אמת מבוצעים בדטרמיניסטיות ביחד עם ההתנהגות הרצויה הנדרשת לגישה להתקני I/O ותוך שמירה על ביצועי המקור הנדרשים“ מסביר קים הרטמן (Kim Hartman), סגן נשיא למכירות ושיווק ב-TenAsys. “יותר מזה, יכולות I/O ישירות של משפחות רכיבי ®Intel מבטיחות שה-eVM מאפשר ליישום התעשייתי לזמן-אמת ‘בעלות’ על התקני ה-I/O שלו ללא שום הפרעה של תוכנת הווירטואליזציה בתפקוד או בביצועים”. המשמעות היא שיישום Windows אחר שרץ במקביל לא יכול להפריע וזאת ע”י החלוקה המאובטחת (secured partition) שנוצרה ע”י החומרה ותוכנת הווירטואליזציה.
תוכנת TenAsys eVM נותנת ל-COMMANDbatch פלטפורמת Embedded Virtualized שמספקת:
שמירה על ביצוע מקורי (Native execution) של יישום קיים וגם יישום אורח על ליבה מסוימת (או מעבד או תהליך (Thread)).
זמן אחזור קצר לפסיקות
גישה ישירה להתקני I/O מסוימים
משטר תזמון (Scheduling Policy) שמאפשר ביצועים ודטרמיניסטיות.
ביצועים גבוהים בתקשורת בין מעבדים (Inter Processor)
“לא עוד שתי קופסאות”
– זהו ודאי היתרון הגדול הכרוך בבחירת פתרון וירטואליזציה המבוסס על eVM for Windows של TenAsys וטכנולוגיית ®Intel Virtualization” אומר רנדי ווילאמן (Randy Willaman) מנהל בכיר ב-Command Alkon , “וגם אנו חוסכים בעלויות תמיכה ותחזוקה ונדרשים להחזיק פחות חלפים”. מהירות היא גם גורם משפיע: “כוח החישוב הנוסף הזמין בפלטפורמת מרובת ליבות של ®Intel מספק בסה”כ ביצועים טובים יותר לתוכנה שלנו והיא יותר אמינה” מוסיף ווילאמן.
זמינותה של טכנולוגיית ®Intel Virtualization לגישת I/O ישירה מביאה תועלת נוספת: ”זה באמת עוזר כאשר יש גישה מדומה להתקן I/O המוקדש לכרטיס רשת נפרד ומספק לנו בקרת זמן-אמת מעל גבי הרשת” הוא מוסיף. “זה משלים את פונקציית בקרת זמן-האמת ואפשר לנו חלוקה של כל פלטפורמת החומרה בצורה כזו שמערכת זמן-אמת יכולה לסמוך שתקבל שרות ע”י הפלטפורמה באופן דטרמיניסטי, זוהי נקודת מפתח!“.
ל-Command Alkon, המעבר לסביבה ווירטואלית הוא כמו להאריך “את אורך חיי התוכנה שלנו בלפחות 10 שנים נוספות!” מצהיר ווילאמן. “מה שהלקוחות שלנו מעריכים ביותר במוצר שלנו זו התוכנה הקניינית שלנו. כל עוד היא רצה בצורה אמינה, שווה את ערכה וקלה לתחזוקה הם מרוצים. פתרון זה נותן להם את כל הנדרש והופך את העסקים שלנו ליותר יעילים יותר.”
בזמן ש-Command Alkon מתמקדת בביטול ה-”לבנה”, הצעד הבא יהיה לעבור מחומרה ייעודית לחומרה יותר כללית לאוטומציה המפעלית כדי לבקר את תהליך הכנת הבטון. “הדבר החשוב בתוכנת eVM for Windows הוא שאנו יכולים להמשיך להשתמש בתוכנת זמן האמת שלנו ולהשתמש בחומרת האוטומציה המפעלית כ-I/O , ללא הצורך לשכתב קוד רב למעבדים בחומרת ה-I/O החדשה.” מסביר ווילאמן. “כאשר יהיה צורך נבקש מ-TenAsys להוסיף דרייברים כדי לתמוך בחומרה שתדבר עם כרטיסי I/O field-bus שנוסיף למעבדי המחשב השולחני. אני סומך ובטוח בארכיטקטורת ה-eVM ויכולת ההנדסית של TenAsys שיעשו זאת בשבילנו.”
לקוחות תעשייתיים ומערכות משובצות רבים מכירים רק יישומים שהם מבוססי תוכנות ווירטואליזציה של שרתים ויכולים להיות סקפטיים לגבי היתרונות בפתרונות ווירטואליזציה מבוססי חומרה במערכות משובצות. פלטפורמת הווירטואליזציה eVM של-TenAsys וטכנולוגיית ®Intel Virtualization הם טכנולוגיות מתקדמות יותר שמצדיקות עוד מבט. כאשר משלבים ביחד את ארכיטקטורת ®Intel למערכות משובצות (®Embedded Intel Architecture), טכנולוגיית ווירטואליזציה מבוססת חומרה, עיבוד מתקדם המבוסס על ריבוי ליבות של ®Intel ו-Embedded , לפתרונות אלו יש את הפוטנציאל להפוך את עסקי האוטומציה התעשייתית ליותר יעילים, אמינים וזולים יותר לתחזוקה.
ההוכחה שווירטואליזציה למערכות משובצות מסוגלת להתקיים: חברת Command Alkon בדקה ביסודיות את הפתרון והיא משוכנעת באמינותו ובביצועים. ללקוחות חדשים יוצע הפתרון של קופסה אחת מבוסס ווירטואליזציה של ה-COMMANDbatch כולל פלטפורמת הווירטואליזציה – eVM for Windows של חברת TenAsys ומערכת מחשוב בעלת שתי ליבות מבוססת Intel® Architecture. ללקוחות קיימים יוצע שדרוג כאשר יגיע מועד חידוש חוזה התחזוקה שלהם.
