软件定义可编程逻辑控制器：红帽的可预测延迟和实时能力介绍

对于开源技术而言，软件定义的工业控制系统提供了巨大的机遇。现在，许多行业都将定制的专用硬件，例如可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）设备，转向仅带软件的标准硬件，这种趋势也已经扩展到工业和制造业。这种转变就像电信公司转向网络功能虚拟化（NFV）和开放无线接入网络（ORAN）一样。

然而，要成功实现这种趋势，需要具备低延迟能力。控制器必须能够快速响应外部事件，例如机器人撞到墙壁之前就能够停下来。请注意，我们避免使用“实时”这个词，因为它需要专门的实时操作系统（RTOS）。相反，最合适的术语是“可预测的延迟”。

红帽公司为这种新兴的工业趋势做出了回应，其中之一就是红帽企业Linux（RHEL）for Real Time。该系统是红帽OpenShift Performance Addon Operator（PAO）的基础，尽管最初是为电信领域开发的，但在运营技术和工业控制系统方面也非常适用。

我们与英特尔公司合作，在边缘计算领域展示了红帽和英特尔工业边缘控制器的数字化转型。这是我们两家公司联合测试和评估的结果，旨在提供更先进的解决方案来满足不断变化的工业需求。

让我们看看数据：

任务计划延迟比较

这项测试使用红帽OpenShift和Performance Add-On Operator以及RHEL Real-Time kernel (RT-Kernel)在裸机上完成，数据显示低延迟工作负载如工业控制系统可以在现代标准硬件的容器化环境中运行，最大延迟约为47 ~ 33微秒。除了激活英特尔缓存分配技术外，几乎不需要进行特殊调整。这对于许多工业控制系统应用来说已经足够好了，PLC的周期时间在约10微秒范围内，为实际程序执行留下足够的空间。

但它变得更好：

软件定义的PLC：绝对抖动比较（RH PAO影响）

然而，使用红帽OpenShift Performance Add-On Operator部署的RHEL RT-Kernel可以进一步提高性能。由于控制系统响应的一致性比响应速度更为重要，我们将测试重心从延迟切换到抖动。在默认系统（标准内核）上，抖动大约为57毫秒，这对于大多数控制应用来说是不可接受的。

但是，只需打开OpenShift Performance Add-On Operator，无需额外调整，就可以将抖动降至55微秒，这是三个数量级的提高。

让我们来看看当将英特尔功能添加到等式中时有哪些可能：

软件定义的PLC-绝对抖动比较（Intel CAT影响）

当使用英特尔功能时，情况会更好。在使用“英特尔缓存分配技术”时，左侧的宽偏差由于CPU缓存未命中导致。当代码/数据不在缓存中时，从内存中获取它需要相当长的时间，一级和二级缓存可能会受到同一内核上运行的其他工作负载或进程的干扰。通过将部分CPU缓存专用于进程，英特尔缓存分配技术避免了这种情况。在新的测试数据中，最小值变成了新的最大值，最大抖动减少了76%。

结论

数字显示，像工业控制系统这样的低延迟工作负载可以在现代标准硬件上运行，即使是在容器化环境中也是如此。无需特殊用途的设备，也无需进行长时间的重型微调。开箱即用的性能特性对于大多数用例都足够好用。

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