0 引言

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。受飛機(jī)總體設(shè)計(jì)要求，機(jī)載計(jì)算機(jī)在重量、體積等方面都有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)限制，因此在不增加硬件的基礎(chǔ)上，如何盡可能提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，成為航空、航天事業(yè)的一個(gè)重要課題。

    在當(dāng)今航空航天領(lǐng)域，為保證核心功能的正常運(yùn)行，常常采用雙機(jī)備份方法提高系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)主機(jī)故障時(shí)，能夠無縫切換至備機(jī)，確保系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。

    本方案基于某型機(jī)的綜合CNI系統(tǒng)。為保障系統(tǒng)的生命周期和任務(wù)的完成度，該系統(tǒng)配置兩個(gè)系統(tǒng)控制管理模塊，其功能完全相同，互為備份。當(dāng)主處理設(shè)備故障時(shí)，備處理設(shè)備能夠快速接管主處理設(shè)備職能，實(shí)現(xiàn)無縫切換，保證綜合CNI系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 冗余備份概述

    在實(shí)際的工程應(yīng)用中，雙機(jī)冗余備份一般采用雙機(jī)冷備份、雙機(jī)溫備份、雙機(jī)熱備份主從及雙工^[1-2]4種模式，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作特點(diǎn)如表1所示。

    一般而言，系統(tǒng)可用度較高的為雙機(jī)熱備主從模式及雙工模式。其中，雙工模式能夠通過結(jié)果比較來及時(shí)地確定輸出方，確保了系統(tǒng)的連續(xù)工作，但是該模式要求所有冗余模塊必須嚴(yán)格同步，同時(shí)表決器設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜,隨著表決器工作時(shí)間的增長，其仲裁可靠度逐漸降低。而主從模式則設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，當(dāng)備控計(jì)算機(jī)通過檢測到主控計(jì)算機(jī)故障時(shí)，能夠通過仲裁將發(fā)生故障的主控計(jì)算機(jī)隔離，使備控計(jì)算機(jī)變?yōu)橹骺赜?jì)算機(jī)，行使控制職能。

    為保證雙機(jī)冗余系統(tǒng)的高可靠性，同時(shí)盡可能降低模塊設(shè)計(jì)復(fù)雜度，本文提出了一種基于雙機(jī)熱備份主從工作模式，同時(shí)通過一定的表決算法，模擬實(shí)現(xiàn)全雙工工作的設(shè)計(jì)方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)控制管理模塊作為綜合CNI系統(tǒng)的核心處理單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的健康狀態(tài)檢測、資源調(diào)度、綜合控制和綜合管理等，其系統(tǒng)連接概圖如圖2所示。

    初始默認(rèn)系統(tǒng)控制管理模塊1為主控計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)控制管理模塊2為備控計(jì)算機(jī)，處于熱備份狀態(tài)。

    為實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備同步監(jiān)聽值守策略，本文主要通過故障檢測、控制表決、數(shù)據(jù)同步、監(jiān)聽值守四方面對(duì)系統(tǒng)控制管理模塊進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。

2.1 故障檢測

    故障檢測是實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備份的前提，是完成控制表決的基礎(chǔ)。為保證系統(tǒng)高可靠性前提下最大限度地簡化設(shè)計(jì)，降低復(fù)雜度，本方案采用通過軟件實(shí)現(xiàn)的自檢測和心跳檢測等方法作為故障檢測手段。

    其中，自檢測主要完成對(duì)系統(tǒng)控制管理模塊軟硬件的狀態(tài)檢測，包括CPU狀態(tài)、I/O狀態(tài)、內(nèi)存狀態(tài)、進(jìn)程及任務(wù)狀態(tài)等；心跳檢測則采用基于PULL模型^[3]的雙冗余心跳檢測^[4]機(jī)制，分別通過雙冗余CAN總線及千兆以太網(wǎng)檢測對(duì)方狀態(tài)。

    當(dāng)主控計(jì)算機(jī)通過雙冗余總線進(jìn)行心跳詢問時(shí)，其心跳判斷狀態(tài)如表2所示。

    如果兩總線心跳狀態(tài)正常，則證明對(duì)方軟件處理正常和總線正常；如果一條總線異常，另一總線正常，則證明軟件處理正常，而心跳異常總線故障；如果兩條總線心跳狀態(tài)全部異常，因該故障概率較小，則可以判定為對(duì)方軟件處理故障。

    以主控計(jì)算機(jī)發(fā)起心跳詢問，備控計(jì)算機(jī)心跳應(yīng)答為例進(jìn)行功能設(shè)計(jì)說明，其控制流程如圖3所示。

    故障檢測流程主要包括心跳正常處理流程及心跳異常處理流程，其中，正常處理流程為能夠正常接收心跳應(yīng)答信息；異常處理流程為未能正常接收心跳應(yīng)答信息。

    定義心跳詢問周期為50 ms，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主控計(jì)算機(jī)分別通過CAN總線及以太網(wǎng)以50 ms周期發(fā)送心跳詢問信息至備控計(jì)算機(jī)，備控計(jì)算機(jī)接收到主控計(jì)算機(jī)心跳詢問信息后，將當(dāng)前自身故障信息及外部功能故障信息同步至主控計(jì)算機(jī)。

    定義心跳超時(shí)周期為50 ms，若主控計(jì)算機(jī)在2個(gè)周期內(nèi)未接收到心跳應(yīng)答信號(hào)則置對(duì)方總線故障。

2.2 控制表決

    系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主備控制權(quán)的狀態(tài)取決于系統(tǒng)控制管理模塊運(yùn)行狀態(tài)，而運(yùn)行狀態(tài)則通過故障檢測及故障處理機(jī)制進(jìn)行表決。

    故障處理是指對(duì)發(fā)生的故障或錯(cuò)誤進(jìn)行屏蔽、定位、限制等處理，以保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障仍能正常運(yùn)行。故障處理的行為與健康監(jiān)控器具體報(bào)告的事件有關(guān)，如圖4所示。

    健康監(jiān)控器需要向故障管理器報(bào)告所有確認(rèn)的故障。故障管理器在接收到故障后根據(jù)已設(shè)定好的故障處理流程對(duì)故障進(jìn)行一系列處理，包括故障關(guān)聯(lián)、識(shí)別和定位、失效判斷等，并根據(jù)判決結(jié)果進(jìn)行狀態(tài)輸出，由控制表決器進(jìn)行控制表決。本方案基于自檢測數(shù)據(jù)及歷史信息的自適應(yīng)一致性表決算法^[5-6]進(jìn)行控制表決，其表決流程如圖5所示。

    在進(jìn)行基于自檢測及歷史信息數(shù)據(jù)一致性表決時(shí)，需注意：

    (1)設(shè)置本機(jī)自檢測狀態(tài)信息獲取門限(≥3次)，避免表決周期內(nèi)的瞬態(tài)錯(cuò)誤，獲取本機(jī)實(shí)際狀態(tài)信息；

    (2)實(shí)時(shí)接收另一計(jì)算機(jī)同步的自檢測信息，并針對(duì)不同的自檢測狀態(tài)信息進(jìn)行顆粒度細(xì)化，按子控制塊進(jìn)行功能性分解；

    (3)實(shí)時(shí)獲取歷史記錄表決信息，并根據(jù)實(shí)時(shí)表決次數(shù)，獲取當(dāng)前模塊表決可靠性等級(jí)，為本次表決提供一定的依據(jù)；

    (4)本機(jī)狀態(tài)信息與他機(jī)狀態(tài)信息進(jìn)行一致性表決，對(duì)多個(gè)冗余信息進(jìn)行表決后產(chǎn)生表決結(jié)果，輸出當(dāng)前主備控制狀態(tài)，同時(shí)記錄當(dāng)前表決信息，為下次表決可靠性提供依據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)同步

    為確?？刂茩?quán)搶占后系統(tǒng)的連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，需通過同步來保證兩系統(tǒng)控制管理模塊彼此間狀態(tài)的一致性及任務(wù)的同步性。數(shù)據(jù)同步主要包括靜態(tài)數(shù)據(jù)同步及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步^[7]，其中：

    (1)靜態(tài)數(shù)據(jù)同步

    靜態(tài)參數(shù)主要包括對(duì)系統(tǒng)各功能的配置、硬件描述以及任務(wù)的定義等各類配置文件，在未進(jìn)行數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)刪除等操作時(shí)，該類數(shù)據(jù)基本不會(huì)發(fā)生變化。

    本方案采用基于rsync算法及服務(wù)器與客戶端的FTP傳輸技術(shù)進(jìn)行文件同步。在靜態(tài)參數(shù)發(fā)生變化后，通過對(duì)比主備設(shè)備中相同文件號(hào)的文件屬性，獲取靜態(tài)參數(shù)同步策略。并通過FTP客戶端與服務(wù)器端的“控制連接”和“數(shù)據(jù)連接”實(shí)現(xiàn)文件同步傳輸。

    (2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步

    實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要包括關(guān)鍵數(shù)據(jù)及預(yù)干預(yù)數(shù)據(jù)。鑒于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可變性及可擴(kuò)展性，本方案采用基于XML的數(shù)據(jù)定義方式，其處理流程如圖6所示。

    主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收外部數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及狀態(tài)更新，待數(shù)據(jù)處理完成后，根據(jù)XML中的封裝格式進(jìn)行封裝，并同步至備控計(jì)算機(jī)。

    備控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收主控計(jì)算機(jī)的同步數(shù)據(jù)，并根據(jù)XML數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析處理，確保與主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的一致性^[8]。

2.4 監(jiān)聽值守

    本方案中兩系統(tǒng)控制管理模塊的總體控制策略如下：

    (1)初始默認(rèn)系統(tǒng)控制管理模塊1為主處理計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)資源調(diào)度和管理，系統(tǒng)控制管理模塊2為備控計(jì)算機(jī)，處于熱備份監(jiān)控狀態(tài)；

    (2)主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)將系統(tǒng)工作狀態(tài)同步至備控計(jì)算機(jī)，備控計(jì)算機(jī)則實(shí)時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)至主控計(jì)算機(jī)；

    (3)主控計(jì)算機(jī)故障時(shí)，若喪失部分或全部控制權(quán)，備控計(jì)算機(jī)則“無縫”搶占已喪失部分或全部控制權(quán)；

    (4)主控計(jì)算機(jī)由故障變?yōu)檎：?，根?jù)表決狀態(tài)重新?lián)屨枷到y(tǒng)控制權(quán)，同時(shí)備控計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)為熱備份狀態(tài)。

    系統(tǒng)控制管理模塊監(jiān)聽值守流程如圖7所示。

    在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，兩系統(tǒng)控制管理模塊均正常工作，且產(chǎn)生運(yùn)算結(jié)果，在對(duì)外輸出處理時(shí)則通過自身表決狀態(tài)進(jìn)行輸出判斷。

3 結(jié)論

    本文分析了多種冗余備份的工作特點(diǎn)，提出一種模擬全雙工工作的雙機(jī)熱備份設(shè)計(jì)方法，并從故障檢測、控制表決、數(shù)據(jù)同步及監(jiān)聽值守四方面進(jìn)行雙機(jī)熱備份設(shè)計(jì)。

    本方案當(dāng)前已成功應(yīng)用于某綜合化CNI系統(tǒng)，通過長期航電系統(tǒng)聯(lián)試及試飛驗(yàn)證，證明在主控計(jì)算機(jī)功能全部失效或部分失效的情況下，該方案能夠?qū)⑾鄳?yīng)功能的控制權(quán)快速、“無縫”地切換到備控計(jì)算機(jī)，切實(shí)提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，降低了計(jì)算機(jī)長期失效帶來的風(fēng)險(xiǎn)。本方案具有普遍通用性，可以為航空、航天或其他工業(yè)控制的雙機(jī)熱備方案提供一定的思路。

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作者信息:

張軍永，劉榮林，李翼瀚

(天津七一二通信廣播股份有限公司，天津300140)