CN102407868B - 适用于轨道交通现代监控系统通讯规约的热备双连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适用于轨道交通现代监控系统通讯规约的热备双连接方法，在系统通讯设备正常时，分别通过两条独立的通讯通道各建立一条有效的通讯连接，这两条通讯连接都是有效的，都可以用于传输通讯数据；使用其中一条连接传输数据，而另一条作为备用；当原先的连接由于通讯故障等原因失效后，另一条连接迅速接替原有连接用于传输数据，这就使得数据可以立即通过另一条通讯通道传输，而不需要即时重新建立连接；原先因为通讯故障而断开的连接会被关闭，继而在原有通道上定时尝试重新建立连接，直至连接建立成功为止；这个过程与正在传输数据的有效连接无关，而建立连接的过程与数据传输并行进行，不会对同时进行的数据传输造成延迟。

Description

适用于轨道交通现代监控系统通讯规约的热备双连接方法

技术领域

 本技术发明涉及轨道交通自动化领域，尤其涉及分布式监控系统领域，本技术发明可广泛适用于电气化铁路和城市轨道交通各专业监控系统以及综合监控系统等应用。

背景技术

 随着计算机科学和自动化技术的迅速发展，在轨道交通的各个领域，例如电气化铁路和城市地铁等领域，监控系统已经从传统的小型桌面系统向现代的分布式复杂系统发展，其控制的地域范围，流程规模等都迅速增加。而且由于传统采用的分立监控系统模式，即存在信号、PSCADA（电力监控）、BAS（环控）等多个独立的监控系统并各有专员进行操作，具有运营成本高，多个系统的信息难以共享等问题，集各子系统功能于一身的综合监控系统逐渐成为新的发展趋势。在综合监控系统中，各个子系统通过集成或互联，实现由同一个上位系统进行监控，从而使得信息可以有效共享，并且减少工作量，降低运营成本。不管是专业监控系统还是综合监控系统，现代监控系统的控制规模、流程结构，工程构架都远为复杂。这就对系统之间以及系统内部的数据通讯提出了更高的要求，要求现代监控系统的数据通讯应当兼具实时、高效、稳定、健壮等特点。

为此，在现代监控系统硬件配置上，数据的发送设备和接收设备间往往通过设立两台独立的交换机等方法同时提供两条独立可用的通讯通道，从而实现硬件通讯设备的热备双冗余，以保障系统通讯硬件的可用性。

但是，另一方面，目前监控系统中的数据通讯软件，通常又被称为通讯规约，大多还采用冷备的连接框架。也就是正常运行仅基于一条通讯通道建立一条通讯连接用于传输数据。如果由于故障导致通讯连接失效，那么再尝试基于另一条通讯通道重新建立一条新的通讯连接代替原来的连接传输数据。由于故障后需要重新建立连接，而建立连接是一个时间开销比较大的操作，因此这个过程存在较长的时延，使得有些数据不能及时传送。而且由于轨道交通的现场环境复杂，有些地方干扰严重，往往网络状况不稳定，容易出现频繁切换通讯通道的情况，这种情况下，由于每次切换都需要重新建立连接，就可能严重延误重要信号数据的正常传送，造成隐患。尤其在极端情况下，有可能因为过于频繁的通讯通道切换，而出现通讯软件卡死，造成系统瘫痪。

如果监控系统是采用主机和网络都完全同构的系统架构，这个问题可以通过采用聚集IP或者虚拟IP等硬件提供的底层技术加以解决。但是现代监控系统由于应用功能复杂，特别是综合监控系统还涉及众多子系统，其扩展性和开放性决定了它一定是异构系统。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种适用于现代复杂监控系统的通讯软件的热备双连接方法，通过同时在两个可用的通讯通道上建立两条互为热备的通讯连接，并设定合理的连接切换规则，从而显著降低切换时的时延，保证数据的及时传送，并且适用于网络不稳定的状况。

本发明采用的技术方案为：一种适用于轨道交通现代监控系统通讯规约的热备双连接方法，其特征在于：

在系统通讯设备正常时，分别通过两条独立的通讯通道各建立一条有效的通讯连接，这两条通讯连接都是有效的，都可以用于传输通讯数据；使用其中一条连接传输数据，而另一条作为备用；

当原先的连接由于通讯故障等原因失效后，另一条连接迅速接替原有连接用于传输数据，这就使得数据可以立即通过另一条通讯通道传输，而不需要即时重新建立连接；

原先因为通讯故障而断开的连接会被关闭，继而在原有通道上定时尝试重新建立连接，直至连接建立成功为止；这个过程与正在传输数据的有效连接无关，而建立连接的过程与数据传输并行进行，不会对同时进行的数据传输造成延迟。

上述的适用于轨道交通现代监控系统通讯规约的热备双连接方法，其进一步特征在于：当系统正常时，两条通讯通道同时都可用，最多只有一条通讯连接用于传输数据，而另一个连接通过发送心跳报文方式来维持连接的有效，以时刻备用。

为了保证在任何时刻最多只有一条连接用于传输通讯数据，将两条连接分别定为主连接和备连接，并对通讯连接状态的转换方式如下，

两通讯连接都正常时，主连接处于运行态，备连接处于空闲态；

如果主连接处于空闲态，备连接不处于运行态，主连接将转换为运行态；

如果主连接处于无效态，备连接处于空闲态，备连接将转换为运行态；

无论是主连接还是被连接，如果在正常态或者空闲动态下发生通讯故障，连接失效，那么将转为无效态，并关闭原先的连接；

无论是主连接还是备连接，一但在无效态下通过重新建立连接成功的建立了新的有效连接，那么首先转换为空闲态。

通讯连接分为三种状态：所述运行态，这个状态下通讯连接正常，用于传输通讯数据；所述空闲态，这个状态下通讯连接正常，但仅传输心跳报文维持连接；所述无效态，这个状态下由于连接尚未建立或者由于故障而失效，通讯连接无效，不能传输数据。

 虽然两条连接都处于空闲态的情况有可能出现，但是会迅速被主连接发现并将自身状态换为运行态，因此这种状态只是一种持续时间极短的暂态，对通讯效率的影响可以忽略不计。

 即使主连接恢复，只要备连接仍然处于有效态，主连接将维持空闲态而不是要求备连接让出运行态。采用这种惰性的切换方式，主要是认为到目前为止越稳定的通讯通道以后出现故障的可能性越小，因此不做切换而尽可能避免切换后主连接不稳定造成频繁切换的问题。

附图说明

图1 是现有技术的冷备连接框架下工作流程图。

图2是本发明的热备双连接框架下一条通讯连接的工作流程图。

图3是本发明的热备双连接框架下两条连接状态转换的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

当前监控系统中的通讯软件，通常又称为通讯规约，大多采用冷备连接框架。也就是正常运行时仅基于一个可用的通讯通道建立一条连接用于传输通讯数据。

  如果连接因发生通讯故障而失效，则关闭原有连接。切换到另一个通讯通道，建立一个新的连接，代替原有连接传输数据。

图1 是现有技术的冷备连接框架下，通讯连接的工作流程图。由于建立新连接的操作时间开销比较大，这个过程存在较长的时延，因此这个过程中产生的信号可能无法及时传送。特别是在网络状况不稳定的环境中，可能出现网络时断时续的情况，有可能使得链接频繁切换，以至于需要不断的建立新连接，从而导致重要信号传输的严重延误，造成隐患。

为了避免这种情况，本发明提出这样一种通讯规约的热备双连接框架，在系统通讯设备正常，也就是两条通讯通道都可用时，分别通过两条独立的通讯通道各建立一条有效的通讯连接。这两条通讯连接都是有效的，都可以用于传输通讯数据。使用其中一条连接传输数据，而另一条作为备用。

 当原先的连接由于通讯故障等原因失效后，另一条连接迅速接替原有连接用于传输数据，这就使得数据可以立即通过另一条通讯通道传输，而不需要即时重新建立连接。由于在传输数据的过程中，重要数据一般是优先传输的，这就保证了重要数据的及时传送不会被延误。

 原先因为通讯故障而断开的连接会被关闭，继而在原有通道上定时尝试重新建立连接，直至连接建立成功为止。这个过程与正在传输数据的有效连接无关，而建立连接的过程与数据传输并行进行，不会对同时进行的数据传输造成延迟。这就是热备双连接。

这里存在一个问题，当系统正常时，两条通讯通道同时都可用，只时会基于两条通道建立两条有效的连接。但是如果两条连接同时用于传输数据，那么由于网络的异构特性，就有可能造成数据重传、丢失或者乱序，并且难于检查和修复。为了避免这个问题，正确实现这种热备双连接的通讯框架，必须保证在任意时刻，最多只有一条通讯连接用于传输数据，而另一个连接如果有效，那么不允许同时传送数据，但是必须通过发送心跳报文等方式来维持连接的有效，以时刻备用。因此两条连接的状态转换必须遵从合理设定的规则。为了明确的描述连接的状态转换的，本发明将通讯连接分为三种状态。

 运行态，这个状态下通讯连接正常，用于传输通讯数据。

 空闲态，这个状态下通讯连接正常，但仅传输心跳报文维持连接。

 无效态，这个状态下由于连接尚未建立或者由于故障而失效，通讯连接无效，不能传输数据。

图2是热备双连接框架下，一条通讯连接的工作流程图。

为了保证在任何时刻最多只有一条连接用于传输通讯数据，这里将两条连接分别定为主连接和备连接，并对通讯连接状态的转换制定如下规则。

  两通讯连接都正常时，主连接处于运行态，备连接处于空闲态。

  如果主连接处于空闲态，备连接不处于运行态，主连接将转换为运行态。

  如果主连接处于无效态，备连接处于空闲态，备连接将转换为运行态。

  无论是主连接还是被连接，如果在正常态或者空闲动态下发生通讯故障，连接失效，那么将转为无效态，并关闭原先的连接。

  无论是主连接还是备连接，一但在无效态下通过重新建立连接成功的建立了新的有效连接，那么首先转换为空闲态。

如果热备双连接框架下的两条连接的状态转换完全遵循上述规则，就可以保证在任意时刻，最多只有一条连接处于运行态，从而避免两条连接同时传输数据造成的通讯问题。图3是热备双连接框架下两条连接状态转换的示意图，其中实线表示稳定状态，虚线表示暂时状态。需要注意的是，

 虽然两条连接都处于空闲态的情况有可能出现，但是会迅速被主连接发现并将自身状态换为运行态，因此这种状态只是一种持续时间极短的暂态，对通讯效率的影响可以忽略不计。

 即使主连接恢复，只要备连接仍然处于有效态，主连接将维持空闲态而不是要求备连接让出运行态。采用这种惰性的切换方式，主要是认为到目前为止越稳定的通讯通道以后出现故障的可能性越小，因此不做切换而尽可能避免切换后主连接不稳定造成频繁切换的问题。

在现代复杂监控系统中采用这种热备双连接框架，由于在通讯通道都正常时总维持两条有效的通讯连接，并通过遵循合理的连接状态转换规则保证了任意时刻只有一条连接用于传输数据，而另一条连接通过传输心跳报文维持连接以时刻备用。当传输数据的连接失效后，将立刻切换到原备用连接来传输数据，不需要即时重新建立连接，从而避免了新建连接过程的长时延。而且即使网络由于不稳定而频繁通断，由于采用惰性方式避免了不必要的切换，并且切换时不涉及立即新建连接的过程，因此不会造成重要数据的严重延误，适用于网络不稳定的环境。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但具体实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (3)

1.一种适用于轨道交通现代监控系统通讯规约的热备双连接方法， 

在系统通讯正常时，分别通过两条独立的通讯通道各建立一条有效的通讯连接，这两条通讯连接都是有效的，都可以用于传输通讯数据；使用其中一条连接传输数据，而另一条作为备用；

当原先的连接由于通讯故障失效后，另一条连接迅速接替原有连接用于传输数据，这就使得数据可以立即通过另一条通讯通道传输，而不需要即时重新建立连接；

原先因为通讯故障而断开的连接会被关闭，继而在原有通道上定时尝试重新建立连接，直至连接建立成功为止；这个过程与正在传输数据的有效连接无关，而建立连接的过程与数据传输并行进行，不会对同时进行的数据传输造成延迟；

其特征在于：

当系统正常时，两条通讯通道同时都可用，其上建立两条通讯连接，但最多只有一条通讯连接用于传输数据，而另一个连接通过发送心跳报文方式来维持连接的有效，以时刻备用；

为了保证在任何时刻最多只有一条连接用于传输通讯数据，将两条连接分别定为主连接和备连接，并且通讯连接状态的转换方式如下，

两条通讯连接都正常时，主连接处于运行态，备连接处于空闲态；

如果主连接处于空闲态，备连接不处于运行态，主连接将转换为运行态；

如果主连接处于无效态，备连接处于空闲态，备连接将转换为运行态；

无论是主连接还是备连接，如果在正常态或者空闲态下发生通讯故障，连接失效，那么将转为无效态，并关闭原先的连接；

无论是主连接还是备连接，一但在无效态下通过重新建立连接成功的建立了新的有效连接，那么首先转换为空闲态；

所述运行态，这个状态下通讯连接正常，用于传输通讯数据；所述空闲态，这个状态下通讯连接正常，但仅传输心跳报文维持连接；所述无效态，这个状态下由于连接尚未建立或者由于故障而失效，通讯连接无效，不能传输数据。

2.根据权利要求1所述的适用于轨道交通现代监控系统通讯规约的热备双连接方法，其特征在于：如果两条连接都处于空闲态，主连接即可将自身状态换为运行态。

3.根据权利要求1所述的适用于轨道交通现代监控系统通讯规约的热备双连接方法，其特征在于：由于故障，即使主连接恢复，只要备连接仍然处于运行态，主连接将维持空闲态而不是要求备连接让出运行态。

Images