CN106814603A - 一种基于非实时操作系统的双机冗余容错系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非实时操作系统的双机冗余容错系统，所述系统包括：指挥中心、主机模块和从机模块，所述指挥中心向主机模块和从机模块发送测控指令，所述主机模块和从机模块向指挥中心发送采集的数据；所述主机模块用于完成主从机状态同步，监测主机故障，并在监测到故障后发送切换命令到从机；所述主机模块包括：主机应用层、主机同步单元、主机故障检测平台、主机故障监测单元和主机网络传输单元；所述从机模块用于完成主从机状态同步，监测从机故障，接收主机发送到切换命令，完成主从切换；所述从机模块包括：从机应用层、从机同步单元、从机故障检测平台、从机故障监测单元和从机网络传输单元。

Description

一种基于非实时操作系统的双机冗余容错系统

技术领域

本发明属于计算机测量与控制技术领域，特别涉及一种基于非实时操作系统的双机冗余容错系统。

背景技术

随着武器装备系统复杂性的不断提高，对测试可靠性要求日益提高，很多获得高可靠性

电子设备的可靠性设计依赖于冗余设计，冗余设计是提高设备可靠性的最常用的有效手段之一，来利用冗余设计，就可以在单个组件或系统发生失效时不影响系统的整体可靠性。

冗余设计是用一台或多台相同单元(系统)构成并联形式，当其中一台发生故障时，其它单元仍能使系统正常工作的设计技术。

冗余技术按特点可分：热冗余/冷冗余；按冗余程度分为：两重冗余/三重冗余/多重冗余；按冗余范围分：元器件冗余/部件冗余/子系统冗余/系统冗余。

其中，冷冗余是指贮备期间备份设备不通电，不运行。即备份设备的劣化速度较慢，具备最高的可靠性，缺点是备件的更换需要一定的时间，不能满足实时性要求较高的应用场合；热冗余则是指备份设备与主份设备同时工作，当主份发生故障时由一台或多台备份设备接替主份的工作，热备份实用价值最高，也是热门研究方向，缺点是与冷冗余相比，实现难度较高，且整个系统的劣化速度较快。

从冗余度层面考虑，当系统的固有可用度恒定时，根据数据模型计算，采用二重冗余可将系统可靠性提高10％，而三重冗余与二重冗余相比仅提高了0.9％，四重冗余在三重冗余的基础上仅能提高0.09％，考虑到系统复杂度及成本，二重冗余的具有最优的投入/产出比。

系统冗余最为复杂，是减少单点失效，提高可靠性的最佳途经；但成本高昂，设计难度大。元器件级成本低廉，易于实现，但对于接口匹配类失效模式效果不理想。故目前大多采用部件冗余/子系统冗余相结合的方式，根据系统的功能及重要性识别出可靠性关键设备/部件，仅对该部分进行冗余设计，以期获得最高的投入/产出比。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在现有的装备测试设备框架的基础上，结合几种冗余技术的优势/劣势，提供一种适用于非实时操作系统下的既稳定可靠由具备较好实时性的冗余容错的系统。采用该系统可在150ms内完成一次非实时操作系统下的主从切换过程。与传统的单机模式相比，可将非实时操作系统的可靠性指标(平均无故障时间MTBF)提高30％，并将非实时操作系统的平均维修时间(MTTR)降低至0.5h以下。

为了实现上述目的，本发明提出的一种基于非实时操作系统的双机冗余容错系统，所述系统包括：指挥中心、主机模块和从机模块，所述指挥中心向主机模块和从机模块发送测控指令，所述主机模块和从机模块向指挥中心发送采集的数据；所述主机模块用于完成主从机状态同步，监测主机故障，并在监测到故障后发送切换命令到从机；所述主机模块包括：主机应用层、主机同步单元、主机故障检测平台、主机故障监测单元和主机网络传输单元；所述从机模块用于完成主从机状态同步，监测从机故障，接收主机发送到切换命令，完成主从切换；所述从机模块包括：从机应用层、从机同步单元、从机故障检测平台、从机故障监测单元和从机网络传输单元。

上述技术方案中，所述主机应用层，用于接收和执行指挥中心发布的测控指令，并将主机的状态信息发送到指挥中心；

所述主机同步单元，用于采取二次校时的方法对主机和从机的时钟进行同步；时钟同步之后，主机进入待命状态，当收到指挥中心发来的测控指令后，完成主从双机状态同步；

所述主机网络传输单元，用于通过以太网与从机网络传输单元建立通信；在主机正常运行时，发送主机心跳包给从机网络传输单元；

所述主机故障检测平台，包括若干个故障检测插件，每个故障检测插件对应一种故障模式，该平台通过Windows系统内部的WMI接口，周期性获取故障检测插件的具体参数值；所述故障模式包括：CPU占用率、CPU温度、硬盘剩余空间和硬盘温度；用于根据危害程度为每一类故障模式设置两道检测门限：报警门限和切换门限；当监测状态值大于报警门限而未超过切换门限时，利用最小二乘法对该设备的下个周期的故障趋势进行预测；当监测状态值或预测值大于切换门限时，发送故障模式到所述主机故障监测单元；

所述主机故障监测单元，用于当接收到主机故障检测平台发送的故障模式时，设置自身的故障状态字，调用主机网络传输单元，如果没有收到从机发送的发生故障的消息，发送主从切换命令所述主机网络传输单元，并通知主机同步单元改变主从状态标识位，进而在下一个同步点时更改为从机同步逻辑，当主从状态标识位更改完毕后，写入故障/切换日志；否则，如果收到从机发送的发生故障的消息，将主从机都发生故障的消息通过主机应用层发送到指挥中心。

上述技术方案中，所述从机应用层，用于接收和执行指挥中心发布的测控指令，并将从机的状态信息发送到指挥中心；

所述从机同步单元，用于配合主机同步单元完成与主机的时钟同步；时钟同步之后，从机进入待命状态，当收到指挥中心发来的测控指令后，完成主从双机状态同步；

所述从机网络传输单元，用于通过以太网与主机网络传输单元建立通信，接收主从切换命令和主机心跳包；当从机接收到切换信息后，传递给从机故障监测单元；当未连续接收到主机心跳包后，如果未收到从机出现故障的消息，发送切换命令给从机故障监测单元；

所述从机故障检测平台，包括若干个故障检测插件，每个故障检测插件对应一种故障模式，该平台通过Windows系统内部的WMI接口，周期性获取故障检测插件的具体参数值；所述故障模式包括：CPU占用率、CPU温度、硬盘剩余空间和硬盘温度；用于根据危害程度为每一类故障模式设置两道检测门限：报警门限和切换门限；当监测状态值大于报警门限而未超过切换门限时，利用最小二乘法对该设备的下个周期的故障趋势进行预测；当监测状态值或预测值大于切换门限时，发送故障模式到所述从机故障监测单元；

所述从机故障监测单元，用于当接收从机故障检测平台发送的故障模式时，设置自身的故障状态字；将从机出现故障的消息通过从机网络传输单元发送给主机网络传输单元；当接收到从机网络传输单元发送的切换命令后，将从机状态标识位更改为主机状态，写入本机的故障/切换日志，并通知从机应用层切换已发生，由应用层控制总线通信模块板卡行切换。

上述技术方案中，所述主机同步单元和从机同步单元完成主从机状态同步的过程为：

步骤1)所述主机同步单元获取本地的系统时间，发送校时数据包到发送队列，并唤醒客户端线程，发送校时数据帧到从机同步单元；

步骤2)所述从机同步单元接到指令后，立即回复二次校时请求；

步骤3)所述主机同步单元接到二次校时请求后立即获取最新系统时间，再次发送校时数据帧；

步骤4)所述从机同步单元接到二次校时回复后，更新系从机统时间，更新后的从机本地系统时间为最后一次校时+两次校时差/2。

本发明的优势在于：

1、本发明的系统具有容错策略灵活可配置、不依赖于单一测试总线架构、扩展性、兼容性强以及可靠性高的特点；

2、本发明的系统有效地提高了传统测试设备的连续运行时间、平均无故障时间等可靠性指标，显著延长了系统的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的基于非实时操作系统的双机冗余容错系统架构图；

图2为本发明故障检测插件与故障检测平台接口关系图；

图3为本发明的主机非死机类故障导致的切换时序步骤图；

图4为本发明的主机死机类故障导致的切换时序步骤图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于非实时操作系统的双机冗余容错系统，所述系统包括：指挥中心、主机模块和从机模块，所述指挥中心向主机模块和从机模块发送测控指令，所述主机模块和从机模块向指挥中心发送采集的数据；所述主机模块包括：主机应用层、主机同步单元、主机故障检测平台、主机故障监测单元和主机网络传输单元；所述从机模块包括：从机应用层、从机同步单元、从机故障检测平台、从机故障监测单元和从机网络传输单元。

所述主机应用层，用于接收和执行指挥中心发布的测控指令，并将主机的状态信息发送到指挥中心；

所述主机同步单元，用于采取二次校时的方法对主机和从机的时钟进行同步；时钟同步之后，主机进入待命状态，当收到指挥中心发来的测控指令后，完成主从双机状态同步；

所述主机网络传输单元，用于通过以太网与从机网络传输单元建立通信；在主机正常运行时，发送主机心跳包给从机网络传输单元；

所述主机故障检测平台，包括若干个故障检测插件，每个故障检测插件对应一种故障模式，如图2所示；该平台通过Windows系统内部的WMI接口，周期性获取故障检测插件的具体参数值；所述故障模式包括：CPU占用率、CPU温度、硬盘剩余空间和硬盘温度；用于根据危害程度为每一类故障模式设置两道检测门限：报警门限和切换门限；当监测状态值大于报警门限而未超过切换门限时，利用最小二乘法对该设备的下个周期的故障趋势进行预测；当监测状态值或预测值大于切换门限时，发送故障模式到所述主机故障监测单元；

所述主机故障监测单元，用于当接收主机故障检测平台发送的故障模式时，设置自身的故障状态字，调用主机网络传输单元，如果没有收到从机发送的发生故障的消息，发送主从切换命令给主机网络传输单元，并通知主机同步单元改变主从状态标识位，进而在下一个同步点时更改为从机同步逻辑，当主从状态标识位更改完毕后，写入故障/切换日志；否则，如果收到从机发送的发生故障的消息，将主从机都发生故障的消息通过主机应用层发送到指挥中心；

所述从机应用层，用于接收和执行指挥中心发布的测控指令，并将从机的状态信息发送到指挥中心；

所述从机同步单元，用于配合主机同步单元完成与主机的时钟同步；时钟同步之后，从机进入待命状态，当收到指挥中心发来的测控指令后，完成主从双机状态同步；具体过程为：

步骤1)主机同步单元获取本地的系统时间，发送校时数据包到发送队列，并唤醒客户端线程，发送校时数据帧到从机同步单元；

步骤2)从机同步单元接到指令后，立即回复二次校时请求；

步骤3)主机同步单元接到二次校时请求后立即获取最新系统时间，再次发送校时数据帧；

步骤4)从机同步单元接到二次校时回复后，更新系统时间，更新后的从机本地系统时间为最后一次校时+两次校时差/2。

所述从机网络传输单元，用于通过以太网与主机网络传输单元建立通信，接收主从切换命令和主机心跳包；当从机接收到切换信息后，传递给从机故障监测单元(如图3所示)；当未连续接收到主机心跳包后，如果未收到从机出现故障的消息，发送切换命令给从机故障监测单元(如图4所示)；

所述从机故障检测平台，包括若干个故障检测插件，每个故障检测插件对应一种故障模式，该平台通过Windows系统内部的WMI接口，周期性获取故障检测插件的具体参数值；所述故障模式包括：CPU占用率、CPU温度、硬盘剩余空间和硬盘温度；用于根据危害程度为每一类故障模式设置两道检测门限：报警门限和切换门限；当监测状态值大于报警门限而未超过切换门限时，利用最小二乘法对该设备的下个周期的故障趋势进行预测；当监测状态值或预测值大于切换门限时，发送故障模式到所述从机故障监测单元；

所述从机故障监测单元，用于当接收从机故障检测平台发送的故障模式时，设置自身的故障状态字；将从机出现故障的消息通过从机网络传输单元发送给主机网络传输单元；当接收到从机网络传输单元发送的切换命令后，将从机状态标识位更改为主机状态，写入本机的故障/切换日志，并通知从机应用层切换已发生，由应用层控制总线通信模块板卡行切换。

本发明设计了一种用于非实时计算机操作系统下的双机同构冗余容错机制，结合时钟同步技术、故障检测技术、状态同步技术与网络通信技术，以两台相同架构的计算机构建冗余热备平台，形成一台主用，一台备用的双重冗余工作机制，并通过数据协议接口与本机内的测试应用软件完成交互，控制测控仪器资源完成对被测对象的自动化测试流程。

Claims (4)

1.一种基于非实时操作系统的双机冗余容错系统，所述系统包括：指挥中心、主机模块和从机模块，其特征在于，所述指挥中心向主机模块和从机模块发送测控指令，所述主机模块和从机模块向指挥中心发送采集的数据；所述主机模块用于完成主从机状态同步，监测主机故障，并在监测到故障后发送切换命令到从机；所述主机模块包括：主机应用层、主机同步单元、主机故障检测平台、主机故障监测单元和主机网络传输单元；所述从机模块用于完成主从机状态同步，监测从机故障，接收主机发送到切换命令，完成主从切换；所述从机模块包括：从机应用层、从机同步单元、从机故障检测平台、从机故障监测单元和从机网络传输单元。

2.根据权利要求1所述的基于非实时操作系统的双机冗余容错系统，其特征在于，所述主机应用层，用于接收和执行指挥中心发布的测控指令，并将主机的状态信息发送到指挥中心；

所述主机同步单元，用于采取二次校时的方法对主机和从机的时钟进行同步；时钟同步之后，主机进入待命状态，当收到指挥中心发来的测控指令后，完成主从双机状态同步；

所述主机网络传输单元，用于通过以太网与从机网络传输单元建立通信；在主机正常运行时，发送主机心跳包给从机网络传输单元；

所述主机故障检测平台，包括若干个故障检测插件，每个故障检测插件对应一种故障模式，该平台通过Windows系统内部的WMI接口，周期性获取故障检测插件的具体参数值；所述故障模式包括：CPU占用率、CPU温度、硬盘剩余空间和硬盘温度；用于根据危害程度为每一类故障模式设置两道检测门限：报警门限和切换门限；当监测状态值大于报警门限而未超过切换门限时，利用最小二乘法对该设备的下个周期的故障趋势进行预测；当监测状态值或预测值大于切换门限时，发送故障模式到所述主机故障监测单元；

所述主机故障监测单元，用于当接收到主机故障检测平台发送的故障模式时，设置自身的故障状态字，调用主机网络传输单元，如果没有收到从机发送的发生故障的消息，发送主从切换命令所述主机网络传输单元，并通知主机同步单元改变主从状态标识位，进而在下一个同步点时更改为从机同步逻辑，当主从状态标识位更改完毕后，写入故障/切换日志；否则，如果收到从机发送的发生故障的消息，将主从机都发生故障的消息通过主机应用层发送到指挥中心。

3.根据权利要求2所述的基于非实时操作系统的双机冗余容错系统，其特征在于，所述从机应用层，用于接收和执行指挥中心发布的测控指令，并将从机的状态信息发送到指挥中心；

所述从机同步单元，用于配合主机同步单元完成与主机的时钟同步；时钟同步之后，从机进入待命状态，当收到指挥中心发来的测控指令后，完成主从双机状态同步；

所述从机网络传输单元，用于通过以太网与主机网络传输单元建立通信，接收主从切换命令和主机心跳包；当从机接收到切换信息后，传递给从机故障监测单元；当未连续接收到主机心跳包后，如果未收到从机出现故障的消息，发送切换命令给从机故障监测单元；

所述从机故障检测平台，包括若干个故障检测插件，每个故障检测插件对应一种故障模式，该平台通过Windows系统内部的WMI接口，周期性获取故障检测插件的具体参数值；所述故障模式包括：CPU占用率、CPU温度、硬盘剩余空间和硬盘温度；用于根据危害程度为每一类故障模式设置两道检测门限：报警门限和切换门限；当监测状态值大于报警门限而未超过切换门限时，利用最小二乘法对该设备的下个周期的故障趋势进行预测；当监测状态值或预测值大于切换门限时，发送故障模式到所述从机故障监测单元；

所述从机故障监测单元，用于当接收从机故障检测平台发送的故障模式时，设置自身的故障状态字；将从机出现故障的消息通过从机网络传输单元发送给主机网络传输单元；当接收到从机网络传输单元发送的切换命令后，将从机状态标识位更改为主机状态，写入本机的故障/切换日志，并通知从机应用层切换已发生，由应用层控制总线通信模块板卡行切换。

4.根据权利要求3所述的基于非实时操作系统的双机冗余容错系统，其特征在于，所述主机同步单元和从机同步单元完成主从机状态同步的过程为：

步骤1)所述主机同步单元获取本地的系统时间，发送校时数据包到发送队列，并唤醒客户端线程，发送校时数据帧到从机同步单元；

步骤2)所述从机同步单元接到指令后，立即回复二次校时请求；

步骤3)所述主机同步单元接到二次校时请求后立即获取最新系统时间，再次发送校时数据帧；

步骤4)所述从机同步单元接到二次校时回复后，更新系从机统时间，更新后的从机本地系统时间为最后一次校时+两次校时差/2。