CN107634855A

CN107634855A - 一种嵌入式系统的双机热备方法

Info

Publication number: CN107634855A
Application number: CN201710815009.1A
Authority: CN
Inventors: 赵昶宇
Original assignee: Tianjin Jinhang Computing Technology Research Institute
Current assignee: Tianjin Jinhang Computing Technology Research Institute
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2018-01-26

Abstract

本发明涉及一种嵌入式系统的双机热备方法，属于嵌入式系统技术领域。本发明首先采用“先启为主”的主备机身份识别机制确认主备机身份；然后为主备机之间的心跳通信配备了两条心跳线，并且在处于正常工作运行状态的主机上创建一个互斥信号量，以此确定当前只有一台机器处于工作状态，避免了双主机现象的出现；建立主备机同步通信机制，确保主备机的状态和相互之间接收数据的实时通信；通过对主备机工作状态的实时监测，及时诊断系统故障，并采用主备机自动切换算法实现双机热备功能。

Description

一种嵌入式系统的双机热备方法

技术领域

本发明涉及嵌入式系统技术领域，具体涉及一种嵌入式系统的双机热备方法。

背景技术

目前最常见的双机容错技术有：无磁盘型、共享磁盘型、磁盘镜像型、共享和镜像共存型、NAS(Network Attached Storage)连接的共享型和混合型(共享磁盘镜像型)等，这些方法大多应用在专用的容错系统中，应用在通用的容错系统中的较少。上述这些方法大都是在应用层实现容错的功能，因此不可避免的会带来以下问题：

1、增加设计人员的工作量，设计人员在实现具体业务的同时必须考虑容错功能的实现；

2、数据容错的可靠性难以保证。设计人员只要有考虑不周的地方，就可能导致容错系统无法正确备份，导致备份失效；

3、系统可扩展性较差，一旦在系统中增加新的功能，设计人员必须重新考虑备份功能的实现，系统的可测试性和可维护性差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种双机热备的方法，以便能够有效的保证嵌入式系统稳定、可靠、有效和持续运行。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种嵌入式系统的双机热备方法，包括以下步骤：

S₁：主备机身份识别：

首先在主机和备机上分别配置好对方的IP地址和通信端口号，在嵌入式系统的任务启动后立即创建一个套接字并向对方通信端口发出连接请求；如果连接成功说明对方已经启动，本机标识为备机；如果连接失败将本机标识为主机，并将套接字绑定到主机或备机的通信端口进行监听；

S₂：建立主备机之间的心跳通信：

主机和备机均采用双网卡工作，双网通过交换机连接到局域网中，采用一条心跳线进行双机之间的通信，双机之间通过心跳线、双网的状态三种通道传递心跳信号，主机或备机判断是否收到心跳，只要三种通道有一个能收到对方的心跳，即认为心跳正常；当出现心跳失效的情况时，分别选取双网上的主机或者备机，或主机或者备机的一个端口作为通道的远程检测点，当一个通道心跳失效时，双机通过该通道检查设置的远程检测点，若检测不到则表明故障出现在本机端；若可以检测到则表明故障出现在对方；

在主备机的通信过程中，采用如下措施确保主备机同步：

主机接收外部指令启动任务，并通知备机启动，备机接收启动通知后自启动任务，并通知主机启动结果，主机接收备机启动结果后判断是否启动成功，若判断为成功则通知备机同步开始，并与外部设备进行通信，备机接收到同步开始通知后开始接收同步数据，若判断为不成功则主机保持自身当班权；

在主备机的通信过程中，采用如下措施实现主备机故障检测：

(1)在主备机中配备看门狗定时器：在系统上电后，处理器在正常工作时会每隔固定的时间对看门狗计数器进行清零操作，若主机或者备机出现故障，看门狗计数器值会超过某个阈值，最终会导致看门狗产生复位信号，使得处理器复位，通过设置和检测看门狗计数器的预设阈值，判断主备机是否出现故障；

(2)在主备机上电后，对系统进行自检操作，从而在上电时检测系统硬件是否工作正常；

(3)在系统运行过程中，主备机之间通过心跳线和双网的状态相互监测对方的工作状态。

优选地，步骤S₂中，双网通道在收到对方心跳时加入时间戳；在心跳失效的情况下，根据心跳时间戳，选择最后收到心跳的网络，然后去检查对应此网络的远程检测点，若可以检测到，表明对方宕机下线，本机正常，可作为主机运行；否则，标明本机宕机，此时应工作在备机。

优选地，在主备机的通信过程中，还采用主备机同时上电的措施确保主备机同步。

优选地，在主备机的通信过程中，还采用在主备机上电后，主备机使用同一外部有源晶振提供的时钟周期进行时钟同步的措施确保主备机同步。

优选地，在主备机的通信过程中，所述自检操作包括CPU检测、内存检测和I/O设备检测。

优选地，在主备机的通信过程中，主备机还按照如下原则进行切换：如果在系统运行过程中，主机检测到备机故障，则不进行切换，主机继续保持工作；如果备机检测到主机故障，则进行切换，由备机接管主机继续工作。

(三)有益效果

本发明首先采用“先启为主”的主备机身份识别机制确认主备机身份；然后为主备机之间的心跳通信配备了两条心跳线，并且在处于正常工作运行状态的主机上创建一个互斥信号量，以此确定当前只有一台机器处于工作状态，避免了双主机现象的出现；建立主备机同步通信机制，确保主备机的状态和相互之间接收数据的实时通信；通过对主备机工作状态的实时监测，及时诊断系统故障，并采用主备机自动切换算法实现双机热备功能。

附图说明

图1是本发明的主备机身份识别的原理图；

图2是本发明的主备机之间建立心跳通信的示意图；

图3是本发明的主备机同步过程的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为了构建一个强实时性和高可靠性的嵌入式系统，本发明提出了一种嵌入式系统的双机热备方法。该方法首先采用“先启为主”的主备机身份识别机制确认主备机身份；然后为主备机之间的心跳通信配备了两条心跳线，并且在处于正常工作运行状态的主机上创建一个互斥信号量，以此确定当前只有一台机器处于工作状态，避免了双主机现象的出现；建立主备机同步通信机制，确保主备机的状态和相互之间接收数据的实时通信；通过对主备机工作状态的实时监测，及时诊断系统故障，并采用主备机自动切换算法实现双机热备功能。本发明提出的方法具有成本低，易于实现，可靠性高，主备机切换时间短等优点，大大满足短事务、强实时系统的要求，最大限度的保证了嵌入式系统的安全性、可用性和可靠性，增强了双机热备系统在复杂、恶劣环境下的可维护性。

S₁：主备机身份识别

主备机身份识别是指在双机冗余情况下，当系统加电启动或者主机崩溃后要从当前双机中选出主机时，采用某种方法产生出一台为系统服务的主机来。目前大多数的双机热备系统都采用在主备机端安装不同软件的方式。这种方法的优点是程序开发较为简便，逻辑清晰，缺点是灵活性较差，不便于维护。本发明为了使主机和备机具有完全对等性，采用“先启为主”的主备机身份识别机制，即先启动的为主机，后启动的为从机。

“先启为主”的主备机身份识别机制采用端口监听的方法实现，具体原理如图1所示。首先在主机和备机上分别配置好对方的IP地址和通信端口号，在嵌入式系统的任务启动后立即创建一个套接字并向对方通信端口发出连接请求。如果连接成功说明对方已经启动，本机标识为备机；如果连接失败将本机标识为主机，并将套接字绑定到主机或备机的通信端口进行监听。这样，无论备机何时启动，主机都会接受备机的连接请求并与之建立连接。

S₂：建立主备机之间的心跳通信

主备机之间的心跳通信时双机热备系统设计的一个基本的却又很关键的问题，是主备机之间进行数据传输、主备机同步、主备机相互监测、隔离故障机和备用机恢复重新接入主备机系统的基础。心跳信号可以在高可靠双机热备软件的控制下，使主备机之间相互监视对方的运行状态，同时，它也是进行双机故障判断的一种有效的辅助判断方法。传统的双机热备系统中双机之间是通过心跳线互发心跳建立连接通信的。若心跳线发生故障，就会将原有协调的系统分为两个独立的个体。由于双机彼此失去联系，都以为对方发生故障，备用机本能的升为主用机，而主用机由于本身工作正常，继续保持主用，从而导致“双主”现象的产生。传统的解决“双主”现象的办法是增加心跳线的数量，但是该办法的缺点是不仅会增加系统的硬件成本，而且还会占用系统的接口资源，新增加的心跳线还会成为潜在的故障点，降低了系统的可维护性。

本发明中为了提高双机热备系统的可靠性，主机和备机均采用双网卡工作，双网通过交换机连接到局域网中，采用一条心跳线进行双机之间的通信。因此，双机之间通过心跳线、双网的状态三种通道传递心跳信号。只要这三种通道有一个能收到对方的心跳，即可认为心跳正常。当出现心跳失效的情况时，分别选取双网上的一台设备(主机或者备机)或设备的某个端口作为该通道的远程检测点。当某个网络通道心跳失效时，双机通过该网络通道检查设置的远程检测点，若检测不到则表明故障出现在本机端；若可以检测到则表明故障出现在对方。

为了进一步提高双机热备系统的可用性，双网通道在收到对方心跳时加入时间戳。在心跳无效的情况下，根据心跳时间戳，选择最后收到心跳的网络，然后去检查对应此网络的远程检测点，若可以检测到，表明对方宕机下线，本机正常，可作为主机运行；否则，标明本机宕机，此时应工作在备机。双机通信的方案如图2所示。

在主备机通信过程中，要确保主备机同步。

确保主备机之间的同步是设计双机热备系统最重要的工作，是确定主备机中控制程序的同步运行和保证系统真正无缝切换的基础。主备机运行时的相互监测以及当主机发生故障时故障的诊断、主备机的切换等都需要主备机同步来保障。

主备机的同步不仅包括时钟同步，还包括主备机状态和数据同步。

主备机的时钟同步是指硬件上的同步，包括双机时钟周期和时钟时序的同步。在主备机上电后，保证主备机使用的是同一外部有源晶振提供的时钟周期，以此来保障系统的各个模块完全按照相同的时钟频率运行。

主备机的状态和数据同步是指主备机之间需要实时进行通信，其中包括主备机的状态和接收数据的实时通信。为了让主备机的任务初始化能够同步开始，必须对主备机同时上电。当主机任务启动指令到达的第一时间通知备机启动任务，使备机同时进入工作模式。主备机的同步过程如图3所示。

在主备机均正常工作的情况下，主备机同时从网络上接收信息，但只有主机有权限向外部设备发送信息，备机只接收外部信息，处于信息发送静默状态。

故障检测是判断主备机是否存在故障以及检测系统故障部位的过程，它是主备机之间进行切换的依据，是保证双机热备系统性能的前提。在主备机通信过程中，还要进行实现主备机故障检测和切换。

本发明中采用如下几种措施实现主备机故障检测：

(1)在主备机中配备看门狗定时器。在系统上电后，处理器在正常工作时会每隔固定的时间对看门狗计数器进行清零操作。若主机或者备机出现故障，看门狗计数器值会超过某个阈值，最终会导致看门狗产生复位信号，使得处理器复位。通过设置和检测看门狗计数器的阈值，可判断主备机是否出现故障；

(2)在主备机上电后，可对系统进行自检操作，包括CPU检测、内存检测、I/O设备检测等，可在上电时检测系统硬件是否工作正常；

主备机进行切换的原则：

由于主备机在上电时通过身份识别已明确自身是主机还是备机，因此，如果在系统运行过程中，主机检测到备机故障，则不进行切换，主机继续保持工作；如果备机检测到主机故障，则进行切换，由备机接管主机继续工作。

本发明提出的方法具有成本低，易于实现，可靠性高，主备机切换时间短等优点，大大满足短事务、强实时系统的要求，最大限度的保证了嵌入式系统的安全性、可用性和可靠性，增强了双机热备系统在复杂、恶劣环境下的可维护性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种嵌入式系统的双机热备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S₁：主备机身份识别：

S₂：建立主备机之间的心跳通信：

在主备机的通信过程中，采用如下措施确保主备机同步：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S₂中，双网通道在收到对方心跳时加入时间戳；在心跳失效的情况下，根据心跳时间戳，选择最后收到心跳的网络，然后去检查对应此网络的远程检测点，若可以检测到，表明对方宕机下线，本机正常，可作为主机运行；否则，标明本机宕机，此时应工作在备机。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在主备机的通信过程中，还采用主备机同时上电的措施确保主备机同步。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在主备机的通信过程中，还采用在主备机上电后，主备机使用同一外部有源晶振提供的时钟周期进行时钟同步的措施确保主备机同步。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在主备机的通信过程中，所述自检操作包括CPU检测、内存检测和I/O设备检测。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在主备机的通信过程中，主备机还按照如下原则进行切换：如果在系统运行过程中，主机检测到备机故障，则不进行切换，主机继续保持工作；如果备机检测到主机故障，则进行切换，由备机接管主机继续工作。