CN109687943A - 一种双机备份冗余控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双机备份冗余控制系统，包括：双冗余热备装置和IO端口双冗余装置；双冗余热备装置包括：上位机主备状态设置模块、下位机主备状态设置模块和通道选择模块；上位机主备状态设置模块用于确定当前值班上位机；下位机主备状态设置模块用于确定当前值班下位机；通道选择模块用于将来自于当前值班上位机的网络数据发送至下位机或外部网络；IO端口双冗余装置与上位机主备状态控制模块连接，用于输出当前值班上位机的视频数据。其解决了适用于上‑下位机架构的作战系统网络节点的数据热备份问题，充分考虑了作战系统的体系架构和高可靠性要求，而且能够根据作战系统的网络实际部署环境进行动态配置调整，具有良好的灵活性和扩展性。

Description

一种双机备份冗余控制系统
技术领域
本发明涉及计算机网络及电子信息技术领域，尤其涉及一种双机备份冗余控制系统。
背景技术
采用上-下位机架构是当前作战系统网络节点提高系统性能，增加单个节点整体计算性能的重要举措。在该架构中，上位机一般只部署人机交互软件，为用户提供流畅的软件运行体验，下位机连接外部作战网络，被分配唯一固定IP地址，负责数据的收集、计算、分析、生成结果等事务性工作，处理数据量大、频率高、实时性要求强，上位机与下位机之间采用网络数据交换模块连接，组成节点内部网络。用户输入的操作指令经上位机简单处理后由内部网传递到下位机进行业务处理，同时下位机将收到的外部作战网络数据解析处理后发送到上位机显示。下位机在外部作战网络与节点内部网络之间扮演信息传递管道作用，属于关键节点，下位机的可靠性直接影响网络节点的整体可用性，因此，提高下位机的可靠性将有助于增强作战系统的可用性。
主备用系统通过冗余的部件和专门的软件，能够在单一计算机系统出现单点故障时降级运行，能够大大提高系统的可靠性。目前组建主备用系统有多种技术方案，应用最广的是双机热备份系统。中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所申请的“一种双机备份冗余控制装置”发明专利采用两个完全相同计算机，分别安装冗余控制装置，经导线相连，实机单机通过主备位抢权机制确定主机，由主机输出对外的公共信号，外部输入的遥控命令两机同时接收，单机的主备位无条件进行切换，能够有效提高单个普通计算机节点的可靠性，适用于非网络节点的双机热备。中国科学院计算技术研究所申请的“一种双机热备份方法及系统”发明专利采用时效输出缓存与集线器配合方法，在主用机工作异常情况下，备用机能够实时检测到主用机失败，完成主备切换过程，接替主机继续工作，适用于实时性要求不高、数据发送端网络地址不作要求的双机热备解决方案。作战系统网络节点的下位机直接连接作战网络，被分配了唯一网络IP地址，其工作状态由作战网络及上位机用户操作指令输入共同驱动，由于以太网对上网设备IP地址有不可重复的强制要求，或者当作战系统采用了基于网络IP地址白名单的网络安全管理措施，需要实时检测上网节点IP地址有效性时，上述两种发明专利并不适用于上-下位机架构的作战系统网络节点下位机的冗余性设计。
此外，作战系统网络节点作为部署作战应用软件的载体，决定了上位机扮演着用户操作指令接收器角色，承担着用户与下位机沟通的桥梁作用，随着作战应用软件功能的不断增加，上位机的重要地位逐渐显示出来，因此，上位机的可靠性同样制约着单个网络节点的整体可用性，由于上位机隶属于节点内部网络，自带输入输出端口而节点在整体上要求唯一输入输出端口的特殊性，上述发明专利同样不适用于作战系统网络节点上位机的冗余性设计。因此，需要从整体上提供一种适用于上-下位机架构的作战系统网络节点的数据热备份技术。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双机备份冗余控制装置，其不仅解决了适用于上-下位机架构的作战系统网络节点的数据热备份问题，充分考虑了作战系统的体系架构和高可靠性要求，而且能够根据作战系统的网络实际部署环境进行动态配置调整，具有良好的灵活性和扩展性，还实现了上位机、下位机的双机冷、热备及节点IO端口的双冗余性设计，同时保证双机冷、热备工作模式切换时网络应用丢包率及用户操作命令响应丢失率为零。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种双机备份冗余控制系统，包括：
双冗余热备装置和IO端口双冗余装置；
所述双冗余热备装置包括：上位机主备状态设置模块、下位机主备状态设置模块和通道选择模块；所述上位机主备状态设置模块用于确定当前值班上位机；所述下位机主备状态设置模块用于确定当前值班下位机；所述通道选择模块用于将来自于当前值班上位机的网络数据发送至下位机或外部网络；
所述IO端口双冗余装置与所述上位机主备状态控制模块连接，用于输出当前值班上位机的视频数据。
进一步地，所述上位机主备状态设置模块包括第一网络控制器模块、第二网络控制器模块、第一通道信号采集模块和第一通道计算逻辑模块，所述第一通道计算逻辑模块分别与所述第一网络控制器模块、所述第二网络控制器模块和所述第一通道信号采集模块连接；所述下位机主备状态设置模块包括第三网络控制器模块、第四网络控制器模块、第二通道信号采集模块和第二通道计算逻辑模块，所述第二通道计算逻辑模块分别与所述第三网络控制器模块、所述第四网络控制器模块和所述第二通道信号采集模块连接。
进一步地，所述系统进一步包括第一上位机、第二上位机、第一下位机和第二下位机，所述第一上位机连接所述第三网络控制器模块，所述第二上位机连接所述第四网络控制器模块，所述第一上位机连接所述第一网络控制器模块，所述第二上位机连接所述第二网络控制器模块。
进一步地，所述IO端口双冗余装置包括上位机IO端口控制器模块和外部设备IO端口控制器模块，所述上位机IO端口控制器模块分别与所述第一上位机和所述第二上位机连接；所述外部设备IO端口控制器模块连接外部设备。
进一步地，所述上位机IO端口控制器模块包括第一上位机IO端口控制器模块和第二上位机IO端口控制器模块，所述第一上位机IO端口控制器模块和所述第二上位机IO端口控制器模块均包括输入端口控制器模块和视频端口控制器模块；所述第一上位机IO端口控制器模块与所述第一上位机连接；所述第二上位机IO端口控制器模块与所述第二上位机连接。
进一步地，所述双冗余热备装置进一步包括第一数据广播模块，所述第一数据广播模块分别与所述第三网络控制器模块、第四网络控制器模块连接。
进一步地，所述双冗余热备装置进一步包括第五网络控制器模块，所述第五网络控制器模块分别与所述通道选择模块和外部网络连接。
进一步地，所述双冗余热备装置进一步包括报文转换模块，所述报文转换模块分别与所述通道选择模块和所述第五网络控制器模块连接。
进一步地，所述双冗余热备装置进一步包括第二数据广播模块和第三数据广播模块，所述第二数据广播模块分别与所述第一网络控制器模块、所述第二网络控制器模块连接和所述第二通道计算逻辑模块连接；所述第三数据广播模块分别与所述第一网络控制器模块、所述第二网络控制器模块连接和所述第五网络控制器模块连接。
进一步地，所述上位机主备状态设置模块进一步包括第一工作状态分析模块，所述第一工作状态分析模块分别与所述第一网络控制器模块和所述第二网络控制器模块连接；所述下位机主备状态设置进一步包括第二工作状态分析模块，所述第二工作状态分析模块分别与所述第三网络控制器模块和所述第四网络控制器模块连接。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：其不仅解决了适用于上-下位机架构的作战系统网络节点的数据热备份问题，充分考虑了作战系统的体系架构和高可靠性要求，而且能够根据作战系统的网络实际部署环境进行动态配置调整，具有良好的灵活性和扩展性，还实现了上位机、下位机的双机冷、热备及节点IO端口的双冗余性设计，同时保证双机冷、热备工作模式切换时网络应用丢包率及用户操作命令响应丢失率为零。本发明在采用上-下位机架构的网络应用，如QoS保障系统、入侵检测系统、工业控制系统等对可靠性、实时性要求较高的领域，具有重要推广应用价值。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的双机备份冗余控制装置的双冗余热备装置的结构框图；
图2为本发明第一实施例提供的双机备份冗余控制装置的IO端口双冗余装置的结构框图；
图3为本发明第一实施例中通道选择模块定义的标准IPv4协议数据报头格式；
图4为本发明第一实施例中下位机当班主机及输出决策流程图；其中，图4a显示了第一下位机当班主机及输出决策流程图；图4b显示了第二下位机当班主机及输出决策流程图；
图5为本发明第一实施例中上位机当班主机及输出决策流程图；其中，图5a显示了第一上位机当班主机及输出决策流程图；图5b显示了第二上位机当班主机及输出决策流程图；
图6为本发明第一实施例中上位机视频输出决策算法流程图；
图7为本发明第一实施例中接收外网数据-可视化的信息处理流程流程图；
图8为本发明第一实施例中接收用户输入数据的信息处理流程；
图9为本发明第一实施例提供的双机备份冗余控制装置的作战系统网络节点完全冗余的数据热备示意图。
图中：1、第一数据广播模块；2、通道选择模块；3、第五网络控制器模块；4、报文转换模块；5、第二数据广播模块；6、第三数据广播模块；7、终端管理模块；11、第一网络控制器模块；12、第二网络控制器模块；13、第一通道信号采集模块；14、第一通道计算逻辑模块；15、第一工作状态分析模块；16、第一工作状态指示灯；21、第三网络控制器模块；22、第四网络控制器模块；23、第二通道信号采集模块；24、第二通道计算逻辑模块；25、第二工作状态分析模块；26、第二工作状态指示灯；201、第一输入端口控制器模块；202、第二输入端口控制器模块；203、第三输入端口控制器模块；204、第四输入端口控制器模块；205、第五输入端口控制器模块；206、第六输入端口控制器模块；211、第一视频端口控制器模块；212、第二视频端口控制器模块；213、第三视频端口控制器模块；221、第一信号复制广播模块；222、第二信号复制广播模块；230、视频信号采集模块；240、视频切换逻辑模块。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
本发明实施例提供了一种双机备份冗余控制系统，该系统包括双冗余热备装置、IO端口双冗余装置、第一上位机、第二上位机、第一下位机和第二下位机。
双冗余热备装置分别与IO端口双冗余装置、第一上位机、第二上位机、第一下位机和第二下位机连接。具体地，双冗余热备装置包括：上位机主备状态设置模块、下位机主备状态设置模块和通道选择模块；上位机主备状态设置模块用于确定当前值班上位机；下位机主备状态设置模块用于确定当前值班下位机；通道选择模块用于将来自于当前值班上位机的网络数据发送至下位机或外部网络；IO端口双冗余装置与上位机主备状态控制模块连接，用于输出当前值班上位机的视频数据。
参见图1，是本发明第一实施例提供的双机备份冗余控制装置的双冗余热备装置的结构框图。具体地，在本发明实施例中，双冗余热备装置包括：上位机主备状态设置模块、下位机主备状态设置模块、第一数据广播模块1、通道选择模块2、第五网络控制器模块3、报文转换模块4、第二数据广播模块5、第三数据广播模块6、终端管理模块7。
上位机主备状态设置模块，上位机主备状态设置模块包括第一网络控制器模块11、第二网络控制器模块12、第一通道信号采集模块13、第一通道计算逻辑模块14、第一工作状态分析模块15和第一工作状态指示灯16，第一通道计算逻辑模块14分别与第一网络控制器模块11、第二网络控制器模块12和第一通道信号采集模块13连接；第一工作状态分析模块15分别与第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12连接；第一工作状态指示灯16与第一工作状态分析模块15连接。
在本发明实施例中，上位机主备状态设置模块用于确定两台上位机中当前值班主机和当前值班的备用机。第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12用于与两台上位机进行网络通信，同时，第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12还输出自身的实时工作状态至第一通道计算逻辑模块14；第一通道信号采集模块13采用拨动式二值开关控制，当开关为ON时，输出高电平，表示第一上位机处于工作状态，第二上位机处于备用工作状态；当开关为OFF时，输出低电平，表示第一上位机处于备用工作状态，第二上位机处于工作状态；第一通道信号采集模块13输出电信号至第一通道计算逻辑模块14的输入端。第一通道计算逻辑模块14，采用组合逻辑电路，其输入包括数据输入和控制输入两种。数据输入来自第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12输出的网络数据；控制输入来自第一通道信号采集模块13输出的拨动开关值电信号、第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12输出的自身的实时工作状态；控制输入的结果决定数据输入的导通与否。
下位机主备状态设置模块，下位机主备状态设置模块包括第三网络控制器模块21、第四网络控制器模块22、第二通道信号采集模块23、第二通道计算逻辑模块24、第二工作状态分析模块25和第二工作状态指示灯26，第二通道计算逻辑模块24分别与第三网络控制器模块21、第四网络控制器模块22和第二通道信号采集模块23连接；第二工作状态分析模块25分别与第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22连接；第二工作状态指示灯26与第二工作状态分析模块25连接。
在本发明实施例中，下位机主备状态设置状态用于确定两台下位机中当前值班主机和当前值班的备用机。第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22用于与两台下位机进行网络通信，同时，第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22还输出自身的实时工作状态至第二通道计算逻辑模块24；第二通道信号采集模块23采用拨动式二值开关控制，当开关为ON时，输出高电平，表示第一下位机处于工作状态，第二下位机处于备用工作状态；当开关为OFF时，输出低电平，表示第一下位机处于备用工作状态，第二下位机处于工作状态；第二通道信号采集模块23输出电信号至第二通道计算逻辑模块24的输入端。第二通道计算逻辑模块24，采用组合逻辑电路，其输入包括数据输入和控制输入两种。数据输入来自第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22输出的网络数据；控制输入来自第二通道信号采集模块23输出的拨动开关值电信号、第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22输出的自身的实时工作状态；控制输入的结果决定数据输入的导通与否。
在本发明实施例中，第一通道信号采集模块13和第二通道信号采集模块23为功能相同的两个部件，接收用户选择的当班主机。第一通道信号采集模块13作为下位机第一主/备用切换信号的采集器，第二通道信号采集模块23作为上位机第二主/备用切换信号的采集器。各通道信号采集模块均采用电平触发，高电平信号表示第一下位机或第一上位机的网络控制器模块数据优先输出，第二下位机或第二上位机网络控制器模块数据作备用输出；低电平信号时情况相反。
本发明实施例中，第一通道计算逻辑模块14和第二通道计算逻辑模块24为两个功能相同的部件；均采用数字逻辑可编程芯片，实现依照计算逻辑模型将输入端短接到输出端的功能。第一通道计算逻辑模块14数据输入为第一网络控制器模块11的数据流x1和第二网络控制器模块12的数据流x2，控制输入为三路高低电平信号，分别是第一网络控制器模块11的通电状态U1、第二网络控制器模块12的工作状态U2、第一通道信号采集模块13的主/备用信号值W1，输出当前值班下位机的网络控制器数据x1或(互斥)x2。下位机工作在双机热备模式时，第一通道计算逻辑模块14实现了根据用户选择确定当前值班下位机的功能。第一通道计算逻辑模块14的计算逻辑模型为：
上述计算模型的真值表为：
从结果可以看出，当U1和U2不全为0或全为1时，即只有一个下位机工作，下位机处双机冷备工作模式，第一主/备用切换信号无效，此时由工作的下位机充当值班主机；当U1和U2全为1时，即双下位机同时工作，转换到双机热备工作模式，第一主/备用切换信号有效，当W1＝0时，选择第一下位机作为当前值班主机，当W1＝1时，选择第二下位机作为当前值班主机，在上述两种工作模式下，仅值班主机与外部作战网络、上位机通信。因此，实现了下位机在双机热备工作模式下由用户通过主/备用切换信号确定当前值班主机的功能。第二通道计算逻辑模块24的工作原理与第一通道计算逻辑模块14相同，主要解决从两个上位机中确定当前值班主机的问题，其计算逻辑模型为：
对应的真值表为：
从结果可以看出，当U3和U4不全为0或全为1时，即只有一个上位机工作，上位机处双机冷备工作模式，第二主/备用切换信号无效，此时，由工作的上位机充当值班主机；当U1和U2全为1时，即两个上位机同时工作，转换到双机热备工作模式，第二主/备用切换信号有效，当W2＝0时，选择第一上位机作为当前值班主机，当W2＝1时，选择第二上位机作为当前值班主机。在上述两种工作模式下，仅值班主机与下位机通信，因此，实现了上位机在双机热备工作模式下由用户确定当前值班主机的功能。
本发明实施例中，第一工作状态分析模块15和第二工作状态分析模块25为功能相同的两个部件，用于显示判断双机系统工作在冷备或热备模式。采用组合逻辑电路，第一工作状态分析模块15输入第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12的工作状态信号，由计算逻辑规则判断下位机系统为单机冷备或双机热备工作模式，分别对应一种状态组合值，用于控制第一工作状态指示灯16。同样地，第二工作状态分析模块25输入第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22的工作状态信号，由计算逻辑规则判断上位机系统为单机冷备或双机热备工作模式，分别对应一种状态组合值，用于控制第二工作状态指示灯26。
具体地，第一工作状态分析模块15采用组合逻辑电路，输入为第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12的工作状态，输出两位二进制数P1P2，P1P2＝10表示当前下位机处双机冷备工作模式，第一工作状态指示灯16的1号灯L1亮、2号灯L2灭；P1P2＝01表示当前下位机处双机热备工作模式，第一工作状态指示灯16的1号灯L1、2号灯L2同时亮；P1P2＝0表示第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12均未通电，即当前第一下位机和第二下位机均未开机，则第一工作状态指示灯16的1号灯L1、2号灯L2都不亮。P1的计算模型： P2的计算模型：P1＝U1U2。
第一工作状态分析模块15实现了下位机的双机冷、热备工作模式判断指示；其实现的逻辑计算真值表为：
U1 U2 P1 P2 说明
0 0 0 0 第一下位机、第二下位机未开机
0 1 1 0 双机冷备，第一下位机关机，第二下位机开机
1 0 1 0 双机冷备，第一下位机开机，第二下位机关机
1 1 0 1 双机热备，第一下位机开机，第二下位机开机
第二工作状态分析模块25实现了上位机双机冷、热备工作模式的判断指示，其计算逻辑与第一工作状态分析模块15类似。
通道选择模块2分别与第一通道计算逻辑模块14和第一数据广播模块1连接第一数据广播模块1分别连接第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22；第二通道计算逻辑模块24经第二数据广播模块5分别连接第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12；通道选择模块2还连接报文转换模块4，报文转换模块4分别连接终端管理模块7和第五网络控制器模块3；第五网络控制器模块3经第三数据广播模块6分别连接第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12；
本发明实施例中，第五网络控制器模块3用于实现与外部作战网络的网络通信。具体地，在本发明实施例中，第一网络控制器模块11、第二网络控制器模块12、第三网络控制器模块21、第四网络控制器模块22和第五网络控制器模块3为功能相同的五个部件，采用标准以太网网络控制器接口芯片，封装了IEEE-802.3物理层和数据链路层协议，连接上位机、下位机、及外部作战网络数据交换设备，实现两台上位机、两台下位机及外部作战网络之间的互联互通及网络数据收发。发送数据时，各网络控制器模块将网络数据转换为比特流电子电气信号，接收作战网络数据时，负责将模拟数据转换为计算机能处理识别的数字二进制流。此外，各网络控制器模块还输出自己的实时工作状态。网络控制器工作状态采用0或1表示，0表示网络控制器模块未加电或故障，1表示网络控制器模块工作正常。
本发明实施例中，通道选择模块2用于选择性将来自下位机的网络数据发送给上位机或发送给外部作战网络。具体地，通道选择模块2采用一块可编程控制器，输入来自下位机发送的网络数据，通过分析网络数据包的报文头，确定是将数据转发给第五网络控制器模块3，由第五网络控制器模块3发送到外部作战网络；还是将数据经第一数据广播模块1，发送到上位机。
具体地，通道选择模块2采用一块可编程控制器芯片，标准以太网输入接口，输入的数据格式为基于TCP/IP协议的IPv4数据报，其报文头定义见图3，通过设计通道计算算法，确定待转发的网络数据目的地是上位机还是外部网络。下位机待转发的网络报文目的地确定算法包括如下步骤：
定理1：设Ω表示下位机发送的任意一个网络数据报文，长度是L(字节)，Bi表示从报文第i个字节开始的内容，0≤i≤L，则报文目的地网络IP地址Addrdd、发送方网络IP地址Addrsd满足以下等式：
Addrdd＝B16-B20；
Addrsd＝B12-B16；
S1.根据定理1实时计算每一条报文的Addrdd和Addrsd
S2.限定节点内部网络的子网掩码为255.255.255.0，第一下位机、第二下位机、第一上位机和第二上位机在同一个网段，从而可以根据Addrdd和Addrsd确定报文目的地，决策规则为：
(1)且 是一个要发送到外网的数据报，十进制16777216、4278190080分别对应的16十制数为0x1000000，0xFF000000；
(2)或不向外发送；
(3)其他情况时：是一个要发送到上位机的数据报；
定理2：设作战系统给装置1隶属节点分配的网络IP地址为Addrnode，则Addrsd＝Addrnod。
本发明实施例中，第一数据广播模块1、第二数据广播模块5、第三数据广播模块6为功能相同的三个部件，均采用带缓存的双通道、高速数字信号转发器，负责将收到的网络输入数据复制两路相同数据同步输出到上位机或下位机网络控制器模块，其中第三数据广播模块6主要负责将来自外部作战网络的数据同步转发到两台下位机，第一数据广播模块1是将下位机的网络输出数据复制两路分发给两台上位机，第二数据广播模块5的处理流程是将上位机的网络输出数据复制两路分发给两台下位机。
具体地，第一数据广播模块1、第二数据广播模块5、第三数据广播模块6为功能相同的三个部件，各数据广播模块主要采用一分二转换器数字芯片复制输出两路相同数据。第三数据广播模块6输入来自第五网络控制器模块3接收的外部作战系统网络数据，复制相同的两路，其中一路传送给第一网络控制器模块11，另一路传送给第二网络控制器模块12，确保来自作战系统的网络数据，两个下位机能够实时、同步、准确接收。第一数据广播模块1输入来自第一通道计算逻辑模块14转发的当前值班下位机输出的网络数据，复制相同的两路，其中一路传送给第三网络控制器模块21，另一路传送给第四网络控制器模块22，确保当前值班下位机发送的网络数据能够被两个上位机实时、同步、准确接收。第二数据广播模块5的工作流程恰好与数据广播模块2相反，主要是将上位机发送的网络数据同步传递到两个下位机。
在本发明实施例中，报文转换模块4采用一块可编程控制器芯片，输入通道选择模块2提供的网络数据报文Ω以及节点网络IP地址Addrnod，通过分析以太网TCP/IP协议的IPv4数据报文头部结构，根据定理2对字段“Source IP Address”内容用节点分配的作战系统网络地址进行替换，该策略确保了该装置能够适应作战系统采用基于网络IP地址白名单的网络安全管理措施。
在本发明实施例中，终端管理模块7采用可编程控制器，一方面提供管理接口，支持用户修改装置1的网络配置信息，主要包括网络IP地址、子网掩码，另一方面负责管理存储上述配置信息的小容量可擦除存储器。
参见图2，是本发明第二实施例提供的双机备份冗余控制装置中IO端口双冗余装置的结构框图。
本发明第二实施例提供的双机备份冗余控制装置，包括上述双冗余热备装置，且进一步包括第一上位机、第二上位机、第一下位机、第二下位机和IO端口双冗余装置，第一上位机连接第三网络控制器模块21，第二上位机连接第四网络控制器模块22，第一上位机连接第一网络控制器模块11，第二上位机连接第二网络控制器模块12；IO端口双冗余装置与双冗余热备装置电连接。
IO端口双冗余装置包括上位机IO端口控制器模块和外部设备IO端口控制器模块，上位机IO端口控制器模块分别与第一上位机和第二上位机连接；外部设备IO端口控制器模块连接外部设备。
具体地，上位机IO端口控制器模块的数目为两个，分别为第一上位机IO端口控制器模块和第二上位机IO端口控制器模块，各上位机IO端口控制器模块均包括两个输入端口控制器模块和一个视频端口控制器模块；外部设备IO端口控制器模块也包括两个输入端口控制器模块和一个视频端口控制器模块。其中，输入端口控制器模块可以是键盘端口控制器模块或鼠标端口控制器模块。
第一上位机IO端口控制器模块与第一上位机连接，其包括第一输入端口控制器模块201、第二输入端口控制器模块202和第一视频端口控制器模块211；第二上位机IO端口控制器模块与第二上位机连接，其包括第三输入端口控制器模块203、第四输入端口控制器模块204和第二视频端口控制器模块212；外部设备IO端口控制器模块与用户设备连接，其包括第五输入端口控制器模块205、第六输入端口控制器模块206和第三视频端口控制器模块213。
具体地，在本发明是实施例中，第一输入端口控制器模块201与第一上位机的第一输入端口连接，第二输入端口控制器模块202与第二上位机的第一输入端口连接，第一视频端口控制器模块211与第一上位机的视频输出端口连接；第三输入端口控制器模块203与第二上位机的第一输入端口连接，第四输入端口控制器模块204与第二上位机的第二输入端口连接，第二视频端口控制器模块212与第二上位机的视频输出端口连接；第五输入端口控制器模块205与第一用户输入设备连接、第六输入端口控制器模块206与第二用户输入设备连接；第三视频端口控制器模块213与视频输出设备连接。
IO端口双冗余装置进一步包括信号复制广播模块、视频信号采集模块230和视频切换逻辑模块240；信号复制广播模块与第一输入端口控制器模块201、第二输入端口控制器模块202、第三输入端口控制器模块203、第四输入端口控制器模块204、第五输入端口控制器模块205、第六输入端口控制器模块206连接；视频切换逻辑模块240分别与第一视频端口控制器模块211、第二视频端口控制器模块212、第三视频端口控制器模块213和视频信号采集模块230连接。
信号复制广播模块的数目为两个，分别为第一信号复制广播模块221和第二信号复制广播模块222，信号复制广播模块采用了一块标准视频端口的一到二KVM(KeyboardVideo Mouse)转换模块，能够将输入的单路键盘或鼠标指令同步复制两路数据输出到对应的两个输入端口控制器模块。
视频信号采集模块230采用拨动式二值开关控制，当开关为ON时，视频信号采集模块230输出高电平1，表示第一上位机的视频输出为主输出，第二上位机的视频输出为备用输出，当开关为OFF时，输出低电平0，情况正好相反。视频信号采集结果接至视频切换模块的输入端，作为决策当前上位机视频输出的重要依据之一。
视频切换模块240采用组合逻辑电路，其输入包括数据输入和控制输入两种。数据输入来自于两个上位机的视频输出数据；控制输入有第二通道信号采集模块23输出的拨动开关值，第三网络控制器模块21、第四网络控制器模块22输出的上位机工作状态。在设计的计算逻辑模型中，控制输入决定上位机视频输出数据与输出端的连通与否。
具体地，视频切换逻辑模块240采用一块组合逻辑控制芯片，三个控制端，分别是双冗余热备装置提供的上位机工作状态信号U3和U4、用户人工做出的视频输出上位机决策信号W3，两个数据输入端，分别是第一上位机和第二上位机的视频数据v1和v2，一个输出端O3连接第三视频端口控制器模块213。该模块根据逻辑计算模型确定将某一路输入数据短接到输出端。设计以下逻辑计算模型：
上式中，O3＝0时输出v1，O3＝1时输出v2，因此上式对应的真值表为：
从结果可以看出，当上位机处双机冷备工作模式，值班主机的视频输出作为节点视频输出；当上位机转换到双机热备工作模式时，由用户人工选择确定作为节点主视频输出的上位机。当开关为ON时，W3＝1，第二上位机的视频数据优先输出，第一上位机的视频输出为备用输出，当开关为OFF时，输出低电平0，情况正好相反。该模块确保IO端口双冗余装置在任意时刻仅输出唯一一台上位机的视频信息。
实际工作中，双冗余热备装置和IO端口双冗余装置需要在用户的参与下，结合两个下位机和两个上位机当前工作状态、主/备用切换信号、视频输出上位机决策信号，确定接收外部作战网络数据并向上位机传送的当班下位机以及将上位机收到的用户操作响应计算结果发送到下位机或节点视频输出设备的当班上位机，完整的下位机、上位机当班主机及输出决策算法如图4、图5所示。完整的上位机视频输出决策算法如图6所示。
装置在上电复位后，工作状态分析模块1、工作状态分析模块2在每个工作周期分别采集第一下位机和第二下位机、第一上位机和第二上位机的网络状态，判定是双机冷备(单机)工作模式，此时下位机对应输出的P1为高电平信号、P2为低电平信号，仅P1灯亮或者上位机对应输出的P3为高电平信号、P4为低电平信号，仅P3灯亮，还是双机热备工作模式，此时下位机对应输出的P1、P2为高电平信号，P1和P2灯同时亮或者下位机对应输出的P3、P4为高电平信号，P3和P4灯同时亮。在双机冷备工作模式下，由加电工作的下位机或上位机充当值班主机；双机热备工作时，用户通过主/备用切换信号人工选择确定当前下位机的值班主机和上位机的值班主机；当开关为ON时，第二下位机或第二上位机作为当前值班主机，开关为OFF时，第一下位机或第一上位机为当前值班主机。下位机的主/备用切换信号和上位机的主/备用切换信号独立设置、互不影响。
整个节点的视频输出来自于上位机的视频输出，当上位机工作在双机冷备(单机)模式下，将当前处加电状态的上位机视频输出作为整个节点的视频输出；当上位机转换到双机热备工作模式下，用户通过上位机视频输出决策信号人工选择确定节点视频输出数据来源的上位机，当开关为ON时，W3＝1，节点的视频输出数据来源于第二上位机，同时切断第一上位机与节点视频输出的连接，当开关为OFF时，情况正好相反。上位机视频输出决策信号W3与主/备用切换信号W1、W2互影响，可独立设置。
实际工作时完整的接收外网数据-可视化处理流程如图7所示，首先由第三数据广播模块6将收到的作战网络数据同步发送给第一下位机和第二下位机，下位机收到数据后转入业务逻辑处理，进一步根据下位机当班主机决策算法确定下位机的当前值班主机，将其将计算结果通过数据广播模块2同步发送给第一上位机和第二上位机，上位机收到数据后转入解算可视化，视频切换逻辑模块240读取第一上位机和第二上位机的工作状态以及用户人工设置的上位机视频输出决策信号，根据上位机视频输出决策算法，确定唯一一个连接到节点视频输出设备的上位机，最后将该上位机的计算结果显示给用户。
实际工作时完整的接收用户输入数据的处理流程如图8所示，用户通过输入设备A和B发出操作指令，第一信号复制广播模块221和第二信号复制广播模块222负责将收到的指令同步发送到第一上位机和第二上位机的输入端口，上位机收到指令后实时进行业务逻辑处理，进一步根据上位机当班主机决策算法确定上位机的当前值班主机，将其计算结果通过第二数据广播模块5同步发送给第一下位机和第二下位机，驱动两个下位机业务逻辑同步实时更新。当下位机准备将数据发送到作战网络时，需要根据下位机当班主机决策算法确定下位机的当前值班主机，最后由其将计算结果发送到作战网络。
装置工作过程中，用户可通过终端管理模块7实时修改节点由作战系统分配的网络IP地址，并永久保存在双冗余热备装置的存储器中。设计两条配置指令，用户输入格式为：
(1)配置双冗余热备装置的节点网络IP地址：setAddr xxx.xxx.xxx.xxx，IP地址由“.”分隔的4组0-255之间的数字组成；
(2)配置双冗余热备装置的节点网络子网掩码：setMask yyy.yyy.yyy.yyy，子网掩码也由4组数字组成，仅能取0或255；
双机热备工作模式下，用户可通过开关控制下位机的主/备用切换信号、上位机的主/备用切换信号、上位机视频输出决策信号W3的值，人工指定充当值班主机的上位机和下位机，以及作为节点视频输出的上位机，三个信号独立配置、互不影响，信号状态发生变化后，无须重启装置，立即生效，实时响应输出。
任意时刻，不管是改变上位机或下位机的双机冗余工作模式，还是在双机热备工作模式下，改变当前的值班主机、作为节点视频输出的上位机，均不影响本发明装置输出数据的实时性、连续性、正确性。当下位机或上位机工作在双机热备模式下，其中一台计算机突然发生因硬件、网络、断电等导致无信号输出失效时，双冗余热备装置和IO端口双冗余装置将自动切换到单机工作模式，由工作正常的下位机或上位机处理数据，并将计算结果发送到预定的传输通路上，该转换过程对用户透明，不丢失数据，能够保证最终数据处理结果的正确性。
采用本发明设计的作战系统网络节点完全冗余的数据热备解决方案如图9所示，由三个网络节点组成，采用功能冗余的可靠性设计。在原有显控台内各新增一台功能、配置完全相同的下位机和上位机，使用双冗余热备装置替换原有内部数据交换模块，IO端口双冗余装置固定在显控台侧面线缆出口处，用两根信号线连接双冗余热备装置互连IO端口双冗余装置对外输出的上位机工作状态U3和U4接口。针对双冗余热备装置对外的提供5个标准以太网接口，利用第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12连接两台下位机，第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22连接两台上位机，第五网络控制器模块3连接作战网络，将节点构成一个整体上双机冗余热备系统。针对IO端口双冗余装置提供的6个标准计算机输入端口，第五输入端口控制器模块205和第六输入端口控制器模块206作为网络节点的唯一输入接口，连接节点两种输入设备；第一输入端口控制器模块201和第二输入端口控制器模块202连接第一上位机的输入接口，第三输入端口控制器模块203和第四输入端口控制器模块204连接第二上位机的输入接口；此外，IO端口双冗余装置还提供了3个标准计算机视频输出端口，第三视频端口控制器模块213作为网络节点的唯一输出接口，连接节点视频输出设备，第一视频端口控制器模块211连接下位机的视频输出接口，第二视频端口控制器模块212连接上位机的视频输出接口。IO端口双冗余装置进一步实现了节点IO端口的双机冗余热备。
用户通过双冗余热备装置提供的终端管理模块7的远程管理端口，登陆后可输入指令修改节点由作战系统分配的网络IP地址、子网掩码，在双机热备工作模式下，通过开关人工修改双冗余热备装置的主备用切换信号和IO端口双冗余装置的上位机视频输出决策信号，能够实时改变当前值班主机和连接节点视频输出的上位机。
对如图8所示的作战系统进行可靠性理论分析，比较系统可靠性的提升效果。
应用本发明以前：按顺序对各设备的组成部件进行编号，原有的下位机表示为Ti，上位机表示为Ui，内部数据交换模块表示为Mi，r(X)表示部件X的可靠度，则单个网络节点的可靠性Hi、系统的可靠度F为：
Hi＝1-(1-r(Ti)×r(Ui)×r(Mi))
其中，i＝1，2，3。
应用本发明以后：新增加的下位机表示为T′i，上位机表示为U′i，原有三个内部数据交换模块用上-下位机双冗余热备装置替换，记为Ni，则此时单个网络节点的可靠性H′i，系统的可靠性F'为：
H′i＝(1-(1-r(Ti))×(1-r(T′i)))×(1-(1-r(Ui))×(1-r(U′i)))×r(Ni)
F'＝1-(1-H′1)×(1-H'2)×(1-H′3)＝1-(1-H′i)3
因为r(X)≥0，一定有r(Ti)≤1-(1-r(Ti))2、r(Ui)≤1-(1-r(Ui))2；由于本发明双冗余热备装置比原有内部数据交换模块的组成部件少，通过应力分析理论，在部件级可得r(Mi)≤r(Ni)，i＝1，2，3。进一步根据r(Ti)＝r(T′i)、r(Ui)＝r(U′i)综上可得F≤F'。
假设原有内部数据交换模块的可靠度r(Mi)＝0.95，上位机与下位机的可靠度均为0.9，即r(Ti)＝r(T′i)＝r(Ui)＝r(U′i)＝0.9，则
(1)最差情况下，本发明双冗余热备装置与原有内部数据交换模块的可靠度相等，即r(Ni)＝r(Mi)＝0.9，计算应用本发明以前的作战系统可靠度：Hi＝0.729，F＝0.980098，应用本发明以后的作战系统可靠度：H′i＝0.88209，F'＝0.9983607；
(2)一般情况下，本发明双冗余热备装置比原有内部数据交换模块的可靠度预计高出3％，即r(Ni)＝0.93，r(Mi)＝0.9，计算应用本发明以后的作战系统可靠度：H′i＝0.911493，F'＝0.999306681；
(3)最好情况下，本发明双冗余热备装置比原有内部数据交换模块的可靠度预计高出5％，即r(Ni)＝0.95，r(Mi)＝0.9，计算应用本发明以后的作战系统可靠度：H′i＝0.931095，F'＝0.999672846。
比较三种情况下的可靠度：
采用本发明后，单个网络节点的平均可靠性能提高17.9％，作战系统的可靠性提高1.9％，单个网络节点及作战系统的可靠性得到了大幅度提升。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种双机备份冗余控制系统，其特征在于，所述系统包括：双冗余热备装置和IO端口双冗余装置；
所述双冗余热备装置包括：上位机主备状态设置模块、下位机主备状态设置模块和通道选择模块；所述上位机主备状态设置模块用于确定当前值班上位机；所述下位机主备状态设置模块用于确定当前值班下位机；
所述通道选择模块用于将来自于当前值班上位机的网络数据发送至下位机或外部网络；
所述IO端口双冗余装置与所述上位机主备状态控制模块连接，用于输出当前值班上位机的视频数据。
2.根据权利要求1所述的双机备份冗余控制系统，其特征在于，所述上位机主备状态设置模块包括第一网络控制器模块、第二网络控制器模块、第一通道信号采集模块和第一通道计算逻辑模块，所述第一通道计算逻辑模块分别与所述第一网络控制器模块、所述第二网络控制器模块和所述第一通道信号采集模块连接；所述下位机主备状态设置模块包括第三网络控制器模块、第四网络控制器模块、第二通道信号采集模块和第二通道计算逻辑模块，所述第二通道计算逻辑模块分别与所述第三网络控制器模块、所述第四网络控制器模块和所述第二通道信号采集模块连接。
3.根据权利要求2所述的双机备份冗余控制系统，其特征在于，所述系统进一步包括第一上位机、第二上位机、第一下位机和第二下位机，所述第一上位机连接所述第三网络控制器模块，所述第二上位机连接所述第四网络控制器模块，所述第一上位机连接所述第一网络控制器模块，所述第二上位机连接所述第二网络控制器模块。
4.根据权利要求3所述的双机备份冗余控制系统，其特征在于，所述IO端口双冗余装置包括上位机IO端口控制器模块和外部设备IO端口控制器模块，所述上位机IO端口控制器模块分别与所述第一上位机和所述第二上位机连接；所述外部设备IO端口控制器模块连接外部设备。
5.根据权利要求4所述的双机备份冗余控制系统，其特征在于，所述上位机IO端口控制器模块包括第一上位机IO端口控制器模块和第二上位机IO端口控制器模块，所述第一上位机IO端口控制器模块和所述第二上位机IO端口控制器模块均包括输入端口控制器模块和视频端口控制器模块；所述第一上位机IO端口控制器模块与所述第一上位机连接；所述第二上位机IO端口控制器模块与所述第二上位机连接。
6.根据权利要求2所述的双机备份冗余控制系统，其特征在于，所述双冗余热备装置进一步包括第一数据广播模块，所述第一数据广播模块分别与所述第三网络控制器模块、第四网络控制器模块连接。
7.根据权利要求6所述的双机备份冗余控制系统，其特征在于，所述双冗余热备装置进一步包括第五网络控制器模块，所述第五网络控制器模块分别与所述通道选择模块和外部网络连接。
8.根据权利要求7所述的双机备份冗余控制系统，其特征在于，所述双冗余热备装置进一步包括报文转换模块，所述报文转换模块分别与所述通道选择模块和所述第五网络控制器模块连接。
9.根据权利要求7所述的双机备份冗余控制系统，其特征在于，所述双冗余热备装置进一步包括第二数据广播模块和第三数据广播模块，所述第二数据广播模块分别与所述第一网络控制器模块、所述第二网络控制器模块连接和所述第二通道计算逻辑模块连接；所述第三数据广播模块分别与所述第一网络控制器模块、所述第二网络控制器模块连接和所述第五网络控制器模块连接。
10.根据权利要求3所述的双机备份冗余控制系统，其特征在于，所述上位机主备状态设置模块进一步包括第一工作状态分析模块，所述第一工作状态分析模块分别与所述第一网络控制器模块和所述第二网络控制器模块连接；所述下位机主备状态设置进一步包括第二工作状态分析模块，所述第二工作状态分析模块分别与所述第三网络控制器模块和所述第四网络控制器模块连接。
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