CN1138788A - 高可靠和一致的报文传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于发生器/用户原则的分布系统中从一个信息源到许多接收器的报文传输方法，为了完成高可靠和——甚至在故障事件中——一致的报文传输，采用了一个冗余配置的信息源，它按主/从原则运作。冗余配置的信息源被定义为分布数据库的领导实体，它被叫做具有领导权资格。报文传输以防差错方式或通过一致的报文传输方法进行。冗余配置的信息源的两个信息源(主和从)相互同步报文顺序。在现用源故障的事件中，切换到备份源。此方法可以被用于监控系统。

Description

高可靠和一致的报文传输方法
本发明涉及在基于发生器/用户原则的分布系统中的一个信息源到许多接收器的报文传输方法。
该用于分布计算机系统的方法在Ozalp Babaolu的[基于机器的容错计算]中描述，ACM Operating SystemsReview，Vol.24，No.1，January 1990，27--39页。
从那里得到的传输概念的关键之处是所谓的用于相应冗余进程对(主要和后备进程)的队列和计数方法。该方法预想一种叫做原子3-向信息传输(原子多信道广播)，即发送主要进程的一个报文必须既到达发送器的备份进程又到达主要接收器和它的备份或未到达提到的三个中的任一个(原子性原则)。报文接收在每种情况必须以相同的顺序(总顺序进行。方法是专为交易系统定制的；用于工业监控技术有几个缺点。如，不能做到冗余部件的快速重配置，而这在过程数据处理领域是需要的。冗余实体的同步在每种情况下以过程相关的方式实现；如果有大量的过程，例如在工业监控技术中，会使同步非常复杂。此方法也需要及其复杂的通信，特别是对必备的原子传输机制。该方法不能满足基本要求，后面仍会解释，因此不能被用于工业监控技术中。
文献中得到的其它方法，称为两-相概念，同样不能满足要求。由于信息向许多接收器的多相传输，这些概念仍然被证明是非常无效的。因为这些原因，这些已知的两-相概念亦不能被用于工业监控系统。
根据本发明的方法针对工业监控系统的使用。这些系统的结构和对这些系统的要求下面要简略解释。
图.1展示了一个典型的监控系统的结构，包括多个计算机部件，例如过程连接的辅助计算机(VR)，处理基本监视功能(所谓的SCADA功能)的主计算机(LR)，过程显示的操作员控制台计算机(BR)和处理可选次要功能(SF)的附加计算机。计算机通过局域网(LAN)连接，典型的是以太网。为了增加总系统的可靠性，计算机执行重要功能(在图.1中的VR和LR)和LAN总线采用冗余配置。计算机按连续更新的过程图操作，在每种情况下本地管理(分布数据库组织)。更新数据作为报文被发送。考虑到功能和数据库的分布性和冗余性，分布系统中存在着复杂的数据流。用于显示目的的从主计算机(LR)到操作员控制台计算机(BR)的报文流，或到次要功能(SF)，为主流。
对监控系统的基本要求是高度可靠性，短的，被保证的响应时间和分布数据库的一致性。
对于执行重要功能的计算机，高可靠性，即在系统部件故障时不间断的系统操作，是需要的。这导致冗余和适用的容错措施成为必备。在由于系统中差错/故障导致的重配置的情况下，它必须在尽量短的时间间隔后能够恢复实时特性。
系统的实时行为要求采用有效的传输方法来最大限度地减少计算机和总线的负载。
数据一致性，即所有用户在一定时间周期内被提供给同样的信息，对监控系统的正常操作是必备的。数据一致性在无差错情况下是无足轻重的，但在系统中发生故障/重配置事件时就需要特殊措施来实现报文交换的平稳连续性。
为了最小化系统构成成本，另一个手段是尽量采用标准化的部件。
列出的系统总体要求导致对分布监控系统中通信的非常高的要求：
---对所有的编辑分布数据库的一个元素的更新信息顺序相同，不论信息的起始点(领导权资格)。
---无信息丢失，伪造，重复或混合的报文交换(领导权一致性)。涉及一个发送者的报文的混合称为FIFO顺序。
---对许多接收者的报文必须被发送到所有接收者或均不送到它们任何一个(原子性原则)。
---在系统中有许多发送者和许多接收者的情况下报文的接收以个自相同的顺序(报文总顺序)。
---避免原始信息和衍生信息的替代效应(报文的因果顺序)。
---高可靠性的信息传输(信息源的不间断操作)。
---数据一致性包括提到的前五个报文传输要求。
领导权资格意味着，在分布数据库条件下，仅存在一个原始数据库；所有其它的编辑版本被作为该原始库的一个复制品。数据库信息的更新总是源于一个信息源，所谓的领导权实体，与更新信息的起始点无关。领导权资格定义了一个分布数据库的统一更新顺序，但只在一致性报文交换的其它要求也被满足时才有效。
与领导权一致性相应的问题产生在传输差错或总线或接收器故障中。这些类型的差错或故障必须采用特殊手段从信息源处理(如在传输差错时重复，总线故障时的自动和一致性总线切换)
被发送报文的总的和因果顺序受系统中瞬时不确定性的不利影响(如在一随机传输方法或许多信息发送者的情况下)。为了确保它，需要复杂的排序机制，特别是在定向传输的情况下。
后续涉及的主要问题是信息源(领导权实体)自身的故障；它影响着原子性原则(特别在定向到许多接收者的报文传输情况下)和它们对高可靠系统操作(不间断报文流)的要求。
为了满足在分布监控系统中对报文传输的要求，领导权实体必须确保在高可靠性的同时的一致性传输。现存的分布应用的通信和计算机系统不满足这些要求。这适用于一般的分布系统和用标准化部件构造的特殊系统。
对比这一背景，本发明基于这样的目标，指定一个无约束的，使用尽量最简单的通信的满足给定要求的报文传输方法。
该目的接照在基于发生器/用户原则的分布系统中的一个信息源到许多接收器报文传输的方法和后面刻划的特征方法获得。
该方法基于差错保护报文传输，信息源的冗余配置和领导权资格的原则的组合，及特殊的同步和重配置机制。
方法的益处体现在附属权利要求和如下的本发明描述中。
在总线和接收器故障和传输差错事件中确保数据一致性的必要措施(如应答方法)可以从信息源被控制；在后文中未给它们更多的考虑。特别关键的是源自身的故障--特别是在定向传输情况下。它导致接收侧的信息差异，即不一致性(故障实例：发送器故障；一个接收器已经接收了一个报文，但另一个接收器尚未收到。如何才能在接收侧避免或纠正不同的信息？)
本发明的方法是基于按主/从原则(cf.图.2)的信息源的冗余配置。手段是采用一台双--计算机系统来实现一个具有一台计算机外部传输行为的信息源。主和从在输入侧和内部被同步，即主和从分别用各自同样的顺序(主钟控制同步)接收和处理同样的信息。结果，主和从在发送侧也产生具有同样标识符(序列编号)的相同报文。考虑使用多任务操作系统，一般有不同的主和从报文序列。只有一个信息源，多半是主，是激活用于传输的。主和从相互监视。通过定期交换监视信息(＂我活着＂)来实现监视。
为了保证在激活信息源(主)故障事件中传输的一致性，发送端采用了一个同步和重配置概念，它确保冗余源即使在激活源故障事件中的一个一致性外部传输行为。为此目的，主和从在传输端按照主的当前传输状态连续同步，为了确保此，在主故障情况下，从取代主的传输活动。
在从故障事件中，主继续执行传输；不再进行从的同步。
传输端的同步基于多相传输概念。从同步到主要发送的下一个报文(顺序同步)。接着，进行从主到接收器的报文传输。成功传输之后，主使用同步报文指示从传输已经被正确完成的(传输同步)。
注意：从被主顺序同步同样是可能的。然而，被顺序同步的部件有较高的计算负荷，即该部件确定双--计算机系统的处理速度。为了避免对处理速度的额外测量，现用传输的部件(即主)应当确定处理速度。由于这个原因，进生了主被从的顺序同步。
主和从相互监视；由于监视信息的缺席从检测出主的故障。在这种情况下，从切换为激活；它再执行一次还未被主指示成功完成的最后一个传输。主和从的传输顺序的可能不一致性用前面的顺序同步来避免。改变现用信息源时可能的报文丢失由传输同步来避免。在一个故障情况下(主故障)，由于从的重新报文传输可能引起接收端的重复；这些由接收器通过参考被传输报文的连续序列编号来检测并予以拒绝。为了滤除由于传输差错而发生的重复在接收端的一个重复检测也是必要的(例如在确认丢失和发送器自动重复事件中)，即已存在的机制可以被使用；接收边其它措施是不必要的。
在下面用一个范例实施例来解释同步和重配置措施。
一个按照本发明的方法操作的信息源外部具有一个故障-安全源的传输行为。必要的同步措施对接收器透明地采用，即它们的软件可以独立于发送器的结构而设计(冗余/非冗余)。
一个报文交换的先决条件是一个具有可以为发送者评估的接收确认的防止差错传输方法；接收端的报文接收必须为发送者验证。这对于传输阶段的顺序序列是必要，为了避免在一个故障事件中的报文丢失和混合。例如，从被主的传输同步，必须是到接收器的报文传输已经以为主可验证的方式被完成后才能被启动。
按照本发明的方法不受限于任何标准或任何特殊的传输原理。然而基于标准化的总线系统和通信协议的改进是可能的。已经存在的子功能可以被使用，例如一个CRC校验和。
按照本发明的方法无约束地满足所有要求。由故障情况下源的平稳变更来保证传输的领导权一致性。在现用源故障事件中，传输由备用源不间断地继续进行，而没有报文的丢失，混合或重复。其结果，原子性原则亦被确保；报文总是被发送到所有的接收器。
领导权资格的原则确保了分布数据库的一个特殊元素的一致的更新顺序。通过扩展这一原则到任何希望类型的报文，因果和总计顺序的要求也可以被满足。任何用户的报文通过按照本发明的方法构造的领导权实体按规定路由发送。领导权实体的串行化影响结合它的一致性和高可靠的传输确保了因果和一致性传输。作为结果，复杂的排序机制可以被避免。此方法可以非常有效地应用于所讨论的监控系统，考虑到工业监控系统的不对称负载行为，数据量很大程度上为一个源，主计算机(LR)所支配。结果，按照本发明中的方法主计算机被定为领导权实体。系统中所有的过程数据通过主计算机流动并由后者分配到其它用户；在反方向上的数据量被忽略。无论如何，在分布系统中多个领导权实体也是可能的。
原则上，报文的高可靠和一致的传输的最小报文传输复杂性在一个信息源具有继承的可靠行为的情况(理论上)下获得。按照本发明的方法的报文复杂性随接收器数量增加接近这个适宜条件。即使与两--相概念比较，这个在开篇解释的概念不完全满足要求，按照本发明的方法已经明显地降低了报文复杂度。
按照一个有用的改进，为了降低用户的发送和接收负载，报文可能被结合成块并被发送。这允许发送的效率明显增加(避免了发送每个报文的协议处理和上下文变化)。这个按照本发明的方法向面向块传输的扩展同样用对下面作为范例的实施例的参考来详细解释。
按照本发明的方法的一个简化的改进可被获得，如果实现采用的传输方法，在防差错传输上，确保一致性报文传输，例如按照专利申请P 44 32 075.2的＂一致性报文传输方法＂。一致性传输方法的现存的特征可以被以一种有益的方法来使用，以实现按照本发明的方法。
按照本发明的方法用下面一个可作为范例的实施例来解释。
请参考下列图，它们是：图.1       表示了一个监控系统的结构，图.2       表示了冗余配置的一个信息源，图.3A到3D  表示了一个同步顺序(无多任务，无差错)，图.4A到4D  表示了一个同步顺序(无多任务，有差错情况)，图.5A到5D  表示了一个故障的表示：顺序同步失步，图.6A到6D       表示了发送和顺序同步(无差错)，图.7A到7F  表示了主故障事件中的同步。
描述的实现基于定向的和确认的报文传输。成功的传输可以为发送者通过接收确认来检测进而，传输被一个CRC校验和来保证；传输期间的篡改被检测；传输被重复。方法的实现进而假设计算机只发送正确的报文(发端边的报文完整性)且故障计算机切换到备机(故障沉默行为)。
主和从在输入端和内部被同步，且生成同样的具有相同标识符的报文，标识符包括报文类型指示和一个由发送者任务分配的连续序列编号。主和从的报文序列不同(多任务)。只有主是对接收者们各自的报文传输准备就绪。主和从通过发送定期的安全信号相互监视。可选地，同步和安全信号的数据交换也可以被结合。
描述包括一个分布系统正常操作中同步的时间顺序和故障(主故障)情况下重配置的规范书，分布系统包括一个冗余配置(主M，从S)的信息源和两个接收器(E1和E2)。现用计算机在每种情况下被画为暗色。这并不意味着此方法被约束到只有两个接收器的传输。
首先考虑主和从在发送端生成具有相同顺序的报文的简化假设(无多任务)。相同的报文在每一种情况中为同样阴影画出的图中被识别。图3A到3B展示了这种情况下主和从同步的时间顺序。主发送一个报文到E1和E2(图.3A，图.3B)。成功传输到接收器后，主以报文自身或报文标识符发送到从(图.3C)来指示从。从从自己的发送缓存器中删除被主同步了的报文；主开始到接收器的下一个报文传输(图.3D)。
图.4A到4D展示了故障情况下的时间顺序。开始点被重新假设主对接收器的一个报文传输(图.4A)。在主故障事件中(图.4B)，从成为现用的传输并再执行一次传输(图.4C，4D)。主故障事件中的报文丢失由无差错情况下成功传输之后的同步来避免。
如果使用多任务操作系统，主和从生成同样的报文，但通常在发送端具有不同的报文顺序(FIFO顺序)。主故障之后，如果上述方法被采用，从通常首先发送一个不是主最后一个传输报文的报文。这不能确保接收端报文的统一顺序(FIFO顺序)。所以，为了数据的一致性要求，匹配主和从的FIFO顺序是必备的。
图.5A到5D解释故障。主发送一个报文给接收器(图.5A)。接收器E1已经接收了主的报文并处理它。在传输到接收器E2之前，主故障(图.5B)。从检测到故障并按照其自己发送缓存器中的报文顺序连续发送(注意主和从的发送缓存器中的不同报文顺序)。然后接收器以从FIFO顺序接收报文；但是，接收器E1已经处理了主FIFO中的顺序处理报文(图.5C，5D)。这导致接收顺序及进而数据库自身的不一致性。
为了解决这一问题，与从与主发送的报文同步一道(传输同步)，FIFO顺序(即报文的传输顺序)也被同步(顺序同步)。图.6A到6D展示了无差错的操作顺序。从发送要被发送的下一个报文(或它的标识符)到主，即它与主同步传输顺序(图.6A)。主有两个传输缓存器：从传输缓存器(输入的是被从的顺序同步的报文)和自己的传输缓存器(输入的是其自己以自己传输顺序生成的报文)。主输入从的传输缓存器中的报文；相应的报文被从自己的传输缓存器中删除(图.6B)。注意：这个规程只适用于报文自身传输的同步。在使用报文标识符同步的情况下，主只有一个报文缓存器；报文必须按照从指定的顺序重新排序，对此阶段不应用报文的移去。
如开始时已经解释的，从对主的顺序同步具有现用传输部件(主)确定双--计算机系统处理速度的优点(与顺序同步的部件由于报文的比较或重排序其内部具有较高的协议复杂度，即它确定处理速度)。
一旦已经进行了顺序同步，到接收器的报文传输由主执行(图.6B，6C)。成功传输后，报文可以从主的传输缓存器中被删除。一个主到从的同步报文(传输同步)导致后者从自己的传输缓存器中移去报文(图.6D)。
在主故障事件中的时间顺序在图.7A到7F中表示。在传输到接收器并输入到从传输缓存器接收的报文中之前，主被从同步顺序(图.7A)。结果，主开始传输从从接收的报文到接收器(图.7B)。在传输期间的主故障事件中(图.7C)，从被激活(图.7D)；它再执行一次主的最后一个具有相同报文和顺序的传输操作(图.7D，7E)并进而继续本地传输缓存器中其它报文的传输(图.7F)。
在描述的方法中，重复可能出现在接收端的重复可能发生(在接收边从主已经收到的报文被从再一次发送)。这些重复可以容易地被接收器检测(并拒绝)，因为从发送具有一个与主一致的报文标识符(例如序列编号)的报文(cf.图.4D或图.7E)。
为了增加传输的效率，方法可以被扩展为面向块的传输和同步。报文被收集，包装成块并按照一个组合的时间/数量控制来传输。除了单独报文的标识符，块通过指定发送者和一个块序列编号而被提供一个补充标识符。来自主和从的具有相同标识符的块也必须包含相同的具有同样匹配编号和顺序的报文。它在发送端由块内容顺序同步来实现，即一个块的单独报文，通过传输报文块自身或传输标识符和一个块报文的顺序。主对从关于报文块已经被发送到所有接收器的指示(传输同步)和接收边的重复检测可以使用块标识符执行。

Claims (5)

1.在基于发生器/用户原则的分布系统中的一个信息源到许多接收器报文的高可靠和一致传输方法，其特征在于：
a)采用一个冗余配置的信息源，它有一个第一信息源，叫做主，和一个第二信息源，叫做从，且按主/从原则运作，其中
a1)主和从生成在发送端具有相同报文内容和分配的标识符的报文，且具有相同或不同的报文顺序，
a2)主和从相互监视功能并同步顺序和报文传输，
a3)在无任何故障的操作中，只有一个信息源(主)发送，而在一个故障事件中，自动切换到未受影响的源，
b)冗余配置的信息源被定义为分布数据库(编辑版本)的领导实体，它将更新信息强加给所有其它的编辑版本(领权资格)，且
c)报文以防差错方式传输或通过应用一种一致的报文传输。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于：报文传输以强制顺序和验证步骤进行，其中：
a)下列应用于无差错情况：
a1)从同步主到要发送的下一个报文(顺序同步)，
a2)主发送各自的报文至接收器，并
a3)主同步从到传输到接收器的报文(传输同步)；从从自己的本地传输缓存器中删除已同步和被发送的报文，
b)在现用信息源(主)故障事件中，它可以发生在传输顺序的任何点，下列适用：
b1)从通过它们相互监视的手段检测故障并承担传输活动(重配置)，
b2)从重新执行一次与顺序同步但尚未被指示由主发送的报文传输，基于报文标识符接收器检测可能的重复，且
b3)从继续其它报文的传输。
3.按照权利要求2的方法，修改在主同步从到下一个被发送的报文(顺序同步)。
4.按照前面权利要求之一的方法，其特征在于，使用了标准化的总线系统和通信协议。
5.按照前面权利要求之一的方法，其特征在于，报文按块发送且采用的方法步骤按照面向块的概念。
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