CN114465847A - 一种基于容器的动态冗余可靠系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于容器的动态冗余可靠系统和方法，属于分布式计算、容错计算领域，其包括至少两个相互独立的处理模块和至少两路以太网交换机，每个处理模块至少与两路及以上的以太网交换机相连，每个处理模块中网卡的数量与以太网交换机的数量匹配，多路以太网交换机之间均相互互联。每个处理模块通过两路网卡连接到两路独立交换网络，以构成冗余，支撑系统的多个容器互联互通，组成动态冗余的高可靠系统。本发明的系统和方法运行稳定可靠。

Description

一种基于容器的动态冗余可靠系统和方法
技术领域
本发明属于分布式计算、容错计算领域，更具体地，涉及一种基于容器的动态冗余可靠系统和方法。
背景技术
随着无人驾驶、工业控制、云计算等新兴技术的不断发展，其搭载的嵌入式计算平台作为算力基础设施也面临着功能性能以及可靠性、安全性的多重考验。一方面，计算平台不再满足于单一系统控制功能，开始集成无人控制、高性能计算、web服务等多种功能，另一方面计算平台的可靠性、安全性也面临越来越严峻的考验。
申请号为202011421351.1的专利申请公开了一种多机冗余系统及处理方法，通过将具有主接口的应用进程所在装置标记为活跃装置，其余装置标记为睡眠装置，不断检测活跃装置与各个子系统通信是否正常，若否则进行切换。公开号为202011266399.X公开了一种基于容器的高可用性实现方法，通过记录发生系统灾难时前端项目的主体容器的配置信息将主体容器切换到主体备份，将子服务切换到子服务备份。但是，以上方法均存在运行不够可靠的问题，其冗余设计不够成分。
因此，需要开发一种新型的基于容器的动态冗余可靠系统和方法，要求其冗余设计考虑充分，系统运行可靠。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于容器的动态冗余可靠系统和方法，通过设置多个处理模块和多路以太网交换机，并实现每个处理模块连接多路以太网交换机，并为多个处理模块中的容器进行标示，形成可靠的容器网，在硬件上为执行控制、计算和网络服务提供了硬件和设计的冗余，保证了最终系统的可靠运行。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于容器的动态冗余可靠系统，其包括至少两个相互独立的处理模块和至少两路以太网交换机，每个处理模块至少与两路及以上的以太网交换机相连，每个处理模块中网卡的数量与以太网交换机的数量想匹配，多路以太网交换机之间均相互互联。
以上发明构思中，多个相互独立的处理模块中，设置多个容器，对于不同的任务，采用不同的容器构成冗余容错构型。
进一步的，其包括四个处理模块和两路以太网交换机，两路以太网交换机之间相互连接，每一个处理模块具有两个网卡，每个处理模块均同时与两路以太网交换机相连接。
以上发明构思中，基于容器的动态冗余可靠系统中设计了四个处理模块和两路以太网交换机，对于不同的任务，可以动态分配到若干处理模块的独立容器构成不同的冗余容错构型，从而实现高可靠运行。
按照本发明的第二个方面，还提供一种如上所述的基于容器的动态冗余可靠系统的工作方法，对于多个处理模块中容器间的数据交互保障为以下方式：每个处理模块通过两路网卡连接到两路独立交换网络，以构成冗余，通过设置在每个处理模块内的bonding子模块，将两路网卡绑定为一个逻辑网卡上，在逻辑网卡上虚拟出一个macvlan网络，macvlan网络用于为本地的不同容器分配不同的MAC地址和IP地址，从而标示出不同的容器，进而能透传到外部的局域网，实现分布式系统上的高可靠容器网。
进一步的，其进行任务管理的过程包括任务部署阶段、任务运行阶段和动态重构阶段，其中，任务部署阶段的具体操作为：通过TCP接口发起一个远程任务访问，创建一个对应的父进程并调用fork()创建子进程shell，以实现任务的启动部署，并创建pipe管道。所述任务运行阶段的具体操作为：通过TCP接口不断读取pipe管道的shell输入输出信息，监控子进程状态。所述动态重构阶段的具体操作为：通过TCP接口读取pipe管道内的shell故障信息时，父进程执行pclose关闭故障子进程，再次调用fork()创建新的子进程，同时创建新的pipe读取新的子进程的shell状态信息，实现动态重构。
本发明的动态冗余高可靠系统由冗余配置的四个处理模块和双冗余网络构成，对于容器(容器即为处理模块中的虚拟单元)间的数据交互：物理上通过双路网卡连接到两路独立交换网络构成冗余，每个处理模块都配置两个网卡，以对应两路以太网交换机，通过宿主机(宿主机即为处理模块)系统内核操作系统自带的bonding模块，将两路网卡绑定为一个逻辑网卡，在逻辑网卡上虚拟出一个macvlan网络为本地的不同容器分配不同的MAC地址和IP地址并进一步透传到本系统之外的外部局域网，实现分布式系统上的高可靠容器网络。一个处理模块可以虚拟出很多个容器，因此，容器数量众多，采用不同的MAC地址和IP地址用来区分不同容器。
本发明的动态冗余高可靠系统整体为一种分布式系统，其任务部署、任务运行、状态获取和容错重构的方式如下：基于标准TCP协议+POPEN接口进行改造，实现统一的远程系统调用，具体的，通过TCP接口发起一个远程任务访问，创建一个父进程(父进程即为守护进程)进行任务守护，包括在父进程内创建管道(管道即为通信通道)读取子进程的状态数据，实际为读取不同容器的状态，如果容器正常，进行后续工作，如果容器不正常，就创建一个新的容器进行迁移工作，即为根据故障信息调用新的子进程实现容错动态重构。
本发明系统进行工作时，对于不同的任务，采用不同的处理方式，对于平台控制类任务：将任务和容器打包成镜像部署到四个处理模块中同步运行。选取三个处理模块组成三模表决构型，第四个硬件处理单元作为备用，在三模表决结构出现一个处理模块故障以后，采用第个处理模块替换故障节点重新构成三模表决构型。对于并行的高性能计算任务：将高性能计算任务根据负载平均分配到四个处理模块的若干容器内运行，四个处理模块采取定时快照的方式对全部容器内的任务进行备份并存储到外界的NFS存储器(NFS存储器即为服务器)上共享存储。出现软件故障后可通过快照本地恢复运行，出现硬件故障后可以通过NFS存储器(NFS存储器即为服务器)读取到异地进行迁移重构恢复。对于web服务类应用：一般采取CS\BS的架构运行，通过双物理节点即为两个硬件处理单元主备冗余+访问代理的方式工作。当主节点出现故障以后、代理转发到备用节点继续提供服务，同时重新生成一个提供服务应用的容器，再次构成主备冗余构型。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明设计的动态冗余可靠系统设计有多个相互独立的处理模块和多路以太网交换机，一个处理模块与多路以太网交换机连接，形成冗余设计，多个处理模块中的容器被标示，系统冗余构型灵活，此外，容器环境搭建了多路冗余的网络环境，可以为平台控制、高性能计算、CS/BS类网络服务提供多种高可靠运行支撑，故障恢复能力强，具有扩展性强、可靠性高的特点。在系统的工作方法上，其远程调用接口,集成任务部署、状态获取和动态重构功能，提高了系统易用性。本发明的系统和方法适用于国产CPU平台、国产linux操作系统以及国产网卡，具备较高的自主可控程度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于容器的动态冗余可靠系统的硬件连接示意图；
图2是本发明实施例提供的虚拟化容器网络结构示意图；
图3是本发明实施例提供的分布式系统的任务管理示意图；
图4是本发明实施例提供的平台控制类任务动态冗余示意图；
图5是本发明实施例提供的高性能计算类任务动态冗余示意图；
图6是本发明实施例提供的web服务类任务动态冗余示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种基于容器的动态冗余可靠系统，其包括至少两个相互独立的处理模块和至少两路以太网交换机，每个处理模块至少与两路及以上的以太网交换机相连，每个处理模块中网卡的数量与以太网交换机的数量想匹配，多路以太网交换机之间均相互互联。多个相互独立的处理模块中，设置多个容器，对于不同的任务，采用不同的容器构成冗余容错构型。
图1是本发明实施例提供的基于容器的动态冗余可靠系统的硬件连接示意图，如图1所示，其包括第一处理模块，第二处理模块，第三处理模块和第四处理模块，还包括第一以太网交换机和第二以太网交换机，四个独立的处理模块负责执行安排至容器内的不同应用运算，每个处理模块引出两路独立网络通道，分别连接到两路以太网交换机上，实现双路网络冗余。
图2是本发明实施例提供的虚拟化容器网络结构示意图，由图可知，本发明的基于容器的动态冗余可靠系统中，对于不同处理模块中容器间的数据交互保障为以下方式：物理上通过双路网卡连接到两路独立交换网络，从而构成冗余，通过各个处理模块内核中的bonding模块，将两路网卡绑定为一个逻辑网卡上，在逻辑网卡上虚拟出一个macvlan网络为本地的不同容器分配不同的MAC地址和IP地址，从而标示出不同的容器，进而能方便地透传到外部局域网，实现分布式系统上的高可靠容器网络。
图3是本发明实施例提供的分布式系统(分布式系统也是指本发明的基于容器的动态冗余可靠系统)的任务管理示意图，由图可知，其给出了任务部署、任务运行、状态获取和容错重构的具体过程，其基于标准TCP协议+popen接口进行改造，实现高可靠平台docker应用的远程系统控制。
具体地，任务部署阶段：通过TCP接口发起一个远程任务访问，创建一个父进程并调用fork()创建子进程shell实现任务的启动部署，并创建pipe管道。
任务运行阶段：通过TCP接口不断读取pipe管道的shell输入输出信息，监控子进程状态。
动态重构阶段：通过TCP接口读取pipe管道内的shell故障信息时，父进程执行pclose关闭故障子进程，再次调用fork()创建新的子进程，同时创建新的pipe读取新的子进程的shell状态信息，实现动态重构。
图4是本发明实施例提供的平台控制类任务动态冗余示意图，图5是本发明实施例提供的高性能计算类任务动态冗余示意图，图6是本发明实施例提供的web服务类任务动态冗余示意图，结合以上三幅图可知，以上各类任务均可通过docker环境在高可靠系统中混合运行，动态冗余。具体的，(1)对于平台控制类任务：将平台控制类任务和容器环境打包成镜像部署到多个不同的处理模块中同步运行，选取三个节点组成三模表决结构，第四个节点作为备用，在三模表决结构出现单点故障后，采用备用的第四个节点替换故障节点，重新构成三模表决结构，以实现执行平台控制类任务时的冗余。
图5是本发明实施例提供的高性能计算类任务动态冗余示意图，由图可知，在执行高性能计算任务时，将高性能计算任务根据负载平均分配到各个不同的处理模块中的若干容器内运行，采取定时快照的方式对全部容器内的任务进行备份并存储到NFS共享存储。在出现软件故障后能通过快照本地恢复运行，在出现硬件故障后能通过NFS共享存储读取到异地进行迁移重构和恢复。
图6是本发明实施例提供的web服务类任务动态冗余示意图，由图可知，一般采取CS\BS的架构运行，通过双物理节点主备冗余+访问代理的方式工作。当作为主节点的处理模块出现故障以后、代理转发到作为备用节点的处理模块继续提供服务，同时在作为备用节点的处理模块中重新生成提供web服务应用的容器，再次构成主备冗余构型。
本发明基于容器的动态冗余可靠系统中，容器间的网络通信方式新颖，其采取将双路冗余的物理网络逻辑化为bonding网卡、再通过macvlan虚拟化生成不同的MAC地址和IP地址，并给同一物理机上的多个容器进行共享使用，处理模块间的网络通信通过两路路由连接，避免出现单点故障。通过此方法可以避免系统出现单点结构影响整体可靠性，同时容器的IP地址直接连接到外部局域网环境中，使用灵活无需进行端口映射，容器的网络通信环境天然具备物理链路层，因为，其节点的冗余必然对应物理链路的冗余。此外，可以通过bonding更多网卡轻易拓展成三路、四路网络冗余。
本发明基于容器的动态冗余可靠系统中，所设计的分布式系统包含统一的远程任务部署和调用方式，通过标准TCP协议+POPEN接口进行改造的方式实现，具体地，通过TCP接口发起一个远程任务访问，在目标节点创建一个父进程，通过fork()进行子进程调用并创建pipe读取子进程shell信息。当读取到子进程的故障信息时，关闭故障子进程和pipe通道，发起新的子进程实现动态重构，并重新创建pipe读取通道，此任务调度方法简单可靠，不仅可以为任务自动分配冗余容错构型而且能自动监视任务的运行状态。
本发明基于容器的动态冗余可靠系统中，基于docker技术针对平台控制、高性能运算以及web服务应用，设计了包括三模表决、NFS快照迁移以及主备冗余在内的三种容错方式，可以在同一平台混合运行，系统架构灵活，动态冗余可以充分提高系统的集成度和资源利用率。
本发明的基于容器的动态冗余可靠系统，针对不同类型的任务，构建动态化的冗余容错架构，集成双网冗余、故障恢复的可靠性机制，通过统一的远程任务部署、任务信息获取和动态重构提高计算平台可用性和易用性。
本发明中针对应用采取的是以容器为部署单元灵活构建的多种冗余结构。本发明中的主备冗余无需对主节点进行活跃检测，同时进行备份节点切换后，会动态生成新的备份容器可以保证出现故障后系统不降级。本发明还针对容器设计了冗余的网络链路并针对任务部署设计了任务的运行监控与重构方法，系统的可靠性更加优良。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于容器的动态冗余可靠系统，其特征在于，其包括至少两个相互独立的处理模块和至少两路以太网交换机，每个处理模块至少与两路及以上的以太网交换机相连，每个处理模块中网卡的数量与以太网交换机的数量想匹配，多路以太网交换机之间均相互互联。
2.如权利要求1所述的一种基于容器的动态冗余可靠系统，其特征在于，其包括四个处理模块和两路以太网交换机，两路以太网交换机之间相互连接，每一个处理模块具有两个网卡，每个处理模块均同时与两路以太网交换机相连接。
3.如权利要求2所述的基于容器的动态冗余可靠系统的工作方法，其特征在于，对于多个处理模块中容器间的数据交互保障为以下方式：每个处理模块通过两路网卡连接到两路独立交换网络，以构成冗余，通过设置在每个处理模块内的bonding子模块，将两路网卡绑定为一个逻辑网卡上，在逻辑网卡上虚拟出一个macvlan网络，macvlan网络用于为本地的不同容器分配不同的MAC地址和IP地址，从而标示出不同的容器，进而能透传到外部的局域网，实现分布式系统上的高可靠容器网。
4.如权利要求3所述的基于容器的动态冗余可靠系统的工作方法，其特征在于，其进行任务管理的过程包括任务部署阶段、任务运行阶段和动态重构阶段，其中，任务部署阶段的具体操作为：通过TCP接口发起一个远程任务访问，创建一个对应的父进程并调用fork()创建子进程shell，以实现任务的启动部署，并创建pipe管道，
所述任务运行阶段的具体操作为：通过TCP接口不断读取pipe管道的shell输入输出信息，监控子进程状态。
5.如权利要求4所述的基于容器的动态冗余可靠系统的工作方法，其特征在于，所述动态重构阶段的具体操作为：通过TCP接口读取pipe管道内的shell故障信息时，父进程执行pclose关闭故障子进程，再次调用fork()创建新的子进程，同时创建新的pipe读取新的子进程的shell状态信息，实现动态重构。
6.如权利要求5所述的基于容器的动态冗余可靠系统的工作方法，其特征在于，在执行平台控制类任务时，将平台控制类任务和容器环境打包成镜像部署到多个不同的处理模块中同步运行，选取三个节点组成三模表决结构，第四个节点作为备用，在三模表决结构出现单点故障后，采用备用的第四个节点替换故障节点，重新构成三模表决结构，以形成执行平台控制类任务时的动态冗余。
7.如权利要求5所述的基于容器的动态冗余可靠系统的工作方法，其特征在于，在执行计算任务时，将计算任务根据负载平均分配到各个不同的处理模块中的若干容器内运行，采取定时快照的方式对全部容器内的任务进行备份并存储到NFS共享存储，
在出现软件故障后能通过快照本地恢复运行，在出现硬件故障后能通过NFS共享存储读取到异地进行迁移重构和恢复。
8.如权利要求5所述的基于容器的动态冗余可靠系统的工作方法，其特征在于，执行web服务类任务时，在作为主节点的处理模块出现故障以后，代理转发到作为备用节点的处理模块继续提供服务，同时在作为备用节点的处理模块中重新生成提供web服务应用的容器，再次构成主备冗余构型。
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