WO2021169311A1 - 基于冗余计算机的冗余网络ip智能切换方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冗余计算机的冗余网络IP智能切换方法及系统。任意一个计算机群中每台计算机各自包含：IP地址切换模块、网络状态检测模块、对系故障检测模块：通过IP地址切换模块平滑切换冗余网络中的IP地址；通过对系故障检测模块，互斥稳态采集对系工作状态，在必要时刻迅速获取正确的冗余网络IP；通过网络状态检测模块判定本地网络状态和远端网络状态，辅助IP地址切换模块智能切换IP地址。本发明通过增加网络状态检测模块和对系故障检测模块，来辅助IP地址切换模块更加智能地分配IP地址，可以大幅提升冗余网络可靠性，有效降低冗余网络切换过程中的IP冲突问题。

Description

基于冗余计算机的冗余网络IP智能切换方法及系统 技术领域
本发明涉及安全冗余网络中，一种冗余计算机的IP地址智能分配与切换的方法及系统。
背景技术
在高可靠高安全的工控领域，分布式计算机系统中每一个计算机群都由多台计算机组成(通常是两台)，而计算机群之间的通信又要求冗余网络配置(通常是两个独立的网段)。目的是为了当任何一台计算机故障或者任何一个网络故障时，整个分布式系统依然能正常协同工作。
计算机群里的多台计算机之间通常是热备冗余的，任何一台计算机做主机时，其他作为备机的计算机同样处于活动状态，主备之间有单独的通道用于同步信息和状态，当主机故障时，备机可以迅速地升级为新主机。由于计算机群里的每一台计算机都有做主机的可能，因此计算机群中负责与冗余网络中的其他计算机群通信的计算机是不确定的，也就是说每台计算机的冗余网口需要适时的切换IP地址。通常的做法有两种：
第一种方法是为计算机群增加一台通信前置机，该前置机隔离了计算机群与分布式系统中的公用网络，充当了网络传输的中继站角色，好处是计算机群不需要考虑复杂的IP切换，简化了处理，缺点是前置机作为一个非冗余设备，一旦出现故障，本计算机群将不可用，系统的可靠性低。
第二种方法，例如在专利CN101662397B中记载的，是计算机群中的计算机网口直接与分布式系统中的网络连通，但是通过公私IP地址的方式，进行网络功能区分，公有IP地址负责与分布式系统中的其他计算机群通信，私有IP地址负责计算机群内部主备共享数据。正常情况，公有IP最大限度地分配在不同计算机上，当主机故障时，备机在升级为新主机的过程中同时获得旧主机的公有IP。此方法的好处是节省了通信前置机的成本且系统可靠性更高，缺点是逻辑设计复杂，以至于特定情况下操作趋于保守不够智能。举例来说，为了避免公网上IP冲突风险，切 换IP的过程中往往需要计算机群中多台计算机进行信息核对，一旦核对信息的通道出现问题，获取公有IP的行为就会停止，冗余效果有所降低。
发明的公开
在第二种方法的基础上，本发明提供一种基于冗余计算机的冗余网络IP智能切换方法及系统，通过增加网络状态检测模块和对系故障检测模块，来辅助IP地址切换模块更加智能地分配IP地址，进一步提高计算机群的网络可用性。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种基于冗余计算机的冗余网络IP切换系统，所适用的分布式计算机系统中，冗余计算机群之间通过冗余网络的多个网段通信，任意一个冗余计算机群包含多个计算机，每个计算机包含IP地址切换模块，用于网口的IP地址分配及冗余网络的IP地址切换；每个计算机通过公有IP地址与冗余网络中的远端设备通信，通过私有IP地址与冗余计算机群内的其他计算机共享数据；
每个计算机进一步包含：
对系故障检测模块，实时监测所在冗余计算机群内其他计算机的工作状态，并在判断其他计算机工作异常时，通知本机的IP地址切换模块去获取工作异常的其他计算机所拥有的公有IP地址，使本机以多网段的公有IP地址继续工作；
和/或，网络状态检测模块，对本机的网口进行状态检测以判定本地网络状态；在判断本机上拥有公有IP地址的网口状态异常时，通知本机的IP地址切换模块将状态异常的网口拥有的公有IP地址释放，使所在冗余计算机群中的其他计算机的IP地址切换模块得以获取被释放的公有IP地址，在所在冗余计算机群与其他冗余计算机群之间保持多网段通信。
可选地，网络状态检测模块识别到本机上对应第一网段的公有IP地址的网口状态异常时，通知本机IP地址切换模块将该第一网段的公有IP地址释放，通过本机IP地址切换模块与所在冗余计算机群中其他计算机的IP地址切换模块核对信息，使其他计算机上状态正常且对应第一网段的网口获得被释放的第一网段的公有IP地址。
可选地，网络状态检测模块识别到本机上对应第一网段的公有IP地址 的网口状态异常时，通知本机IP地址切换模块将该网口上对应第一网段的公有IP地址释放，并为该网口赋予对应第一网段的私有IP地址。
可选地，网络状态检测模块识别到本机上对应第一网段的公有IP地址的网口状态异常，且本机上存在对应另一网段的状态正常的网口时，通知本机IP地址切换模块将对应第一网段的公有IP地址释放，通过本机IP地址切换模块与所在冗余计算机群中其他计算机的IP地址切换模块核对信息，获取其他计算机上对应所述另一网段的公有IP地址，赋予本机上对应所述另一网段的状态正常的网口。
可选地，每个计算机的网络状态检测模块，还通过监测其他冗余计算机群的网络通断情况，侦测冗余网络中远端设备不同网段的健康状态；
如果网络状态检测模块判断对应第一网段的远端设备的健康状态好于其他网段，则允许所在计算机的IP地址切换模块执行对应其他网段的IP切换，且禁止同时执行对应第一网段的IP切换；
如果网络状态检测模块判断对应第一网段的远端设备的健康状态差于其他网段，则禁止所在计算机的IP地址切换模块执行对应其他网段的IP切换。
可选地，每个计算机的对系故障检测模块，与所在冗余计算机群中的其他计算机的对系故障检测模块之间，设有互斥采集通道；
对系故障检测模块监测所在冗余计算机群内其他计算机的继电器后节点，当稳态采集到其他计算机的继电器后节点为1时，判断其他计算机工作异常。
可选地，正常工作时，冗余计算机群内计算机之间通过公私网络和既有通信通道，保持数据信息的同步。
本发明的一种基于冗余计算机的冗余网络IP切换方法，使用上述的任意一种基于冗余计算机的冗余网络IP切换系统来实现。
本发明的另一个技术方案是提供一种基于冗余计算机的冗余网络IP切换方法，任意一个冗余计算机群中包含第一计算机、第二计算机，还通过冗余网络的两个网段与其他冗余计算机群进行通信；
正常工作时，第一计算机、第二计算机各自的IP地址切换模块，将两个网段的公有IP地址均匀分配到第一计算机和第二计算机；
第一计算机和第二计算机各自的对系故障检测模块，实时监测对方的 工作状态；第一计算机的对系故障检测模块判断第二计算机工作异常时，通知第一计算机的IP地址切换模块去获取第二计算机拥有的对应第二网段的公有IP地址，使第一计算机得以通过两个网段的公有IP地址继续工作；
和/或，第一计算机和第二计算机各自的网络状态检测模块，实时监听本机网络状态；第一计算机的网络状态检测模块判断第一计算机中与第一网段对应的网口故障时，该第一计算机的网络状态检测模块通知第一计算机的IP地址切换模块释放第一网段的公有IP地址，第二计算机的IP地址切换模块使该第二计算机获得第一网段的公有IP地址，继续保持该冗余计算机群的双网对外通信。
可选地，第一计算机的对系故障检测模块稳态采集到第二计算机的继电器后节点为1时，判断第二计算机工作异常，进而通知第一计算机的IP地址切换模块去获取对应第二网段的公有IP地址，使第一计算机得以通过两个网段的公有IP地址继续工作；
第一计算机的网络状态检测模块判断第一计算机中与第一网段对应的网口故障，且该第一计算机中与第二网段对应的网口正常时，第二计算机把该第二计算机所持有的第二网段的公有IP地址让渡给第一计算机。
可选地，第一计算机的网络状态检测模块判断第一计算机中与第一网段对应的网口故障，且该第一计算机中与第二网段对应的网口正常时，第二计算机的网络状态检测模块进一步识别第一网段与第二网段的远端设备的健康状态：
如果第二计算机的网络状态检测模块判断第一网段的远端设备的健康状态好于第二网段，则允许执行对应第二网段的IP切换；
如果第二计算机的网络状态检测模块判断第一网段的远端设备的健康状态差于第二网段，则禁止执行对应第二网段的IP切换。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)可根据计算机群冗余计算机的当前网络健康状态，重新分配公有IP地址，提高系统冗余性。
2)可根据远端计算机群的当前网络健康状态，平滑执行IP切换行为，避免出现短暂的双网中断。
3)可通过互斥采集技术，在冗余计算机互相核对信息的通道不可信 的情况下，依然正确执行IP切换行为，提高系统可靠性。
4)对系故障检测模块比原信息核对通道具有更快速的相应能力，降低了IP切换的超时概率。
附图的简要说明
图1为正常情况下IP地址切换模块工作的示意图；
图2为对系故障检测模块辅助IP地址切换模块的示意图；
图3为网络状态检测模块辅助IP地址切换模块的示意图。
实现本发明的最佳方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种冗余计算机的冗余网络IP智能切换方法及系统，所适用的分布式计算机系统中包含有若干个计算机群，每一个计算机群包含热备份冗余的多台计算机，而计算机群之间的通信又要求冗余网络配置。
任意一个计算机群，其中的每台计算机均包含：IP地址切换模块、网络状态检测模块、对系故障检测模块：通过IP地址切换模块平滑切换冗余网络中的IP地址；通过对系故障检测模块，互斥稳态采集对系工作状态，在必要时刻迅速获取正确的冗余网络IP；通过网络状态检测模块判定本地网络状态和远端网络状态，辅助IP地址切换模块智能切换IP地址。
具体而言，冗余计算机通过网络状态检测模块判定当前网络状态，通过IP地址切换模块完成IP平滑切换。此外，冗余计算机的本系可通过对系故障检测模块准确判定对系异常情况，辅助IP地址切换模块完成切换，使网络最大限度地保持冗余性。
IP地址切换模块可在不同的网络环境下，合理分配冗余计算机中各物理网口的IP地址，公有IP地址负责与冗余网络中的远端设备通信，私有IP地址负责冗余计算机内部各子计算机共享数据。
网络状态检测模块可以识别网口当前的物理通断状态，通知IP地址切换模块，把状态异常的网口赋予私有IP，并寻找冗余计算机中状态更好的网口，并赋予公有IP。此外，网络状态检测模块还可以侦测冗余网络中远端设备不同网段的健康状态，防止IP切换过程中出现短暂双网中断问题。
对系故障检测模块，可通过互斥采集技术，在冗余计算机中对系突然不工作情况下，精准识别对系异常状态，辅助IP地址切换模块完成IP切换，既避免了IP冲突问题又提高了冗余网络健壮性。
下文以计算机群中包含AB两台计算机，分布式系统包含M、N两条公有网络的冗余环境为例，对本发明进一步说明。
在AB双机正常工作，并且相互之间的通信通道工作正常的情况下。AB机的IP地址切换模块会均匀地分配M网和N网的公有IP地址给两台计算机，保证任何一台计算机故障时，另一台计算机依然与分布式系统中的其他计算机群正常通信工作。
如图1所示，冗余计算机群中的计算机AB正常工作，AB机的IP地址切换模块均匀分配公有IP地址在不同的计算机上：A机拥有M网公有IP地址、N网私有IP地址；B机拥有M网私有IP地址、N网公有IP地址。最大化保证网络冗余性。
以A机为例，A机通过公私网络和既有通信通道，与B机数据信息保持同步。A机的网络状态检测模块实时监听A机网络和远端设备网络健康状态，A机的对系故障检测模块实时监测B机工作状态，以上信息会辅助IP地址切换模块，为执行IP切换行为提供依据。
其中，AB机各自的网络状态检测模块对本机的网口进行状态检测，如果发现某网口收发的数据已经中断，则认为该网口状态异常，比如网线被拔出、网线对应的交换机口故障等。当网络状态检测模块识别拥有公有IP地址的网口状态异常，则会通知本机IP地址切换模块，AB机的IP地址切换模块相互核对信息后，如果发现同一条网络有其他网口状态正常，则让其获得该公有IP地址。
同时，网络状态检测模块还可以监测分布式系统中的其他计算机群的网络通断情况(同一条网络中的计算机群设备都是互相通信的，本机作为接收方，能接收到远端设备地址的数据，则认为该地址的设备网络健康)，进而判断MN两条公有网络中的哪个当前更健康(示例地，MN冗余网络中有计算机群X1、X2、X3、X4、X5；对于X1来说，远端情况为：X2的M网断、X3的M网通、X4的M网通、X5的M网通；X2的N网断、X3的N网通、X4的N网通、X5的N网断。即，本例中M网连通设备对N网是包含关系，则认为M网比N网更健康)。
假如此时M网比N网健康，为了避免切换IP过程中影响了远端设备的通信(短暂的双网中断风险)，网络状态检测模块允许IP地址切换模块执行N网的IP切换但禁止M网同时的IP切换。
AB机的对系故障检测模块，使用继电器采集技术：继电器的前后节点采集特性表现为，同一时刻前后节点是互斥的，比如前节点采集为高电平1时，后节点采集为低电平0。计算机的运行状态会反应在继电器上，当正常运行时，继电器前节点为1后节点为0，当计算机宕机时(系统运行严重出错、硬件损坏、突然停电等)，继电器前节点为0后节点为1。AB机的对系故障检测模块交叉监听对方继电器后节点，即使AB机之间的既有通信通道不可信了，A机也可以准确得知B机是否已经宕机，并且指导IP地址切换模块，是否应该获取B机本来拥有的公有IP地址。这样既提高了网络冗余性，还避免了误切换导致的IP冲突。
配合参见图1、图2所示，正常工作时，计算机群中A机拥有M网的公有IP地址，B机拥有N网的公有IP地址。当A机突然故障(比如断电操作)，则既有通信通道不可信，在B机没有对系故障检测模块的情况下，正常运行的B机得不到对方的核对信息，采取保守策略，不能获得A机拥有的M网的公有IP地址，后续只能N网单网工作。方案改进后，在B机对系故障检测模块的帮助下，A机宕机的同时，通过互斥采集通道，B机稳态采集到A机的继电器后节点为1，证明可以获得A机的M网公有IP地址，此后B机拥有MN双网的公有IP地址继续工作，提高了整个系统的冗余性，同时避免了误切换造成的IP冲突。
配合参见图1、图3所示，正常工作时，计算机群中A机拥有M网的公有IP地址，B机拥有N网的公有IP地址。当A机的M网网口故障(比如网线松动)，A机的网络状态检测模块会通知A机的IP地址切换模块释放掉M网的公有IP地址，之后B机的IP地址切换模块使B机获得M网的公有IP地址，继续保持计算机群的双网对外通信。因为A机的N网网口正常，为了均匀分布公有IP地址，保证计算机群整体的可靠性，B机需要把自己持有的N网公有IP地址让渡给A机，在让渡的过程中，B机的网络状态检测模块识别MN网远端设备的健康状况，如果M网好于N网，则可以执行N网IP切换；如果M网差于N网，则禁止执行N网IP切换。此举可避免出现远端设备的短暂双网中断风险。
综上所述，本发明的方法及系统，通过增加网络状态检测模块和对系故障检测模块，来辅助IP地址切换模块更加智能地分配IP地址，可以大幅提升冗余网络可靠性，有效降低冗余网络切换过程中的IP冲突问题。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

  1. 一种基于冗余计算机的冗余网络IP切换系统，所适用的分布式计算机系统中，冗余计算机群之间通过冗余网络的多个网段通信，任意一个冗余计算机群包含多个计算机，每个计算机包含IP地址切换模块，用于网口的IP地址分配及冗余网络中的IP地址切换；每个计算机通过公有IP地址与冗余网络中的远端设备通信，通过私有IP地址与冗余计算机群内的其他计算机共享数据；其特征在于，
    每个计算机进一步包含：
    对系故障检测模块，实时监测所在冗余计算机群内其他计算机的工作状态，并在判断其他计算机工作异常时，通知本机的IP地址切换模块去获取工作异常的其他计算机所拥有的公有IP地址，使本机以多网段的公有IP地址继续工作；
    和/或，网络状态检测模块，对本机的网口进行状态检测以判定本地网络状态；在判断本机上拥有公有IP地址的网口状态异常时，通知本机的IP地址切换模块将状态异常的网口拥有的公有IP地址释放，使所在冗余计算机群中的其他计算机的IP地址切换模块得以获取被释放的公有IP地址，在所在冗余计算机群与其他冗余计算机群之间保持多网段通信。
  2. 如权利要求1所述的冗余网络IP切换系统，其特征在于，
    网络状态检测模块识别到本机上对应第一网段的公有IP地址的网口状态异常时，通知本机IP地址切换模块将该第一网段的公有IP地址释放，通过本机IP地址切换模块与所在冗余计算机群中其他计算机的IP地址切换模块核对信息，使其他计算机上状态正常且对应第一网段的网口获得被释放的第一网段的公有IP地址。
  3. 如权利要求1所述的冗余网络IP切换系统，其特征在于，
    网络状态检测模块识别到本机上对应第一网段的公有IP地址的网口状态异常时，通知本机IP地址切换模块将该网口上对应第一网段的公有IP地址释放，并为该网口赋予对应第一网段的私有IP地址。
  4. 如权利要求1所述的冗余网络IP切换系统，其特征在于，
    网络状态检测模块识别到本机上对应第一网段的公有IP地址的网口状态异常，且本机上存在对应另一网段的状态正常的网口时，通知本机IP地址切换模块将对应第一网段的公有IP地址释放，通过本机IP地址切换模块与所在冗余计算机群中其他计算机的IP地址切换模块核对信息，获取其他计算机上对应所述另一网段的公有IP地址，赋予本机上对应所述另一网段的状态正常的网口。
  5. 如权利要求1～4中任意一项所述的冗余网络IP切换系统，其特征在于，每个计算机的网络状态检测模块，还通过监测其他冗余计算机群的网络通断情况，侦测冗余网络中远端设备不同网段的健康状态；
    如果网络状态检测模块判断对应第一网段的远端设备的健康状态好于其他网段，则允许所在计算机的IP地址切换模块执行对应其他网段的IP切换，且禁止同时执行对应第一网段的IP切换；
    如果网络状态检测模块判断对应第一网段的远端设备的健康状态差于其他网段，则禁止所在计算机的IP地址切换模块执行对应其他网段的IP切换。
  6. 如权利要求1所述的冗余网络IP切换系统，其特征在于，
    每个计算机的对系故障检测模块，与所在冗余计算机群中的其他计算机的对系故障检测模块之间，设有互斥采集通道；
    对系故障检测模块监测所在冗余计算机群内其他计算机的继电器后节点，当稳态采集到其他计算机的继电器后节点为1时，判断其他计算机工作异常。
  7. 一种基于冗余计算机的冗余网络IP切换方法，其特征在于，通过权利要求1～6中任意一项所述基于冗余计算机的冗余网络IP切换系统实现；
    正常工作时，冗余计算机群内计算机之间通过公私网络和既有通信通道，保持数据信息的同步，通过冗余计算机群内各计算机的IP地址切换 模块，将冗余网络多个网段的公有IP地址均匀分配给各计算机；
    每个计算机通过对系故障检测模块，实时监测所在冗余计算机群内其他计算机的工作状态，并在判断其他计算机工作异常时，通知本机的IP地址切换模块去获取工作异常的其他计算机所拥有的公有IP地址，使本机以多网段的公有IP地址继续工作；
    和/或，每个计算机通过网络状态检测模块，对本机的网口进行状态检测以判定本地网络状态；在判断本机上拥有公有IP地址的网口状态异常时，通知本机的IP地址切换模块将状态异常的网口拥有的公有IP地址释放，使所在冗余计算机群中的其他计算机的IP地址切换模块得以获取被释放的公有IP地址，在所在冗余计算机群与其他冗余计算机群之间保持多网段通信。
  8. 一种基于冗余计算机的冗余网络IP切换方法，其特征在于，
    任意一个冗余计算机群中包含第一计算机、第二计算机，还通过冗余网络的两个网段与其他冗余计算机群进行通信；
    正常工作时，第一计算机、第二计算机各自的IP地址切换模块，将两个网段的公有IP地址均匀分配到第一计算机和第二计算机；
    第一计算机和第二计算机各自的对系故障检测模块，实时监测对方的工作状态；第一计算机的对系故障检测模块判断第二计算机工作异常时，通知第一计算机的IP地址切换模块去获取第二计算机拥有的对应第二网段的公有IP地址，使第一计算机得以通过两个网段的公有IP地址继续工作；
    和/或，第一计算机和第二计算机各自的网络状态检测模块，实时监听本机网络状态；第一计算机的网络状态检测模块判断第一计算机中与第一网段对应的网口故障时，该第一计算机的网络状态检测模块通知第一计算机的IP地址切换模块释放第一网段的公有IP地址，第二计算机的IP地址切换模块使该第二计算机获得第一网段的公有IP地址，继续保持该冗余计算机群的双网对外通信。
  9. 如权利要求8所述的冗余网络IP切换方法，其特征在于，
    第一计算机的对系故障检测模块稳态采集到第二计算机的继电器后节 点为1时，判断第二计算机工作异常，进而通知第一计算机的IP地址切换模块去获取对应第二网段的公有IP地址，使第一计算机得以通过两个网段的公有IP地址继续工作；
    第一计算机的网络状态检测模块判断第一计算机中与第一网段对应的网口故障，且该第一计算机中与第二网段对应的网口正常时，第二计算机把该第二计算机所持有的第二网段的公有IP地址让渡给第一计算机。
  10. 如权利要求9所述的冗余网络IP切换方法，其特征在于，
    第一计算机的网络状态检测模块判断第一计算机中与第一网段对应的网口故障，且该第一计算机中与第二网段对应的网口正常时，第二计算机的网络状态检测模块进一步识别第一网段与第二网段的远端设备的健康状态：
    如果第二计算机的网络状态检测模块判断第一网段的远端设备的健康状态好于第二网段，则允许执行对应第二网段的IP切换；
    如果第二计算机的网络状态检测模块判断第一网段的远端设备的健康状态差于第二网段，则禁止执行对应第二网段的IP切换。
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