双机热备系统

双机热备系统（精选七篇）

双机热备系统 篇1

即时通信系统可使人们在网上识别在线用户并与之实时交流。除了市面上流行的即时通信软件如腾讯QQ、MSN等软件，内部网络中使用的即时通信软件为很多企事业单位所需要。即时通信软件分为客户端和服务器端，客户端主要实现客户登录、登出、发送文本消息等功能。而服务器端则实现保存用户信息、登录验证、接受注册、转发文本消息、添加删除好友、登入登出等功能。所以服务器的核心作用显而易见。一旦服务器因为网络、主机或软件故障不能工作，势必影响客户端的使用。保证服务器程序稳定可靠运行，是整个系统可靠性的关键。

在此提出使用Winsock技术，采用双机冗余配置，实现热切换以保证系统不间断运行，排除单故障点。

2 通信原理

2.1 主流通信协议

主流即时通信协议有传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP，是TCP/IP协议族的两个主要的传输层协议。TCP“面向连接，可靠传输”，适用于传输可靠性要求比较高的数据传输。UDP“面向无连接，不可靠传输”，传输效率比较高。在此采用TCP协议进行数据传输。

2.2 WinSock技术

Windows环境下进行通信程序设计的最基本方法是采用WinSock技术实现。

Sockets也称为套接字，是一种网络编程接口，提供了一种发送和接收数据的机制。用户目前可以使用两种类型的套接字数据报套接字和流式套接字。每种套接字都有IP地址和端口号属性。

Winsock库函数都包含在Winsock.dll中，其中定义了Socket初始化、连接、发送及接收的函数，调用起来非常方便。

3 设计思路

双机热备指基于Active/Standby模式的服务器热备份。客户端与服务器需要通信时，同时向主备两台服务器发送消息。同一时间只有其中一台服务器(Active，主)给出响应。当主服务器出现故障时，另外一台备份服务器(Standby，从)通过心跳诊断(TCP/IP)自行激活，升级为主服务器，负责所有的通信任务，保证在短时间内完全恢复正常使用。双机热备的工作机制实际上是为整个网络系统的通信服务器提供了一种故障自动恢复能力，系统结构如图1。

以客户端向服务器发出某一消息Socket消息如请求登录为例，主从服务器的消息流程如下:

(1)客户端通过TCP/IP通信接口将消息发送给主、从服务器。

(2)主、从服务器接收到消息后，各自进行程序的处理(如登录验证)。

(3)主服务器直接将处理结果(登录验证成功或失败)发送给客户端;从服务器做同样的处理完毕后，发送一个握手信号给主服务器，若握手信号没有回应则认为主服务器已死，则将消息发送给客户端，从服务器自动升级为主，否则不做任何动作。

(4)当从服务器重新启动后，主服务器要负责向所有客户端通知。

4 实现

4.1 初始化Socket

客户机与服务器之间的通信采用TCP协议来实现，来保证信息交互的可靠性。因此，系统启动之初就要初始化WinSock连接，两个服务端Winsock创建过程如下：

客户端的Socket创建过程从略，需要注意的是客户端同时要跟主从两个服务器建立连接。

4.2 确定主服务器程序

当服务器程序启动时，一方面初始化自己的服务端Socket，另一方面读取系统配置，获知另一个服务器插口，初始化一个客户端Socket，使用该客户端Socket向另一个服务器插口发送一个心跳消息，并同步等待对方回应。

4.3 定时发送心跳

使用SetTimer(m_hWnd,TIMER_BACKUP,5000,NULL)可以设定每5000ms时间向主服务器发送的心跳消息：

if(nSendResu==SOCKET_ERROR)/*发送失败，可能主服务器出现了问题，则本服务器升级为主服务器，对收到的信息进行处理*/

InitializeSystem();//本服务器准备开始工作，根据本系//统的情况定义。并通知主备服务器切换了，根据本系统情况//对管理员做提醒

5 结语

详细描述了基于Socket的双机热备技术的原理与实现方法，可以推广应用到所有用Visual C++开发的，要求即时性、稳定性比较高的系统中，具有一定的通用性。系统运行的环境是复杂的，难免由于一些未知原因，如：程序未发现的bug、程序处理效率底下、操作系统异常、网络中断、突然断电等造起的系统停止运行的情况。所提出的方案作为一种补救措施，一定程度上能弥补系上述异常带来的不良后果。但还不能从根本上解决异常问题，而只是权宜之计，还在软件和硬件上带来了浪费。所以，要保证系统稳定，必须从多个方面入手，尤其是服务器程序以及软硬件环境的完善。

参考文献

[1]黄超编著.Windows网络编程[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[2]马展,等编著.Visual C++.NET网络与通信高级编程范例[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]李远杰,等.主流即时通软件通信协议分析术[J].计算机应用研究,2005,7:4-6.

监控主机双机热备系统的开发应用 篇2

目前, 开滦集团所属各矿均已装备煤矿安全监控系统, 为保障矿井安全生产起到了重要作用。《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范 (AQ1029—2007) 》第9.1.1条规定:“煤矿安全监控系统的主机及系统联网主机必须双机或多机备份, 24 h不间断运行。当工作主机发生故障时, 备份主机应在5 min内投入工作。”由于开滦集团各矿的煤矿安全监控系统是在该规定下发之前装备的, 因此在双机切换及数据安全等方面存在下列问题:

(1) 双机切换问题:2台监控主机互为备用, 处于各自独立的运行状态, 一旦工作主机出现问题中断工作, 需人为对设备进行手工切换, 备份主机投入正常工作的时间往往大于国家标准规定的5 min, 有的矿甚至需要20～30 min。

(2) 数据安全性问题:煤矿安全监控系统的监控主机出现故障经常造成系统中历史数据丢失, 而且当切换监控主机后, 由于在切换之前的历史数据是存储在出现故障的监控主机中的, 造成新投入的备份主机无法查询历史数据。

(3) 短消息发送问题:为使安全管理人员及时准确地了解到安全监控信息, 使有关领导及时调度指挥安全生产, 开滦集团专门开发了一套短消息发送软件, 将煤矿安全监控系统的实时报警信息以短消息的方式及时发布到安全管理人员的手机上。该软件单独运行在一台专用计算机上, 需要通过网络接收来自于监控主机的实时数据, 如果网络环境发生改变, 将会影响短消息的发送功能。

针对上述问题, 开滦集团开发了一套监控主机双机热备系统。本文将对该系统的具体应用作一简单介绍。

1现场需求分析

(1) 为使监控主机双机切换的时间符合国家标准的要求, 考虑采用双机自动切换方式。在监控主机死机或监控主机串口工作不正常的情况下, 自动启动备份主机;同时自动在备份主机上运行监控程序, 以取得对整个安全监控系统的控制权, 并进行数据流的切换。

(2) 为解决数据安全性问题, 增加磁盘阵列柜, 改变现有的监控数据存储模式, 即将原来分别存储在2台监控主机上的实时数据和历史数据全部存储到磁盘阵列中。采取这种数据存储模式同时也解决了监控主机切换前后的历史数据共享问题。

(3) 短消息发送问题:网络中的短消息专用计算机需要随时访问监控主机以获取实时监控数据, 如果监控主机发生切换, 要求能够自动区分访问的IP地址。经论证, 决定采取虚拟IP地址映射技术来实现短消息专用计算机与2台监控主机之间的网络自动切换功能。

(4) 监控数据是以取样时间和设备安装地点为标志存储在数据库中的。所以2台监控主机的时间必须保持一致, 否则存储数据的时间将产生冲突, 这就要求2台监控主机进行切换时, 备分监控主机能够自动校对时间, 确保时间上的同步。

(5) 由于开滦集团各矿装备的煤矿安全监控系统的型号不同, 监控主机与井下监控设备的通信有2种方式:一是通过插在监控主机主板扩展槽上的监测接口板进行井上下通信;二是通过串口接Modem进行井上下通信。在实现切换控制时应对这2种通信方式有所区别。

针对上述现场需求, 经多方调研论证, 决定采用双机热备系统。

2解决方案

2.1 系统构成

监控主机双机热备系统主要包括控制部分、存储部分、软件部分。其中控制部分由串口控制器和多路控制器等构成, 存储部分由磁盘阵列、SCSI硬盘、通道卡、SCSI线缆等构成, 软件部分由运行在2台监控主机上的双机热备软件构成。

2.2 系统拓扑

系统的实现方案主要有2种:监控主机使用监测接口板和监控主机使用串口, 其拓扑分别如图1、图2所示。

2.3 双机自动切换的解决方案

双机热备软件在节点 (监控主机) 间保持着间歇的通信信号, 又称心跳信号, 即通过监控主机之间的通信路径周期性地检测各节点的状态 (包括系统程序和应用程序的运行状态) 。当一台监控主机出现故障时, 另一台监控主机根据心跳侦测的情况做出判断, 如果连续未收到的心跳信号达到了一定的数目, 双机热备软件就认为相应的监控主机出现故障, 从而控制双机热备系统进行监控主机的自动切换。对于监测用户而言, 这一过程是全自动的, 在很短时间内完成, 对安全监控不会造成影响。

2.4 数据安全性的解决方案

双机热备有2种实现模式:一种是基于共享的存储设备的方式, 另一种是没有共享的存储设备的方式, 一般称为纯软件方式。本系统采用了前一种方式, 2台监控主机使用共享的磁盘阵列, 因此, 2台监控主机使用的是一样的数据, 从而实现历史数据的共享。同时磁盘阵列中安装了3块SCSI硬盘, 监控数据同时存储在3块磁盘中, 由双机热备软件对其进行管理, 这样就充分保证了数据的高可靠性和高安全性。

2.5 短消息发送平台的解决方案

双机热备系统采用了虚拟IP地址映射技术。在进行网络服务时, 双机热备系统后台提供一个逻辑的虚拟地址, 任何一个客户端需要访问系统时只需要使用该虚拟地址。因此, 短消息专用计算机通过虚拟地址和工作的监控主机通信。无论监控主机是否发生切换, 虚拟地址始终指向工作主机, 在短消息专用计算机端看来监控主机是透明的。当双机热备系统中的一台监控主机出现故障时, 会将另一台监控主机网卡的IP地址更换为该虚拟地址, 继续提供网络服务。切换完成后, 在短消息专用计算机端看来系统并没有出现故障, 网络服务也没有间断。

3双机热备系统的工作过程

3.1 使用监测接口板的监控主机的工作过程

监控主机使用监测接口板实现方案的工作原理如图3所示。当监控主机1出现应用软件故障、死机或关机时, 监控主机2通过心跳线侦测到监控主机1的状态, 此时监控主机2立即通过串口d向串口控制器发送一个请求信号数据, 控制它的上一级 (多路控制器) 输出模块在D01处断开, 同时导通D02, 实现监控主机2通过监测接口板与井下监控设备的正常通信。该方案可实现程序平滑切换, 整个过程约为1 min。监控主机2出现故障时的双机切换过程与此类似, 这里不再详述。

3.2 使用串口的监控主机的工作过程

监控主机使用串口实现方案的工作原理如图4所示, 具体过程与使用监测接口板方案类似, 只是将接口板换为了串口, 故这里不再详述。该方案能实现程序平滑切换, 整个过程约为1 min。

3.3 双机热备系统工作过程

双机热备系统的2台监控主机都与磁盘阵列柜直接连接, 用户的操作系统、应用软件和双机热备软件分别安装在2台监控主机上;数据库等共享数据存放在磁盘阵列上从而保证监控系统历史数据的连续性。实现监控主机自动切换后, 历史数据能够即时查询。

2台监控主机之间通过私用心跳网络连接。系统启动后, 双机热备软件开始监测系统工作状态, 当工作的监控主机发生故障时, 心跳信息就会发生变化, 双机热备软件捕捉到这种变化后, 随即控制系统进行监控主机的切换, 备份监控主机启动, 接管原监控主机的工作 (包括提供TCP/IP网络服务、存储系统的存取服务、对井下监控分站的管理等) 并进行报警, 提示管理人员对故障监控主机进行维修。当维修完毕后, 可以根据双机热备软件的设定自动或手动再切换回来, 当然也可以不切换, 此时维修好的监控主机就作为备份主机。

虚拟IP地址映射技术实现了短消息专用计算机与2台监控主机之间的网络自动切换, 同时还可以提供虚拟的计算机别名供客户端访问。

4结语

监控主机双机热备系统在开滦集团的应用, 实现了安全监控系统监控主机自动切换及短消息专用计算机与2台监控主机之间的网络自动切换功能, 同时由于使用共享的数据存储系统, 提高了监控数据的可靠性, 并实现了历史数据共享功能, 为煤矿安全监控系统的连续正常运行提供了可靠的技术保证。

参考文献

[1]龚振文.浅析安全检测系统双机势备存储应用[J].水力采煤与管道运输, 2007 (3) .

[2]吴峻.双机高可用系统及其工作方式[J].黑龙江科技信息, 2009 (5) .

[3]国家安全生产监督管理总局.AQ1029—2007煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范[S].北京:煤炭工业出版社, 2007.

双机热备系统 篇3

双机热备是计算机容错系统的一种实现, 标准方案是基于共享存储设备和双机软件实现双机热备, 采用软硬件结合方式实现。但配置专用服务器和磁盘阵列等硬件设备, 不仅设备价格昂贵, 而且维护使用成本较高。当前,煤矿企业自身的维护人员素质相对较低,国家有关煤矿双机热备系统的行业标准所规定的双机热备切换时间和数据丢失时间不大于5 min[1] 的要求并不高,因此,笔者采用纯软件的方式开发设计了适合煤矿企业应用的双机热备系统。本文首先介绍了双机热备的实现方式及各自的优缺点,进而讨论了纯软件方式中文件数据同步、数据库数据同步、双机通信控制等模块的设计实现等。

1 双机热备实现方式

双机热备系统有2种典型的实现方式,一种是通过2台(或多台)服务器外加共享存储设备,称为共享存储方式;另一种方式是通过纯软件的方式,一般称为纯软件方式或镜像方式(Mirror)。

1.1 共享存储方式的双机热备

共享存储方式的双机热备系统由磁盘阵列设备、主从服务器、交换机、网络终端组成[2],如图1所示。

基于共享存储方式的双机热备是双机热备系统中标准的方案,多数双机热备的服务应用都是通过该方案实现的。该方式采用2台主机(或多台主机),共享存储设备(一般是磁盘阵列或存储区域网SAN),通过共享存储双机热备系统可以采用主从、互备、双工等方式实现双机热备。

双机热备的工作过程中,主/备机服务器各分配一个私有的IP地址。同时通过一个虚拟的IP地址向外提供服务,外界通过虚拟的IP来请求服务,双机热备系统通过对虚拟IP在主备中的转换将请求的服务送到其中的一台服务器。外界终端只管向服务器请求服务,并不关心实际由哪一台机器提供的服务。与此同时,备用的服务器通过心跳检测(一般建立私有网)侦测主服务的运行情况,当主服务器出现故障或网络等情况,备机根据已有的策略来进行判断,实现业务的切换、接管等。这一过程对用户来说是透明的,用户并不会觉察到服务器的变换。由于切换的高效性,对用户的业务服务并不会造成影响。由于使用的是共享存储的方式,主备机切换对存储设备并没有丝毫影响,所以能保持数据的完整性和一致性。但该方式的磁盘阵列投资成本较高,并且无法避免磁盘阵列的单点故障。

1.2 纯软件方式的双机热备

纯软件方式的双机热备系统没有共享的存储设备,它对外提供服务的工作方式与共享存储双机热备相同,不同的是纯软件方式的数据是保存在主/备机中,对外服务过程中要保持双机中的数据一致。其结构如图2所示。

纯软件方式的双机热备是通过数据镜像的方式,将数据实时复制到另一台备用的服务器上,这样双机就有一致的数据,当出现服务器有故障切换到另一台服务器上时同样可以提供正常的服务。

纯软件方式的双机热备系统的关键问题是如何保证主/备机数据的同步一致性。目前实现主备机间的数据库同步存储方法有:

(1) 通过数据库软件本身的发布/数据订阅来实现双机数据的同步[3]。

(2) 由数据库应用软件维持2条链路分别连接主备数据库, 通过定义事务同时对2个数据库进行数据更新操作。

(3) 通过实时文件镜像完成数据同步[4]。

(4) 通过网络磁盘映射技术与同时读写双机的方式相结合[5],实现主备机间数据库系统的自动同步。

本文采用另外一种方式,即通过文件差异备份与MYSQL增量备份相结合的数据同步方式来完成双机数据的同步。目前差异备份研究的主要成果包括RDC[6] (remote differential compression)、unison[7]、RSYNC[8,9]等文件同步算法。

纯软件方式的双机热备系统还有另外的一种情况,即服务器只管对外提供特定的服务(如科学计算、代理服务),并不需要使用存储设备。这种情况下直接通过双机热备就可以,不用刻意去保持双机数据的一致完整性。

相对于共享存储方式,纯软件方式优点主要有以下几点:

(1) 节约投资:不需要购买价格昂贵的磁盘阵列等硬件设备。

(2) 避免了磁盘阵列的单点故障:对于双机热备而言,本身即是防范由于单个设备的故障导致服务中断,但磁盘阵列恰恰又形成了一个新的单点。

(3) 不受距离的限制:2台服务器之间不需要受SCSI电缆的长度限制(光纤通道的磁盘阵列也不受距离限制,但投资会大很多)。

基于上述优点,笔者考虑在煤矿监控系统中使用纯软件方式的双机热备。

2 纯软件方式的双机热备系统架构

2.1 总体架构

纯软件方式的双机热备系统包括2个系统:应用服务系统和双机热备系统,总体架构如图3所示。

图3中,应用服务是基于双机热备系统实现的,它主要负责对外提供服务,如双机热备的控制、切换等。数据库是一个独立的软件,因为是纯软件的方式,所以数据库软件分别安装在双机中,在应用服务中会用数据库来保存数据,而双机热备系统则通过数据库模块把其中一个数据库中的数据同步到另一个数据库中去。

2.2 内部架构

双机热备系统的内部总体设计分为5个子模块,通过5个子模块的实现后再整合成双机热备内部系统。

(1) 数据同步模块设计

数据同步分为文件数据同步和数据库数据同步。在服务程序服务运行过程中,会有大量的文本数据产生。这些文本数据也要同步到另一台服务器中,这就要通过文件数据同步模块来实现。

在文件数据同步模块的设计中,既要对文件进行实时监控,发现修改的文件,又要定时将文件同步到备机中。在对文件的监控中,采用Windows API来监视文件的修改情况,对监控中发生变化的文件调用RSYNC算法进行同步,生成差异编码文件,调用网络通信接口发送到备机中,备机得到差异编码文件和源文件重构成新的目标文件。

① 通过对所要同步的文件数据进行定时检测。

② 记录在一定时间t内发生变化的文件名,通过RSYNC算法对发生变化的文件数据进行同步。

(2) 通信模块设计

通信模块设计主要包括主备机之间的数据交互及心跳监测信息的通信。纯软件方式的双机热备系统主备机间的数据交互主要通过IOCP来实现。IOCP是网络异步编程,它能高效地将网络事件通知给应用程序。从而使得主备机间的通信更加安全、高效。而心跳监测则通过UDP方式信息。

(3) 双机热备控制模块设计

双机热备控制模块包括虚拟IP设置、心跳监测、故障诊断、服务切换。以心跳监测为基础,心跳监测得到的信息由故障诊断模块对其进行分析,不发生故障时则返回继续工作,发生故障则进行服务的切换,同时进行虚拟IP的切换。服务切换成功后则通知心跳监测重新工作。当有手动的服务切换时,服务切换会通知虚拟IP进行切换,同时通知心跳监测重新工作。

服务主要是通过虚拟IP对外提供服务,虚拟IP设置是指在双机热备中2台服务器分别有自己的IP,在这基础上分配一个虚拟的IP作为服务的IP使用。

(4) 数据库模块设计

数据库模块对数据库数据进行同步操作,通过对数据库的增量备份来完成。在该模块设计中,利用MYSQL数据库的Binary Log机制,开启日志记录文件,将在一个时间间隔内发生修改的数据信息导出到增量备份文件中。将这个增量备份文件发送到备机中,备机再将其导入数据库,从而达到数据同步操作。同样在主机出现故障后,在备机中修改的数据以同样的方式同步到主机中。相对于其它几种同步方法来说,差异备份方式提高了双机热备数据实时复制同步的安全性,确保了双机数据的一致性,降低了数据同步所产生的网络流量。

① 定时在主机生成增量备份数据。

② 将增量备份数据发送到备机。

③ 备机通过增量备份数据文件进行增量备份,达到数据同步。

主机宕机后重新启动,通过对数据库增量备份的时间记录差异来进行主备机的数据统一同步。

① 主机实时记录下宕机前的时间t1。

② 备机记录最后一次同步成功的时间t2。

③ 当主机宕机时还有有增量数据D1没同步到备机上,备机接管后有在备机上有增量数据D2。

④ 比较t1与t2 ,将t1～t2时间在主机上的增量备份数据即D1同步到备机中。

⑤ 备机接管时间t3,与当前时间t4,t4～t3时间在备机上的增量备份数据即D2同步到主机上。

这样主备机的数据库数据能达到同步一致。

数据库模块设计主要是通过MYSQL 数据库的增量备份功能实现的,在增量同步中主要有2个API:

① bool ExportIncreBackup(const char *starttime,const char* stoptime,const char* outfile);

功能:对MYSQL数据库进行增量导出。

参数: starttime为增量开始的时间,stoptime为增量结束的时间,outfile为增量备输出的文件。

② bool ImportIncreBackup(const char * filename);

功能:对MYSQL数据库进行增量导入。

参数:filename为增量输入的文件。

在代码中是通过windows API system函数运行导入导出命令:

和数据同步一样,在数据库同步时运用线程循环定时将数据库增量同步到备机中。

(5) 监控模块设计

监控模块主要用于对主机状态进行监控。监控的内容:

① 对服务程序进行监控,如果有服务的程序关闭或出现问题,则请求服务转移。

② 对服务器的运行状态进行监控,如果服务器负荷状态变大则请求服务转移。

3 结语

适合于煤矿企业的纯软件方式的双机热备系统具有节约成本、避免单点故障、不受距离限制等优点。该系统已应用于某煤矿监控系统,满足了煤矿监控系统中数据实时性与数据完整性的要求,具有一定的技术通用性与市场推广价值,适合煤矿企业实际的生产应用。

参考文献

[1]国家安全生产监督管理总局.AQ1029—2007煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范[S].北京:煤炭工业出版社,2007.

[2]王萍.共享磁盘阵列双机热备份的实现[J].安庆师范学院学报,2007(3):80-81.

[3]郭进伟,吴明发.基于中小煤矿的双机热备数据同步系统[J].煤炭科学技术,2009,37(7):97-100.

[4]丁原,刘玉树,朱天焕.实时文件镜像系统的研究与实现[J].情报理论与实践,2001(2):36-38.

[5]包建军,霍振龙,樊菁.可靠实现煤矿双机热备系统的方法[J].工矿自动化,2010(11):5-8.

[6]TEODOSIU D,BJOMER N,GUREVICH Y,et al.Optimizing File Replication over Limited-bandwidthNetworks Using Remote Differential Compression[R].Redmond:Microsoft Corporation,2006.

[7]PIERCE B C,VOUILLON J.What's in Unison?AFormal Specification and Reference Implementation ofa File Synchronizer[R].Pennsylvania:University ofPennsylvania,2004.

[8]TRIDGELL A,MACKERRAS P.The RsyncAlgorithm[R].Canberra:The Australian NationalUniversity,1996.

双机热备系统 篇4

1.1 传统双机热备的定义及原理

双机热备即目前通常所说的active/standby方式。双机热备是近年来服务器端的安全性、可用性的一次重大革命。从以前加大的硬件可用性,到现在的双机要备用,来保证服务器的不停机运行,是高可用性的一次重大的进步。

双机热备原理:是当一台服务器在工作时(称为主机)。另一台服务器处于备用状态(称为备机)。当主机因为某种原因出现故障,如死机,主机断电,病毒发作,硬盘损坏等,不能继续提供服务时,备用机能够在规定的时间内接替主机的服务,继续提供服务,从而使始终服务处于不停机状态。

1.2 服务器内部双机热备的定义

与传统的双机热备管理相比,服务器内部的双机热备管理软件具有同样的原理,并且又有其自身的特点。在大型的单一服务器设备中,比如刀片式服务器,一般都会作为重要的存储及计算设备应用于企业网络服务中,在加上其结构比较复杂,所以,服务器里面的管理软件担负了较为重要的责任。不仅要监控服务器中各个不同模块的状态,还要负责控制电源,散热等具体操作。这时候,如果只有一个管理模块,当其中出现某种问题时,很容易失去管理作用,这时候服务器就会因为没有冗余管理而丧失作用。给应用服务带来巨大的伤害。双机热备管理模块的应用可以很好的解决上述问题。

2 双机热备管理软件的策略设计

2.1 双管理模块的硬件结构

双管理模块在服务器中管理整个系统设备运行,可以是实现对服务器开关机,监控服务器中电源,散热系统,存储系统,以及最为关键的主板的运行及状态控制。双管理模块就是指在一个服务器配备两个管理模块,在两个管理模块中运行同样的管理软件。这两个管理模块一个为主,一个为从。主管理模块在插入机箱时由硬件在具体的位置上实现,并通过相应接口来通知运行软件,实现主管理模块对服务器系统的控制。而从管理模块通过插入相应的模块位置后,监听整个系统的运行,并在主管理模块出现问题的时随即成为主管理模块,来接替主管理模块完成对系统的管理。

2.2 双管理模块的软件结构

2.2.1 双机热备软件原理

双机热备软件首先提供了一个完全容错的软件解决方案,并提供数据、应用程序和通信资源的高度可用性。不需要任何特别的容错硬件就能够自动地提供错误检测和快速有效的主备倒换。

双管理模块中分别运行了两套完全一样的管理系统软件。如果服务器中单独使用任何一个管理模块,都可以独立的对系统进行管理。当同时插入两个管理模块时,管理模块软件中双机热备部分的软件就会根据硬件采集的信号,来决定哪一个为主,同时,另外一个就为从。

2.2.2 通讯策略

双机热备管理软件的通讯策略采用心跳故障检测(Heartbeat),也就是通过通信信号,也叫做心跳信号,作为主从管理软件的通讯机制。即通过每一个通信路径,在两个对等系统之间进行周期性的握手,如果连续没有收到的心跳信号到了一定的数目,则表示这一条通讯线路出现了问题,从而把这一条线路标记为失效。如果只定义了一条通信路径,当程序把这唯一的一条通信路径标为失效时,从管理模块便可判定主管理模块出现了异常,从而启动自己的管理进程来实现主从的切换。

然而,如果只用一条通讯线路的话,则会具有一定的错误风险,比如通讯线路的物理损坏,人为工作中的误操作等。这时候,冗余线路就十分的有效。当一条通讯线路没有心出现跳信号时,第二条路径则能够确定是系统故障还是通信路径有问题。多种通信路径可以帮助避免不必要的失效切换,减少因为错误的主备倒换带给整个服务器带来不必要的风险。

在这里,我们使用两条完全独立的通讯线路来实现心跳检测。

1)网络socket,即套接字。使用支持TCP/IP的通讯协议网络硬件接口。

2)串行口。

例如,如果两个服务器被一个串口连接起来,并且,从属服务器来的心跳信号无法被主模块管理软件所检测到,则下面之一可能是引起这一现象的原因:服务器的RS-232卡或者端口失败,电缆失效,主管理软件暂时挂起,主管理软件运行失败,失效切换只可能在最后一种情况下才发生。

3 双机热备软件具体实现

3.1 整体的运行机制

双管理模块根据插入的槽位位置,自动选择成为主或从管理模块。嵌入式linux系统运行后,负责双击热备的软件程序开始运行,会根据主从来选择不同的运行级别。分别转换为主为active,从为standby的状态,通过串口和网络两路通讯监听彼此的运行状态,在这里我们采用多线程编程来实现程序架构。

3.2 程序具体实现

程序的实现主要包含以下几个部分

1)共享内存的初始化

共享内存的创建主要是为了实现管理系统在运行过程中系统信息的存储。这些信息包括系统现在的运行状态,以及服务器运行过程中各种配置参数的更改。当主管理软件出现异常时,可以实现从管理模块的无缝链接。服务器的各种信息,如电压,温度,以及运行及异常状态均会存储在共享内存中,并通过串口监听进行相互通讯。

2)串口的创建及运行

首先对串口进行初始化操作,包括串口类型的选择,各项参数的具体配置。然后是对串口的读写操作功能的实现。根据主从管理模块的不同,对串口进行相应的操作。

3)socket的创建及初始化

socket通常也称作“套接字”,用于描述IP地址和端口,是一个通信链的句柄。主从管理模块软件程序通常通过“套接字”向网络发出请求或者响应网络请求。在连接成功时,应用程序两端都会产生一个Socket实例,操作这个实例,完成所需的会话。

4)系统主进程的创建

通过硬件GPIO机制设置主从模块,由主进程选择系统运行,并开始双模块的的循环监听。

5)心跳检测程序的创建与运行。

3.3 双机热备软件逻辑处理过程

图3为双机热备程序的逻辑处理过程:主从管理模块通过socket和serial进行多线程循环监控。

4 程序运行结果及分析

服务器通电后,管理系统开始运行。这时,主管理模块能够顺利执行这个服务器的管理任务。同时,从管理模块则运行双机热备程序,负责监控主管理模块的运行状态。当串口和网络两路信号均出现异常时,从管理模块管理软件开始运行,负责管理整个服务器。在主备转换的过程中,服务器的有效信息会因为在双机热备的共享内存中有所备份,完全可以保证系统持续、稳定地运行。

5 总结

对于日益承担企事业单位核心业务的服务器系统来说,数据的高可用性和系统的连续运转能力极其重要,作为实时服务与数据保护解决方案,双机热备软件提供了数据的高可用性、系统异常时的自动切换。但是在双机热备过程中数据的恢复还需要进一步的研究,如何提高数据倒换的有效性和可用性,以及系统主从切换效率等方面还需要做进一步的优化研究。并且,在采用通讯链路这一点上,也可以做到更有效的采用MAC地址的方式,在提高通讯机制以及数据传输准确性上也需做进一步研究。

参考文献

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[4]朱雄辉.嵌入式Linux的研究及其设备驱动程序的开发[D].西安电子科技大学,2002.

BRAS的双机热备实现 篇5

在无BRAS (Broadband Remote Access Server,宽带远程接入服务器)的双机热备的情况下,当设备的链路、端口、单板或整机故障时,用户业务持续中断直到故障恢复,采用冷备技术,PPP (Point-to-Point Protocol,点到点协议)、DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol,动态主机设置协议)等拨号用户需要重新拨号接入才能恢复业务。对于某些不能自动重拨的终端,需要用户手工操作;语音、视频等对中断时长敏感的用户更不能容忍,因此,在ME60之间实现私有协议和远端备份,通过用户表项的备份处理,在链路出现断开或主ME60发生故障时,将用户实时地切换到备ME60上,实现用户业务的快速不中断切换,满足高可靠性需求。

1 双机热备涉及的各种技术

利用VRRP协议(Virtual Router Redundancy Protocol,虚拟路由器冗余协议)协商主备,并使用bfd(Bidirectional Forwarding Detection,双向转发检测)/ethoam(Ethernet Operations,Administration and Maintenance,以太网的操作、管理和维护)快速检测故障、使用RUI(冗余用户信息)协议,通过在主备设备之间的TCP连接同步主备用户信息。发生故障时,利用免费arp(Address Resolution Protocol,地址解析协议)和控制路由来引导用户流量,保持业务不中断。具体实现如图1。

1.2 涉及的相关技术

VRRP是一种冗余备份协议、为具有组播或广播能力的局域网(如以太网)设计,保证当局域网内主机的下一跳路由器设备出现故障时、可以及时地由另一台路由器来代替,从而保持网络通信的连续性和可靠性在使用VRRP协议时,需要在路由器上配置虚拟路由器号和虚拟IP地址,同时产生一个虚拟MAC地址,这样在这个网络中就加入了一个虚拟路由器,而网络上的主机与虚拟路由器通信,无需了解这个网络上物理路由器的任何信息。一个虚拟路由器由一个主路由器和若干个备份路由器组成,主路由器实现真正的转发功能,当主路由器出现故障时,一个备份路由器将成为新的主路由器,接替它的工作[1]。

BFD (双向转发检测)协议是一个简单的“Hello”协议,在很多方面,它与那些著名的路由协议的邻居检测部分相似。一对系统在它们之间的所建立会话的通道上周期性的发送检测报文,如果某个系统在足够长的时间内没有收到对端的检测报文,则认为在这条到相邻系统的双向通道的某个部分发生了故障。在某些条件下,为了减少负荷,系统之间的发送和接收速率需要协商[2]。

IP数据包常通过以太网发送,以太网设备并不识别32位IP地址,它们是以48位以太网地址传输以太网数据包的,因此,IP驱动器必须把IP目的地址转换成以太网网目的地址。在这两种地址之间存在着某种静态的或算法的映射,常常需要查看一张表。地址解析协议(Address Resolution Protocol,ARP)就是用来确定这些映象的协议[3]。免费ARP主要用于检测网络中IP地址是否冲突,它是一种功能而非协议,当设备重启或代理ARP功能开启时就会向本地网络主动发免费ARP以检测IP地址是否冲突,免费ARP是以源、目的IP都是自己,源MAC也是自己,目前MAC地址是广播地址,即向自己所在的网络请求自己的MAC地址,当网络中如果有其他的主机使用了自己相同的IP地址,他会给主机一个ARP回复,此时如果发免费ARP的主机收到了回复证明自己的IP地址有冲突,如果没有收到回复则说明没有IP地址冲突。

2 BRAS的双机热备的实现

2.1 确定设备的主备状态

首先要确定BAS的主备情况,虚拟IP和虚拟MAC虚拟路由器,VRRP可以实现冗余备份的设备之间确定主备,如图2中的备用组的建立,但这种备份对于拨号用户来说是冷备份,用户必须在设备倒换之后重新上线,这就催生了RUI用于在两台设备之间同步在线用户的信息。

2.2 主备选择——VRRP与BAS口的绑定关系

在主备的选择上,VRRP和BAS的口绑定是非常重要的,这确定的VRRP组的分类,同时建立业务的主备关系。具体如图3,VRRP与BAS口的绑定关系的建立流程图。

通过图3,我们可以看出首先建立起建立远程备份模版(Remote Backup Profile,下面简称RBP)和VPPR组;在需要相互备份的主接口上建立子接口并加入相同的VRRP组;RBP中指定VRRP对应的VRID;在需要备份的主接口下建立Bas子接口,并绑定RBP;这样就将备份的Bas口和VRRP建立了联系,可以利用VRRP来确定同一个远程备份组内两个Bas口的主备状态。

2.3 用户信息同步的实现

要实现热备方式,需要将用户信息在两个BRAS上同步,要实现同步,这需要利用RUI在两台设备之间同步在线用户的信息,具体同步方式如图4。

如图4中,利用主用设备同步备用设备,首先需要在备用设备中建立远程备份服务器(Remote Backup Server,下面简称RBS),通过主用设备的链接控制模块提取用户信息,保存到备用数据库中,利用远端备份模块封装用户信息,并绑定TCP连接,RBP中指定RBS,通过对应TCP来发送用户备份信息;主用设备采用RUI (冗余用户信息)协议将主设备上用户信息,通过RBS绑定的TCP连接发送到备设备;在备用设备上,RUI模块利用收到的用户信息发起上线,生成各类用户表项,建立热备环境。温备情况下,只在备设备备份数据库中生成表项,等到设备升主时才继续生成其他一系列用户表项。这样使用两边的设备能保持用户信息的同步,保证热备份顺利进行。

3 地址池的规划

要实现热备方式,保证PPP-OE用户在故障出现现时不中断业务,则必须保证主用和备用的ME60配置着相同的地址池,这样启用备用ME60时,用户能寻找到相同的网关。ME60上的地址池使用负载分担模式进行规划。

设备间备份特性中的负载分担,实际上是配置多个备份组,部署在两台ME60上并使之互为主备关系。这样可以保证每条链路上都能带业务,可以利用链路的资源,同时也可以充分利用设备的板件和端口资源。这样可以节约成本,同时可以对业务的保护,起到了双重的效果。

如图5中,若两个RBP共享地址池,则可能在一个备份组的主设备(CMC)上的用户信息还没有来得及备份到备设备(CIU)时,另一个备份组的主设备(CIU)上也把相同的IP地址分配给了用户,造成冲突。为解决负载分担的备份组使用相同的域的问题,需要把地址池划分开。一部分地址池可配置成slave地址池,只能给从对端备份过来的用户分配,而本地上线的用户不能使用,避免地址分配冲突。

从CMC_ME拨号上线的用户只能从pool CMC中分配IP地址;POOL CIU只能给从CIU_ME上备份过来的用户分配。这段地址池在CMC_ME上是主用的地址池。地址规划,将所有要分配的地址在两台ME60上配置,同时按照业务的大小,将这部分地址划分成两部分,一部分在CMC_ME60上是主用,另一部分是备用,而在CIU_ME60上CMC_ME60主用的地址池作为备用组,备用的作为它的主用,这样就可以保证地址不会出现冲突的情况。

4 链路中断或设备出故障的倒换

利用BRAS的热备份,在城域网内可以建立如下的拓扑图,具体如图6。

4.1 链路中断的处理过程

4.1.1 ME60上线链路中断的处理过程

通过以上的拓扑图,ME60到AR之间是使用OSPF(Open Shortest Path First开放式最短路径优先)路由上行,当该ME60上行到AR的其中一条链路中断,其中ME60上会出现链路中断告警,这条链路上无法建立邻居关系,这时OSPF将链路状态广播数据包LSA(Link State Advertisement)传送给在这一区域内的所有路由器[4],ME60判断,将业务全部走向正常建立邻居关系的一条链路上,如上图6中ME60-X8-2的上行其中8链路中断,业务会自动导入到链路9上行,保证业务的正常使用。

4.1.2 S9306到ME60链路中断处理过程

如上图6中可以看出S9306的上行都是两条,这两条链路通过VRRP协议做为互为备份的两条链路,同时地址池在两台ME60上配置了负载分担模式,在两台ME60上建立了四个备份组,用户的信息进行同步,当3链路中断时,通过VRRP本身的协议报文和peer bfd判断链路中断,时间是1ms,这时ME60-X8-2上会启用和3链路同步的备用组,将其作为主用,同时启用备用数据库,这时从链路3上带的用户会自动寻找网关,从4链路接入到中心机房2 ME60-X8-2上认证使用,保证了业务不中断。

4.2 设备故障

4.2.1 ME60设备故障

如上图,当设备1掉电或设备故障时,这时依靠VRRP本身的协议报文和peer bfd判断链路3和链路7中断,而设备2启用备用数据库,同步设备1上的信息,同时用户寻找网关,通过链路4和链路6到设备2上认证,保证用户的稳定性,不会出现掉线。

4.2.2 S9306设备故障

上图5中的拓扑图中对于交换机设备S9306没有保护,这是本拓扑图中的一大缺点。只能保证S9306上行的保护。

5 结束语

目前的企业和个人用户对于网络质量的要求是越来也高,同时各个运营商在一直追求高稳定的网络质量,BRAS的热备份技术实现用户业务的快速不中断切换,满足目前运营商高可靠性需求,保证了用户的网络质量。

参考文献

[1]华为数据通信.VRRP特性增强技术白皮书[EB/OL].深圳:华为科技有限公司,2008年.www.huawei.com

[2]华为数据通信BFD技术白皮书[EB/OL].深圳:华为科技有限公司,2008年www.huawei.com

[3]高新民.ARP协议及相关故障分析[J].电信技术,2005,04

视频会议双机热备的应用 篇6

自20世纪90年代初期以来,伴随着计算机技术、通信技术和互联网技术的发展,视频会议作为一种便利、高效、节约的远程沟通方式,对传统的会议模式带来了巨大冲击,目前已广泛应用于军事、政治、经济、科教、文化等领域,用户层次也从政府、大型企业等机构向中小企业甚至个人用户拓展。为满足各级用户不断提升的会议需求,视频会议技术的普及和发展也经历了从模拟到数字,从点对点到多点对多点,从有线到无线,从功能单一到功能全面的过程。

而视频会议由于其实时性的特点,更是对系统的可靠性提出了更高的要求。视频会议系统的可靠性,是指系统运行稳定以保证会议不中断,系统备份完善以保证故障带来的影响最小。在实际应用中如何建立一个高可靠性的视频会议系统,保证系统的长期不间断运行和故障瞬时恢复,是视频会议业界和用户重点关注的一个需求和技术热点。

1 视频会议构建模式简析

从构建模式来看,视频会议系统分为软件视频会议系统和硬件视频会议系统。

1.1 软件视频会议系统

软件视频会议系统是基于服务器+PC架构的视频通信系统,其多点控制单元(Multi Control Unit,MCU)和会议终端是利用高性能的服务器、PC机与视频会议软件的结合来实现,本质上主要依靠高性能的CPU来处理视、音频编解码工作。

软件视频会议系统的主要设备有服务器(MCU服务器、多画面处理服务器和流媒体服务器)、PC机(会议终端)、摄像头、麦克风、显示设备、扩音设备等。

软件视频会议系统的优势是成本低、对网络的要求较低、部署方便、开放性好、软件集成方便、数据共享和应用丰富;劣势是安全性和稳定性有待提高、音视频质量一般、服务质量(Quality of Service,QoS)保障机制不健全、对不同网络的支持能力比较差。所以当前软件视频会议系统的用户主要集中在个人和中小企业。不过随着基于Web的网页化软件视频会议系统、云计算等技术的不断深入发展和应用,制约软件视频会议系统的技术瓶颈不断被突破,其应用领域和范围也在不断扩大。

1.2 硬件视频会议系统

硬件视频会议系统是基于嵌入式架构的视频通信方式,依靠数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)+嵌入式软件实现视、音频处理,网络通信和各项会议功能。

硬件视频会议系统的主要设备包括嵌入式MCU、会议终端、摄像头、麦克风、显示设备、扩音设备等,为了方便统一管理,通常还包括视频矩阵、音频矩阵、统一电源开关等设备。

硬件视频会议系统最大的优势是安全性和可靠性高,性能卓越、音视频效果好、集成度高、操作简单、维护方便、具有良好的QoS保障机制、支持广泛的通信网络协议。劣势是成本高,硬件设备和专线网络需要投入大量资金。所以目前硬件视频会议系统的用户主要是对会议可靠性要求较高的政府、大型企业等。

2 视频会议组网模式简析

目前主流的两种组网方式是IP组网方式和E1专线组网方式。

2.1 IP组网方式

视频会议的IP组网方式,遵循H.323协议。其特点是基于IP的分组交换、统计复用,带宽利用率高;接入方便、组网灵活;成本较低。IP组网方式在应用上便于融入OA网,实现和IP终端直接互通、与流服务器结合;可进行各类融合业务发展,和手机、可视电话、VOIP、软终端融合,也可以和监控、IPTV等进行融合。

2.2 E1专线组网方式

视频会议的E1专线组网方式,遵循H.320协议。E1专线组网方式代表了视频会议的高端发展方向,其特点是高清晰、高质量、高稳定。高清晰:支持720P/1080I/1080P提供高保真的视音频质量。高质量:可专网专用,网络可备份,具备多种纠错措施,带宽保障。高稳定:高集成实时系统设计、信道可备份、速率自适应。

2.3 E1专线和IP组网方式

视频会议的E1专线和IP组网方式遵循H.320/H.323协议,是前两种方式的结合,具备两种组网方式的特点,形成互补。这种方式组网的视频会议系统不仅可以满足用户对视频会议系统高清晰、高质量、高稳定的高端要求,还可通过IP的灵活性将各种应用结合起来,如通过流媒体方式,将会议在宽带网上进行直播、点播;可进行外设备的集成,如网真技术的应用等。

3 视频会议双机热备的模式设计

3.1 系统总体设计思想

随着视频会议技术的发展,用户对视频会议系统的依赖程度日益增加,视频会议的可靠性和可用性越来越重要。视频会议的稳定性是所有用户最关心的一个问题,相对于面对面的会议,视频会议是相对脆弱的,很容易被某种意外所打破,如设备掉电、网络故障、设备故障。即使对于最专业的维护人员,重新召集视频会议至少要花费5-7分钟。对于大型会议、大型培训、应急指挥,一旦出现意外,对于使用部门、建设部门、维护部门所承受的压力将是巨大的,本文将从MCU双机热备、终端双机热备二个维护角度保证系统的高可靠性。双机也叫热备,主要作用是当视频会议主用设备出现物理故障时,备用设备能接管工作,而不会使整个系统瘫痪。一般需要两台设备,一主一备,两台设备分别连接在两个不同的网络。两台MCU设备通过心跳线连接,用来按时发送监测数据包,以确定主服务器是否在线,当主MCU服务器死机后,自动启用备用MCU服务器,以保障系统的不间断性。两台终端设备通过音视频智能切换器连接,当主用终端出现故障时,音视频智能切换器自动将信号切换到备用终端,保障信号平滑转换。

3.2 MCU双机热备设计

视频会议系统的工作原理是在中心点部署MCU,负责会议的管理控制和数据流的转发处理,相当于多点间的交换设备,是实现多点会议的核心技术和设备。在各级会议室部署会议终端,与摄像头、话筒、显示器、扩音器等外围设备互联,负责接收和展示从MCU传来的中心会议室音视频信号。

视讯会议的组网结构逻辑上是一种星形连接,核心设备就是MCU,所有参与会议的终端可与MCU建立一对一的连接,终端负责采集会场的声音和视频,然后经编码后传输到MCU,由MCU根据当前视频会议的模式确定对音视频信号的处理方式和转发逻辑,然后将处理后的音视频数据再发送到每一个与会者。MCU的可靠性和稳定性将直接影响视讯会议的稳定召开。设置能够支持双机热备技术的两台MCU互为主机和备机。当两台设备均启动后,工作中的主机MCU因意外情况,导致会议无法继续进行时,系统会自动进行备份切换,由备机MCU继续承担开会任务,切换时间小于45秒。从而在短时间内,不需要对备机MCU重新设置会议的情况下,备机MCU代替主机MCU将会议继续召开,保证会议的顺利进行。并且在整个会议的切换过程中,无需人工干预,保证会议不中断,安全级别达到电信级(图1)。

3.3 终端双机热备设计

视频会议系统终端的作用就是将某一会议点的实时图像、语音和相关的数据信息进行采集,压缩编码,多路复用后送到传输信道。同时将接收到的图像、语音和数据信息进行分解、解码,还原成对方会场的图像、语音和数据。另外,会议电视终端还将本会场的会议控制信号(如申请发言,申请主席等)送到多点控制器(MCU)。同时还要执行多点控制器对本会场的控制作用。在视频会议召开的过程中,主会场视频终端等设备当管理人员误操作或非正常断电或设备意外故障时,其音视频信号会发生中断,由此将会使整个视频会议无法继续进行,传统的解决办法是配置第二套视频终端作为冷备份,当主设备发生中断时由系统维护人员以手工方式切换至备用设备。本文设计的思路是通过音视频智能切换器,解决主会场或分会场主备终端的自动、快速、无缝切换的问题(图2)。

该方案实现了自动切换,视频信号与音频信号可同步切换,音视频图像切换时间短、切换过程平滑,主会场与分会场的参会人员不会明显感觉出会议切换过程中的中断现象,保证了会议可按序正常进行。设备同时具备掉电后信号旁路的功能,掉电后可将主信号直接输出到输出接口,提高了系统备份的等级。

双机热备系统的优点在于:可有效提高系统的可靠性和可用性。若主用设备或应用程序崩溃,热备系统中另一个备用设备在继续工作的同时,接管崩溃设备的任务,最大限度地缩短MCU和终端宕机的时间,大大提高了系统可靠性、安全性及容错性。

4 双机热备系统的典型特点

双机热备视频会议系统组会灵活,会议模式多样,应用越来越广泛。系统具备以下典型的特点:

(1)先进性特点

系统整体设计切实可行并容易实现,MCU双机热备或终端双机热备或MCU+终端双机热备的设计方式属于业界领先水平,符合计算机、网络通讯技术和视频会议技术的最新发展潮流。

(2)标准性特点

系统遵循标准的整体协议框架,提供标准接口,使用标准的音视频协议,支持标准的视讯与数据协同工作方式等。使系统具有较高的兼容性,使用标准协议的厂家之间的设备能够系统平滑级联或互通。

(3)实用性特点

双机热备系统的设计符合工程的实际需要,针对实际应用的特点,具有多种组会模式和管理方式:终端图形界面、WEB界面;并能支持中文会场名,会议主题、会议临时通知等文字提示,可以使视讯会议发挥更佳的临场效果。

(4)安全性特点

系统采用标准硬件集成、嵌入式操作系统结构,有效抵制网络病毒和黑客等的攻击具备系统级安全性;MCU具备多级密码保护,终端能提供配置数据安全功能远程控制,按业务分配用户名和密码等用户级安全性。

(5)稳定性特点

双机系统结构集成度高,能够长期稳定工作,保证7*24小时不间断地稳定可靠运行,适应工作环境能力强,故障率低。在管理人员误操作或非正常断电或设备意外故障的情况,MCU和终端能提供双机热备技术。备份设备及时接替主工作设备将会议继续召开,保证了重大会议持续稳定地召开,减轻会议管理人员的工作负担。

5 视频会议双机热备的应用(以云南省电子政务为例)

视频会议在节省时间的同时帮助了企业提高工作效率、降低运营成本,加强了在全球化进程中的核心竞争力。尤其在电子政务、政府机关方面显示其强大的优势。在此针对视频会议双机热备在云南省电子政务的应用做深入的描述。

5.1 电子政务视频会议应用分析

视频会议系统作为电子政务信息化的重要组成部分,承担着各级政府部门内部及相互之间沟通、会商、决策的重要职责,各级政府的指示精神和重要事务需要通过此系统进行上传下达,面对突发事件,领导需要通过此系统及时全面地掌控事态发展,及时进行决策和指挥,所以系统的稳定性,系统协议的标准规范性,各种不同速率和类型网络的接入兼容性,稳定清晰的画面质量,强大的系统可拓展能力,系统和VOIP,3G,IPTV,NGN系统之间的无缝融合等等,都是政府行业建设选择视频会议系统的重要考虑要素。

以云南省电子政务为例,云南省电子政务视频会议主用系统基于SDH E1专线三级网,备用系统基于SDH E1专线二级网,与电子政务外网物理隔离,实现省、市、区县三级720P高清图像和声音质量的交互式视频会议。同时满足以下要求:

通过系统进行云南省领导干部时代前沿知识讲座、远程培训等工作的要求。

与县乡电子政务平台的视频会议系统实现无缝集成。

符合国家的政务标准,实现信息共享,充分发挥视频会议系统的作用和效益。

在功能方面,考虑到政府部门对于办公的特殊需求,视频系统的功能需要满足:

(1)会议管理功能:在任一计算机上管理会议,如创建取消会议、启动/停止会议、会议成员管理等,支持现有的各种会议控制方式。

(2)会场终端管理功能:支持终端控制、主会场控制、远端控制等。支持多路视频“画中画”,同时传输四路以上乃至全部与会者的声音,实现音视频同步。

(3)与会者管理:会议主持者可以对任一与会者进行控制。

(4)视频录播功能:流媒体、硬盘录像、字幕同步、实录回放。

(5)系统扩展功能:MCU服务器具有扩展能力,支持桌面会议,提供一对一、一对多的会议。

(6)采用电子政务平台统一的安全体系结构,确保其安全性和可靠性。

5.2 解决方案

云南省电子政务视频会议建成152个分会场,并具备一定的会场终端扩展能力。采用先进的、成熟的技术,并能在将来实现系统的平滑升级。

系统基于SDH E1专线网络,采用H.320协议作为标准协议和H.264编解码技术,主用系统以高清1080P多点控制单元(MCU)二级级联组网,配置720p会议室型终端到州市、县;备用系统以高清1080P多点控制单元(MCU)单级组网,配置720p会议室型终端到州市。主备用系统同时提供信号,整个系统提供全面的H.320系统解决方案和流媒体解决方案,充分满足政府会议的稳定性需求,同时也能满足进行领导干部讲座,远程教育,全省性大会等工作的要求,并最低限度的降低了成本(图3)。

根据云南省电子政务视频会议网络结构及传输容量的实际情况,各州市及市直属职能部门分会场连接省级主会场的网络带宽为4M,各县市区及县直属职能部门分会场连接州市级会场的网络带宽为2M。

高清主备网核心平台采用同型号的MCU,组网架构一致,提供IP、E1、2E1等多种接入方式。在省网管中心机房实现2E1传输线路在主用高清系统MCU与备用高清系统MCU之间的跳接。正常情况下采用主用系统召开全省会议,紧急情况下,可以把州市的MCU切换到备用核心MCU上召集全省会议,也可以由州市自主召开州县二级会议,并将省至州市备用系统的信号转接到州市二级会议实现省-州市-县市区三级会议的转播。主备用两套系统相对独立,又在核心平台侧融合对接备份,达到灵活的备用机制,提供紧急情况下的正常会议服务。

5.3 实现效果

云南省电子政务视频会议系统可提供以下主要功能:

(1)在各会场之间实现视频会议的功能,包括图像、语音交互、流媒体广播以及会议的组织、控制等。

(2)在主会场可对会议进行实时控制和监测,并可将控制权下放给其他多个会场。

(3)可将各会场接收到的会议信息,以流媒体的方式上实时在电子政务外网上进行广播,各个会场无需视频会议设备投入(只需一台PC机)即可接收到会议图像和语音。

(4)领导可通过在办公室的电脑上配置桌面视讯系统加入会议当中,该领导讲话时所有会场都能观看该领导图象,并听到讲话内容。

6 结束语

视频会议双机热备系统的设计,实现了视频会议过程中,在软件故障、硬件故障、网络故障、电源故障及操作故障的情况下,系统自动切换,信号平滑转换。切换时,视频信号,音频信号,会议资源管理模块,MCU状态,终端状态工作正常,信号不丢失,转换平滑。为视频会议系统的连续可靠运行提供了可靠的技术保证。

参考文献

[1]蔚保国.高可用性系统服务器双机热备份技术的研究.北京:无线电通信技术.1999.

光纤光栅解调中实现双机热备的方法 篇7

当一束光进入布拉格光栅后, 对满足布拉格条件的光会产生反射, 光纤布拉格光栅反射波的中心波长可以表示为:

式中:neff为光纤光栅的有效折射率, 为光栅周期。外界环境温度, 压力的变化都会使neff和发生变化, 从而使光纤光栅反射光的中心波长发生偏移, 由此可以检测中心波长的偏移量可以间接测算出很多物理量的变化。

比如在温度传感中, 每摄氏度的温度变化对应10个pm的波长变化。在应力应变传感中, 1个微应变对应1个pm的波长变化。基于应力应变的原理还可以设计出多种物理量的传感器。

2 Fabry-Perot腔工作原理

可以把Fabry-Perot腔看做是一个窄带滤波器, 在一定波长范围内, 如果以平行光入射到F-P腔, 则只有满足相干条件的特定波长光才能通过。

工业化的Fabry-Perot腔基本由两个平行的高反射镜构成, 两块镜面相对, 一块固定, 一块贴附在压电陶瓷上。给压电陶瓷加上不同的电压, 压电陶瓷产生伸缩, 带动一个高反射镜的移动, 从而改变Fabry-Perot腔的腔长, 对应特定腔长只有特定波长的光才能通过, 当光纤光栅反射波的中心波长与Fabry-Perot腔的透射波长重合时, 探测器探测到最大光强。由于加在压电陶瓷上的电压对应Fabry-Perot腔的腔长, Fabry-Perot腔的腔长对应光纤光栅反射波的中心波长, 这样电压与光纤光栅反射波的中心波长建立了对应关系。通过对电压的处理就能获得外界物理量的信息。

3 常用光纤光栅解调系统的搭建

光纤光栅解调经过近年的发展, 方案已经日趋成熟, 主要功能框如图1所示:

光源驱动电路驱动光源发出宽带光, 同时CPU控制DAC发出不同的电压加在Fabry-Perot腔上, 根据电压信息检测光纤光栅的反射光, 获得电压与反射光的对应关系, 得到当前光纤光栅的波长值。

在应用中为了获得较高的解调速度, 一般将Fabry-Perot腔的驱动电压设置成三角波, 同时并不记录Fabry-Perot腔的驱动电压值。在与传感光栅平行的光路上安装一个梳状滤波器, 其滤波波长值是已知的, 由于Fabry-Perot腔的驱动电压成三角波, 在上升沿对时间成线性, Fabry-Perot腔的腔长对电压也成线性, Fabry-Perot腔透射光对时间也就成线性变化, 这样通过将梳状滤波器的探测值与传感光栅进行简单的插值运算便可得到传感光栅的波长。在三角波下降沿的时间一般用来给CPU运算用。

4 双机热备问题的提出

随着应用越来越广泛, 用户对光纤光栅解调提出越来越多的要求, 特别在爆炸品储存地的温度监控中, 用户提出要双机热备, 以提高系统的可靠性与稳定性, 在一台仪表出故障时, 不影响系统功能。

5 解决方案

双机热备必然是两台仪表, 最容易想到的自然是提供两套平行的系统, 同时工作。在有些地方就是这样解决问题的, 也收到了很好的效果。但这样只能在那些新的项目中实施, 可以同时增加传感器和仪表, 对于已有的系统, 传感器已经铺设, 并且限于工业现场的条件, 不可能再增加传感器, 必须实现2台仪表公用一套传感器。

在上文所述光纤光栅的系统中, 下降沿是用来给CPU计算时间, 这段时间与光系统无关, 传感器没有输入有用的光信号, 这样可以合理利用这段时间, 来实现双机热备。将两台仪表通过分路器接入同一套传感器, 两台仪表分时发光, 合理控制两台仪表三角波之间的相位, 对传感器分时复用。见图2。

图 (a) 中可以看出两台仪表通过分路器接入同一套传感器, 图 (b) 中位Fabry-Perot腔的驱动电压, 表1和表2分别在黑色区域发光。对传感器分时复用。

6 三角波同步的实现

6.1 三角波的发生

三角波发生主要是利用MCU设置AD9833来实现。AD9833是一种低成本高精度的的波形发生器, 2.3V到5.5V兼容, 串行SPI兼容接口, 方便MCU控制, 设置后自由运行。能产生三角波, 正弦波。

其功能框图如图3。

可以看到, AD9833有2个28位的频率寄存器, 2个12位的相位寄存器。运行时可以通过控制寄存器设置任意一对工作, 频率寄存器对外接晶震分频得到需要的频率。

如需要对频率寄存器0设置为0x FFFC000H可以对芯片写入如下值。

设置后就能发出一个需要频率的三角波。

6.2 对三角波相位的调整

在AD9833中有2个12位的相位寄存器, 其工作机制是这样的。AD9833输出DAC, DAC的值是通过查表得到的, 查表的依据是相位寄存器的值。对频率寄存器设置后, 频率寄存器就会对外部时钟分频, 以得到内部需要的时钟。在内部时钟的控制下, 相位寄存器累加, 12位加满后再递减, 这样可以循环输出波形。在运行的过程中, 如果通过MCU突然改变相位寄存器的值, 那么, 查表的依据就发生了变化, 可实现移相位。在AD9833中相位寄存器可以设置为任意的值, 其设置规则如下表2。

6.3 系统的搭建

如前文所述, 要实现两台表的双机热备, 必然需要在两台表之间引入同步信号。同时在MCU的控制下实现相位的调整。那么设计了如下电路。

在此电路使用了STC15F100为控制CPU, 这款单片机功能简单, 管脚少, 价格便宜, 非常适合这样的应用场合。在上电时通过P3.2, P3.3, P3.4对AD9833进行设置, 使其按照需要的频率运行, 在P3.5的低脉冲到来时, 设置相位寄存器, 可以将三角波与脉冲同步。低脉冲是另外一台仪表发出的, 与其三角波同步。

7 仲裁机制

在任何热备份的系统中, 都最终需要一个仲裁机制, 以判断真实的现场情况和仪表的状态。在此双机热备系统中, 采用上位机器同时读取两台表的数据, 当两台仪表都提示现场情况发生故障时, 可以确定真实情况。当只有一台仪表提示现场情况报警时, 需要做报警处理, 这样处理是为了保证不存在漏报, 同时应该检查另一台是否工作正常。若其中一台仪表的数据发生明显的异常时, 应判断位仪表故障, 通知人员维修。

8 使用效果

在光纤光栅系统中使用双机热备方案后, 可以大大提高系统的稳定性, 可靠性, 对火灾的监控减少漏报率, 挽回大量的损失。

摘要：介绍了光纤光栅解调的基本原理和光纤光栅解调仪表的基本系统结构。阐述了现阶段双机热备的应用场合和必要性, 并提出了双机热备的解决方案。