煤礦測控類系統(tǒng)雙機(jī)熱備軟件的設(shè)計

【摘要】針對現(xiàn)有煤礦測控類系統(tǒng)主控雙機(jī)熱備方案存在的定制性差、成本高和單點故障等問題，提出了一種以靈活性、低成本和可靠性為設(shè)計原則的雙機(jī)熱備軟件設(shè)計方案，重點闡述了煤礦測控類系統(tǒng)雙機(jī)熱備軟件整體架構(gòu)、心跳檢測模塊、資源管理模塊和數(shù)據(jù)同步模塊的設(shè)計和實現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】雙機(jī)熱備；測控；心跳檢測；數(shù)據(jù)同步

1.引言

隨著基于工業(yè)以太網(wǎng)的測控技術(shù)不斷發(fā)展，煤炭監(jiān)測監(jiān)控類系統(tǒng)正在向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方面加速發(fā)展，在此過程中，安裝在煤礦地面的主控計算機(jī)作為整體系統(tǒng)的指揮中心，是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要使用雙機(jī)熱備功能，來達(dá)到一臺機(jī)器發(fā)生故障時另一臺機(jī)器自動接手業(yè)務(wù)并負(fù)責(zé)運(yùn)行的目的，即主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)采集設(shè)備層數(shù)據(jù)，一旦主機(jī)發(fā)生異常，備機(jī)將在極短的時間內(nèi)代替主機(jī)，進(jìn)行實時監(jiān)測并保存歷史數(shù)據(jù)；當(dāng)主機(jī)重新啟動，備機(jī)會自動將主機(jī)丟失的歷史數(shù)據(jù)拷貝給主機(jī)[1]。煤礦企業(yè)的信息化建設(shè)實踐證明：基于共享存儲設(shè)備的簡單雙機(jī)熱備方案有很大的局限性，除了可能會形成新的單點故障點（磁盤陣列柜設(shè)備）外，硬件成本較高和軟件運(yùn)行環(huán)境要求較高等都是這種解決方案在實際使用中無法避免的問題，不太符合大部分煤礦生產(chǎn)環(huán)境的要求。另外，商業(yè)化的一些純軟件雙機(jī)熱備方案數(shù)據(jù)同步時間較長，無法滿足測控類系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)存儲的要求。因此，如何構(gòu)建一個符合煤礦企業(yè)環(huán)境使用的雙機(jī)熱備平臺成為一個急需解決的問題。

筆者從方案的靈活性、低成本和可靠性方面考慮，設(shè)計了基于專用數(shù)據(jù)同步技術(shù)的雙機(jī)熱備純軟件解決方案。本文將著重闡述該解決方案的整體架構(gòu)、心跳信號、數(shù)據(jù)同步等技術(shù)的原理與實現(xiàn)方法。

2.煤礦測控類系統(tǒng)雙機(jī)熱備軟件整體架構(gòu)

在計算機(jī)的硬件配置方面，本文提出每臺計算機(jī)提供2個網(wǎng)卡，一個是心跳專用網(wǎng)卡，使用網(wǎng)線直接連接，用來提供專用的心跳信號傳輸通道，保證心跳信號發(fā)送快速和穩(wěn)定；另一個是業(yè)務(wù)網(wǎng)卡，連接業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)，用來為監(jiān)測監(jiān)控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供傳輸通道。同時，業(yè)務(wù)網(wǎng)卡也可以作為備用的心跳網(wǎng)卡。

雙機(jī)熱備軟件分為心跳檢測模塊、資源管理模塊[2]和數(shù)據(jù)同步模塊，其中心跳檢測模塊用于主（A）機(jī)、備（B）機(jī)互相取得對方的存活狀態(tài)信息和其他必要信息，資源管理模塊用于監(jiān)測和控制納入雙機(jī)熱備管轄的業(yè)務(wù)服務(wù)、進(jìn)程等資源，數(shù)據(jù)同步模塊采用了為煤礦測控類系統(tǒng)專門開發(fā)的專用數(shù)據(jù)同步組件，如圖1所示。

雙機(jī)熱備軟件作為測控類系統(tǒng)軟件的一個重要的組成部分，設(shè)計使用接口的方式發(fā)布功能，所有相關(guān)的配置信息存放在雙機(jī)熱備軟件配置文件中。雙機(jī)熱備軟件對外提供主機(jī)、熱備的狀態(tài)信號，提供主機(jī)、熱備狀態(tài)的切換接口，但不負(fù)責(zé)對所監(jiān)視的資源進(jìn)行干預(yù)，所有的切換、清理、啟停等動作由業(yè)務(wù)軟件自行完成，雙機(jī)熱備軟件只提供狀態(tài)判別結(jié)果作為業(yè)務(wù)軟件后續(xù)執(zhí)行動作的依據(jù)，這是本文提出的方案與其他方案之間的主要區(qū)別。這種設(shè)計可以提供極大的靈活性和軟件兼容性，給不同的業(yè)務(wù)軟件提供不同的切換策略定制空間。

3.煤礦測控類系統(tǒng)雙機(jī)熱備軟件心跳檢測模塊

煤礦測控類系統(tǒng)對穩(wěn)定性要求極高，而心跳信號在兩臺計算機(jī)之間必須持續(xù)傳輸，因此在心跳信號的傳輸渠道上設(shè)計了冗余的方式，即：

（1）專用心跳網(wǎng)絡(luò)渠道

心跳網(wǎng)絡(luò)是心跳信號的專用網(wǎng)段，只能傳輸雙機(jī)熱備心跳信息，以保證及時性和可靠性；同時，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)設(shè)置為物理獨立的一個網(wǎng)絡(luò)，不與辦公網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，因此本文設(shè)計為使用網(wǎng)線直連兩臺計算機(jī)。

心跳信號使用UDP方式進(jìn)行傳輸，主機(jī)、熱備分別啟動監(jiān)聽服務(wù)，同時分別啟動UDP客戶端把信號信息發(fā)送給對方。監(jiān)聽端口默認(rèn)為11006，可以在配置文件中設(shè)定。

（2）業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)渠道

業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中平時傳輸?shù)氖菢I(yè)務(wù)信息，但也可以作為心跳信號的備用網(wǎng)絡(luò)使用，當(dāng)心跳網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時，可以使用業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對方存活狀態(tài)的判斷。心跳信號傳輸方法不變，監(jiān)聽端口默認(rèn)為11007，也可以在配置文件中設(shè)定。

在系統(tǒng)正常工作情況下，心跳交互信息由“服務(wù)正常嗎”查詢信息和對方計算機(jī)的“服務(wù)正?！睉?yīng)答信息構(gòu)成[3]。而且心跳信號傳輸?shù)膬?nèi)容必須精簡，以達(dá)到快速響應(yīng)的目的。同時為了保證不被特殊情況下出現(xiàn)的雜亂信息干擾，需要使用一定格式的協(xié)議約束心跳數(shù)據(jù)，具體設(shè)計以一個常規(guī)心跳數(shù)據(jù)幀為例進(jìn)行說明：

舉例：0xD1 0xE2 0x00 0x02 0x00 0x01 0x8A 0x4C，含義解釋如下：

起始幀頭：選取了2個字節(jié)的特定數(shù)據(jù)0xD1和0xE2來代表心跳幀的起始；

功能編號：0x00代表常規(guī)心跳命令；

數(shù)據(jù)單元長度：0x02代表后續(xù)的數(shù)據(jù)單元字節(jié)數(shù)；

數(shù)據(jù)單元：0x00代表發(fā)送者當(dāng)前為備機(jī)，0x01代表發(fā)送者某項資源為正常狀態(tài)；

CRC校驗：0x8A 0x4C代表從起始幀頭到數(shù)據(jù)單元最后一個字節(jié)進(jìn)行16位CRC校驗計算的結(jié)果。

4.煤礦測控類系統(tǒng)雙機(jī)熱備軟件資源管理模塊

本文中的資源管理不僅僅提供了如公用IP地址資源的分配管理，還把“資源”的范圍擴(kuò)大到所有雙機(jī)切換策略中可作為判斷依據(jù)的資源對象，目前有如下幾種：

（1）對方心跳專用網(wǎng)心跳信號

即通過心跳專用網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的對方的常規(guī)心跳信號，針對信號本身是否發(fā)來進(jìn)行監(jiān)視，如果正常發(fā)來常規(guī)心跳信號，則認(rèn)為對方存活，如果超過一定時間沒有收到此信號，則認(rèn)為對方可能故障。

（2）對方業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)心跳信號

即通過業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的對方的常規(guī)心跳信號，同樣針對信號本身是否發(fā)來進(jìn)行監(jiān)視；與心跳專用網(wǎng)心跳信號不同的是，業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)心跳信號不是一直發(fā)送的，當(dāng)本機(jī)收不到對方發(fā)來的心跳專用網(wǎng)信號時，主動通過業(yè)務(wù)網(wǎng)發(fā)送常規(guī)心跳信號（心跳專用網(wǎng)信號仍然繼續(xù)發(fā)送）。如果對方業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)心跳信號沒有回送常規(guī)心跳信號，則認(rèn)為對方可能已故障或者所有網(wǎng)絡(luò)均中斷。

（3）Windows Service類型的業(yè)務(wù)服務(wù)

所有以Windows Service形式存在的業(yè)務(wù)服務(wù)均可加入受監(jiān)視的資源列表，可以根據(jù)服務(wù)的各種狀態(tài)和持續(xù)時間調(diào)整切換策略，策略設(shè)定在雙機(jī)熱備服務(wù)的配置文件中。

服務(wù)狀態(tài)有：已停止、正在停止、正在運(yùn)行、正在啟動。一般建議已停止、正在停止作為資源故障狀態(tài)，正在運(yùn)行作為資源正常狀態(tài)，正在啟動作為資源未知狀態(tài)。

（4）Windows 進(jìn)程資源

普通的exe程序可以作為Windows 進(jìn)程資源加入受監(jiān)視資源列表，可以根據(jù)進(jìn)程的各種狀態(tài)和持續(xù)時間調(diào)整切換策略。

進(jìn)程狀態(tài)有：存在、不存在。一般建議不存在作為資源故障狀態(tài)，存在作為資源正常狀態(tài)。

（5）定制業(yè)務(wù)資源

不同的業(yè)務(wù)軟件可能有不同的特殊資源需要監(jiān)視，定制業(yè)務(wù)資源可以由業(yè)務(wù)軟件開發(fā)人員進(jìn)行配置。配置時需要設(shè)定資源編號和資源名稱，資源編號用來唯一標(biāo)識該資源，資源名稱用于在日志、接口輸出等環(huán)節(jié)描述該資源。定制業(yè)務(wù)資源的狀態(tài)不由雙機(jī)熱備軟件判斷，而是由業(yè)務(wù)軟件通過接口寫入雙機(jī)熱備服務(wù)，然后參與雙機(jī)切換策略的執(zhí)行。

5.煤礦測控類系統(tǒng)雙機(jī)熱備軟件數(shù)據(jù)同步模塊

在雙機(jī)熱備軟件的設(shè)計中，數(shù)據(jù)同步是一個關(guān)鍵問題。本文采用的數(shù)據(jù)同步方式為：主機(jī)和備機(jī)兩個計算機(jī)上的數(shù)據(jù)庫同時工作，數(shù)據(jù)分別存放在兩臺計算機(jī)上[4]?；ハ嗤降臄?shù)據(jù)有：I/O實時數(shù)據(jù)、內(nèi)存實時數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、用戶口令數(shù)據(jù)等[5]。同步方法主要是利用數(shù)據(jù)庫操作的監(jiān)視和分析技術(shù)，將測控類系統(tǒng)業(yè)務(wù)軟件數(shù)據(jù)庫的增刪改等操作信息以事務(wù)為單位，通過異步的方式，實時地傳輸?shù)搅硪慌_計算機(jī)上，并按原來的順序再執(zhí)行一遍這些操作，這樣就可以達(dá)到主機(jī)數(shù)據(jù)庫和備機(jī)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)保持一致的目的。

6.結(jié)語

本文提出的雙機(jī)熱備軟件在煤礦實際應(yīng)用中取得了較好的使用效果，特別是給予了測控業(yè)務(wù)軟件開發(fā)人員極大的定制靈活性，可以把煤礦測控類系統(tǒng)軟件中的一些特殊要求很容易的加入到雙機(jī)熱備切換策略中，例如串口通訊是否正常等這類定制的雙機(jī)監(jiān)管資源。煤礦測控類系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對穩(wěn)定性要求高，雙機(jī)熱備軟件也在不斷的適應(yīng)新情況，不斷改進(jìn)設(shè)計方案，為煤礦用戶提供更加穩(wěn)定可靠的測控系統(tǒng)軟件。

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作者簡介：高文（1981—），男，山西朔州人，工程師，主要研究方向：煤礦信息化軟件、監(jiān)測監(jiān)控軟件、云計算等。