一种高可靠性双机冗余系统的设计
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工程, 2002( 3) : 48 50. [ 4] 梁小菊, 贺占庄. 两种容错方 案的比较和 可靠性分 析[ J] .
微机发展, 2005( 11) : 77 79. [ 5] 周春来. 控制电器智能设计方法研究[ D] . 天津: 河北工 业
大学, 2006. [ 6] 疏松桂. 控制系统可靠性分析与综合[ M ] . 北京: 科学出 版
社, 1992. [ 7] 姚敏, 赵敏. 基于数据融合的小卫 星温度测量 冗余设计 方
法[ J] . 仪器仪表学报, 2006, 27( 10) : 1266 1270. [ 8] 孙怀义. 冗余设计 技术与可 靠性关 系研究 [ J] . 仪器仪 表
学报, 2006, 28( 11) : 2089 2093. [ 9] 任晓荣, 赵福宇. 石油测井仪 器可靠性快 速评价方 法[ J] .
1 常用冗余备份技术
冗余备份, 其实就是备份的一种形式, 主要是为了不 使系统在工作中由于某中原因将重要的信息在通信中产 生中断, 避免造成重大的损失, 利用有效的手段切换到备 份的部件中。也就是重复配置系统的一些部件, 当系统发 生故障时, 冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作, 大大减少故障存在的时间, 从而保证系统的正常工作。
2 台显示控制计算机和 2 台工作主机均为冗余备份 设计。显示控制计算机处理并显示主机输出的有关数据 及信息, 是进行人机交互的窗口。主机完成数据的采集、 管理及传输功能。监测计算机用来诊断系统的工作状态, 从而进行通信链路的判断选择。网络交换机用于各计算 机间的数据交换。
系统的组成框图如图 4 所示。
仪器仪表学报, 2006, 27( 12) : 1729 1734. [ 10] 樊亚军. 智能节能 灯具控制器 [ J] . 电子 测量技术, 2006,
29( 4) : 55 57.
图 6 切换执行流程图
44
中国ຫໍສະໝຸດ Baidu 技核心期刊
研究与开发
2008 年 4 月 第 27 卷 第 4 期
一种高可靠性双机冗余系统的设计
王建虹 ( 中国电子科技集团公司第 38 研究所 合肥 230031)
摘 要: 现代军用电子设备和某些重要的数据 采集系统对设备的可靠性要求越来越高 , 本文 针对此情况 概述了几 种常用的冗 余技术, 并探讨了冗余技术对提高设备可靠性的重要作 用。研究 了利用冗余技术设计 的高可靠 性系统的设 计原则、系统组成 及工作原理等关键技术。通过实际工程应用, 明显提高 了系统 的稳定 性和可 靠性, 且该系 统运行 效果良 好, 可应用于 数据采 集、计算机网络、数据交换等需要计算机连续工作的场合。 关键词: 高可靠性; 冗余技术; 系统设计 中图分类号: T P311 文献标识码: A
图 5 为系统工作流程图。
图 5 系统工作流程图
考虑到主机处理数据的实时性、监测计算机对设备状 态和控制命令的实时检测和传送, 二者的操作系统选择嵌 入式实时 Q NX 操作系统并采用 C+ + 编程语言完成相应 的功能。显控计算机选择 Window s NT 操作系统和 Visu al C+ + 6. 0 作为开发工具, W indow s NT 是 32 位商用操 作系统, 比较稳定、可靠, 并支持多进程和多线程开发, 可 以根据需要划分任务, 设置不同的优先级。
Highly reliable hot standby redundant system of computer
Wang Jianhong ( N o. 38 Research Institute of CET C, H efei 230031 )
Abstract: T he requirement of high reliabilit y in the electronic equipment s of m odern m ilitary af fairs and some important data collect ion syst ems plays a very im portant role. In t his paper redundant technology for im proving th e reliability of som e equips is summ arized. The design principle, system constitute and w ork t heory for the system , are des igned using redundant t echnology, and int roduced in detail. The project applies show s th at the st abilit y and reliability of t he system is improved obviously and th e w ork ing eff ection is satisf ied. T his syst em can be w idely applied in data collection, t he net w orks and the dat a exchantges syst ems etc. Keywords: highly reliable; redundant t echnology; system design
系统开机后各计算机进入工作程序, 默认主机 A 在 线工作, 监测计算机将相应的控制命令送给它, 但检测命 令主机 A 和主机 B 可同时收到。
图 6 为切换执行流程图。
2008 年 4 月 第 27 卷 第 4 期
3 结束语
本文介绍了一种高可靠性冗余系统, 充分利用现有的 计算机技术、网络技术等, 实现了故障的有效判断、隔离、 切换, 保障了系统的稳定运行。此外, 根据该系统设计的 基本原则, 对外接口也灵活多样, 并可在此基础上充分利 用网络冗余技术, 扩展系统。在经过大量试验的基础上, 已经取得了很大成效。实践证明: 本方案合理可靠, 运行 效果良好, 可应用于数据采集、计算机网络、数据交换等需 要计算机连续工作的场合。
参 考文 献
[ 1] 任巍 杜, 等. 机遇 组态 王环 境双 机 冗余 控 制系 统的 研 究 [ J] . 科学技术与工程, 6( 2) .
[ 2] M o x a etherdvice server user s manual[ Z] . 5th ed. 2004. [ 3] 石守东, 毛静芳. 惯性导航计 算机系统冗 余设计[ J] . 船 舶
图 2 网络冗余接线
2 高可靠性双机冗余系统
在分析了上述冗余技术后, 在此将主要讨论利用双机 热备份技术和网络冗余技术进行系统的设计。 2. 1 系统组成及功能
该系统主要由 2 台显示控制计算机、2 台工作主机、1 台监测计算机、1 台网络交换机组成( 可用 3 台组成冗余 环, 进行系统扩充) 。其中, 工作主机为自行开发的计算机
0引言
随着数字技术和计算机技术的不断发展和广泛应用, 使现代军用电子设备和某些特殊工作环境的监控系统逐 步实现智能化和信息化成为了可能。但要保证所选器件 和设备可 以构成 高可 靠性 系统, 一般 要采 用下 述一 些 技术:
( 1) 采用冗余备份技术, 使系统在出现故障时, 仍可以 保持正常工作。
图 4 系统组成框图
2. 2 设计的基本原则 ( 1) 具有智能化的切换方式, 系统根据监测计算机判
断的工作状态 自动 选择 通信 链路, 并可 用命 令切换 相 辅助;
( 2) 具有可靠的自检测功能[ 3] , 确保各功能的工作状 态如实反应, 使链路切换后可正常工作;
( 3) 采用软件化设计技术, 广泛采用软件处理方式, 替 代硬件功能, 完成相应的处理任务, 达到提高任务可靠性 的目的;
作者简介: 王建虹( 1978 ) , 女 , 工程师, 主要研究方向为设备终端。
42
中国科 技核心期刊
2008 年 4 月 第 27 卷 第 4 期
切换。 ( 3) 双机热备份技术: 该技术也即是目前通常所说的 act ive/ standby 工作
方式。Active 与 standby 设备具有相同的硬件配置并装 有相同的操作系统和工作软件, 且二者在正常工作时输入 和输出的数据及其软件协议均相同。当 active 设备出现 故障的时候, 通过软件检测将 standby 设备激活, 保证系 统在短时 间内完全 恢复 正常使 用。此技 术结 构如图 1 所示。
由系统组成框图可看出各计算机均可通过网络交换 信息, 且 2 块显示控制计算机与 2 块主机为网络节点备份
中国科 技核心期刊
43
研究与开发
工作方式, 这种分布式的工作特点可以使各计算机完全独 立的进行工作。对显控计算机而言, 二者同时接收来自主 机的数据, 同时输出所需显示的信息, 不需要故障判断和 切换, 在其中一台出现故障时均不影响另外一台的正常工 作, 并根据监测计算机回馈的系统工作状态进行相应的人 机交互。2 台主机作为一个功能单元, 也具有相同的输入 和输出配置, 二者的不同是通过分配给其不同的网络地址 来判断。显控计算机的干预命令送给监测计算机, 再由其 转送给在线工作的主机。监测计算机按其工作软件设置 的检测周期对两台主机的运行状况进行诊断, 一旦发现链 路中断或回馈的信息有误便自动切换到另一台主机进行 在线工作, 并将诊断结果送给显控计算机进行显示, 以便 操作人员及时发现问题并进行故障处理。
常用的冗余备份技术有[1] : ( 1) 单机冗余技术: 此技术以提高计算机自身可靠性为手段, 对组成计算 机的易损部件进行冗余设计。 ( 2) 双工备份技术: 此技术用 2 个完全相同的子部件, 一个处于联机工作 状态, 另一个处于等待状态。一旦联机工作的部件出现故 障, 备份部件便代替其工作。但联机工作出现故障及备份 部件的工作 需要相应的 监测软件进 行判断和工作 部件
( 4) 采用计算机网络技术, 提高整个系统中各计算机 的利用率, 并有利于系统的扩充和升级;
( 5) 采用大规模可编程芯片, 提高了系统处理能力和 灵活性, 降低了功耗, 增强了产品的可靠性;
( 6) 采用 嵌入式 计算机技术! 和 实时操作 系统技 术!, 提高系统的实时处理能力和软件的稳固性。 2. 3 工作原理
研究与开发
插件, 既具有常规计算机的所有功能, 又可与插件本身布 有的大规模可编程集成电路 EPLD 进行数据交换, 大大丰 富了主机的工作模式, 并增加了对外的接口形式, 为系统 更灵活的功能扩充提供了条件。主机的原理框图如图 3 所示。
图 3 主机原理框图
图 1 双机热备份技术结构框图
( 4) 网络冗余: 随着计算机网络技术的飞速发展, 网络通信已在大大 小小不同的系统中承担越来越重要的作用, 网络冗余技术 也便应运而生。这种技术一般是通过在网络交换机建立 冗余环[2] , 从而提供计算机数据的备份通道。图 2 所示的 网络冗余接线图, 便是其中的一种。图中所示的 3 台网络 交换机在遵循其相同的软件协议下组成冗余环, 在 seg m ent1、segment2 和 segm ent3 中任何一个出现接触 不良 或完全断开的情况下, 均不会影响整个网络中任何一台计 算机的通信, 设备会在毫秒级的时间内自动恢复。此外, 每个网络交换机也可与其他网络交换机进行级联操作。
( 2) 优化系统的故障检测( BIT E) 技术, 用最短的时间 将故障定位。
( 3) 研究快速恢复技术, 从而将问题尽快解决。 ( 4) 增加纠错和容错措施, 减少故障的出现。 其中, 冗余备份技术在网络维护、数据库数据存储及 各种重要数据采集和通讯中都得到了广泛的应用, 为提高 系统工作的可靠性起到了十分重要的作用。本文将介绍 一种基于冗余技术设计的数据采集及处理系统。
微机发展, 2005( 11) : 77 79. [ 5] 周春来. 控制电器智能设计方法研究[ D] . 天津: 河北工 业
大学, 2006. [ 6] 疏松桂. 控制系统可靠性分析与综合[ M ] . 北京: 科学出 版
社, 1992. [ 7] 姚敏, 赵敏. 基于数据融合的小卫 星温度测量 冗余设计 方
法[ J] . 仪器仪表学报, 2006, 27( 10) : 1266 1270. [ 8] 孙怀义. 冗余设计 技术与可 靠性关 系研究 [ J] . 仪器仪 表
学报, 2006, 28( 11) : 2089 2093. [ 9] 任晓荣, 赵福宇. 石油测井仪 器可靠性快 速评价方 法[ J] .
1 常用冗余备份技术
冗余备份, 其实就是备份的一种形式, 主要是为了不 使系统在工作中由于某中原因将重要的信息在通信中产 生中断, 避免造成重大的损失, 利用有效的手段切换到备 份的部件中。也就是重复配置系统的一些部件, 当系统发 生故障时, 冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作, 大大减少故障存在的时间, 从而保证系统的正常工作。
2 台显示控制计算机和 2 台工作主机均为冗余备份 设计。显示控制计算机处理并显示主机输出的有关数据 及信息, 是进行人机交互的窗口。主机完成数据的采集、 管理及传输功能。监测计算机用来诊断系统的工作状态, 从而进行通信链路的判断选择。网络交换机用于各计算 机间的数据交换。
系统的组成框图如图 4 所示。
仪器仪表学报, 2006, 27( 12) : 1729 1734. [ 10] 樊亚军. 智能节能 灯具控制器 [ J] . 电子 测量技术, 2006,
29( 4) : 55 57.
图 6 切换执行流程图
44
中国ຫໍສະໝຸດ Baidu 技核心期刊
研究与开发
2008 年 4 月 第 27 卷 第 4 期
一种高可靠性双机冗余系统的设计
王建虹 ( 中国电子科技集团公司第 38 研究所 合肥 230031)
摘 要: 现代军用电子设备和某些重要的数据 采集系统对设备的可靠性要求越来越高 , 本文 针对此情况 概述了几 种常用的冗 余技术, 并探讨了冗余技术对提高设备可靠性的重要作 用。研究 了利用冗余技术设计 的高可靠 性系统的设 计原则、系统组成 及工作原理等关键技术。通过实际工程应用, 明显提高 了系统 的稳定 性和可 靠性, 且该系 统运行 效果良 好, 可应用于 数据采 集、计算机网络、数据交换等需要计算机连续工作的场合。 关键词: 高可靠性; 冗余技术; 系统设计 中图分类号: T P311 文献标识码: A
图 5 为系统工作流程图。
图 5 系统工作流程图
考虑到主机处理数据的实时性、监测计算机对设备状 态和控制命令的实时检测和传送, 二者的操作系统选择嵌 入式实时 Q NX 操作系统并采用 C+ + 编程语言完成相应 的功能。显控计算机选择 Window s NT 操作系统和 Visu al C+ + 6. 0 作为开发工具, W indow s NT 是 32 位商用操 作系统, 比较稳定、可靠, 并支持多进程和多线程开发, 可 以根据需要划分任务, 设置不同的优先级。
Highly reliable hot standby redundant system of computer
Wang Jianhong ( N o. 38 Research Institute of CET C, H efei 230031 )
Abstract: T he requirement of high reliabilit y in the electronic equipment s of m odern m ilitary af fairs and some important data collect ion syst ems plays a very im portant role. In t his paper redundant technology for im proving th e reliability of som e equips is summ arized. The design principle, system constitute and w ork t heory for the system , are des igned using redundant t echnology, and int roduced in detail. The project applies show s th at the st abilit y and reliability of t he system is improved obviously and th e w ork ing eff ection is satisf ied. T his syst em can be w idely applied in data collection, t he net w orks and the dat a exchantges syst ems etc. Keywords: highly reliable; redundant t echnology; system design
系统开机后各计算机进入工作程序, 默认主机 A 在 线工作, 监测计算机将相应的控制命令送给它, 但检测命 令主机 A 和主机 B 可同时收到。
图 6 为切换执行流程图。
2008 年 4 月 第 27 卷 第 4 期
3 结束语
本文介绍了一种高可靠性冗余系统, 充分利用现有的 计算机技术、网络技术等, 实现了故障的有效判断、隔离、 切换, 保障了系统的稳定运行。此外, 根据该系统设计的 基本原则, 对外接口也灵活多样, 并可在此基础上充分利 用网络冗余技术, 扩展系统。在经过大量试验的基础上, 已经取得了很大成效。实践证明: 本方案合理可靠, 运行 效果良好, 可应用于数据采集、计算机网络、数据交换等需 要计算机连续工作的场合。
参 考文 献
[ 1] 任巍 杜, 等. 机遇 组态 王环 境双 机 冗余 控 制系 统的 研 究 [ J] . 科学技术与工程, 6( 2) .
[ 2] M o x a etherdvice server user s manual[ Z] . 5th ed. 2004. [ 3] 石守东, 毛静芳. 惯性导航计 算机系统冗 余设计[ J] . 船 舶
图 2 网络冗余接线
2 高可靠性双机冗余系统
在分析了上述冗余技术后, 在此将主要讨论利用双机 热备份技术和网络冗余技术进行系统的设计。 2. 1 系统组成及功能
该系统主要由 2 台显示控制计算机、2 台工作主机、1 台监测计算机、1 台网络交换机组成( 可用 3 台组成冗余 环, 进行系统扩充) 。其中, 工作主机为自行开发的计算机
0引言
随着数字技术和计算机技术的不断发展和广泛应用, 使现代军用电子设备和某些特殊工作环境的监控系统逐 步实现智能化和信息化成为了可能。但要保证所选器件 和设备可 以构成 高可 靠性 系统, 一般 要采 用下 述一 些 技术:
( 1) 采用冗余备份技术, 使系统在出现故障时, 仍可以 保持正常工作。
图 4 系统组成框图
2. 2 设计的基本原则 ( 1) 具有智能化的切换方式, 系统根据监测计算机判
断的工作状态 自动 选择 通信 链路, 并可 用命 令切换 相 辅助;
( 2) 具有可靠的自检测功能[ 3] , 确保各功能的工作状 态如实反应, 使链路切换后可正常工作;
( 3) 采用软件化设计技术, 广泛采用软件处理方式, 替 代硬件功能, 完成相应的处理任务, 达到提高任务可靠性 的目的;
作者简介: 王建虹( 1978 ) , 女 , 工程师, 主要研究方向为设备终端。
42
中国科 技核心期刊
2008 年 4 月 第 27 卷 第 4 期
切换。 ( 3) 双机热备份技术: 该技术也即是目前通常所说的 act ive/ standby 工作
方式。Active 与 standby 设备具有相同的硬件配置并装 有相同的操作系统和工作软件, 且二者在正常工作时输入 和输出的数据及其软件协议均相同。当 active 设备出现 故障的时候, 通过软件检测将 standby 设备激活, 保证系 统在短时 间内完全 恢复 正常使 用。此技 术结 构如图 1 所示。
由系统组成框图可看出各计算机均可通过网络交换 信息, 且 2 块显示控制计算机与 2 块主机为网络节点备份
中国科 技核心期刊
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研究与开发
工作方式, 这种分布式的工作特点可以使各计算机完全独 立的进行工作。对显控计算机而言, 二者同时接收来自主 机的数据, 同时输出所需显示的信息, 不需要故障判断和 切换, 在其中一台出现故障时均不影响另外一台的正常工 作, 并根据监测计算机回馈的系统工作状态进行相应的人 机交互。2 台主机作为一个功能单元, 也具有相同的输入 和输出配置, 二者的不同是通过分配给其不同的网络地址 来判断。显控计算机的干预命令送给监测计算机, 再由其 转送给在线工作的主机。监测计算机按其工作软件设置 的检测周期对两台主机的运行状况进行诊断, 一旦发现链 路中断或回馈的信息有误便自动切换到另一台主机进行 在线工作, 并将诊断结果送给显控计算机进行显示, 以便 操作人员及时发现问题并进行故障处理。
常用的冗余备份技术有[1] : ( 1) 单机冗余技术: 此技术以提高计算机自身可靠性为手段, 对组成计算 机的易损部件进行冗余设计。 ( 2) 双工备份技术: 此技术用 2 个完全相同的子部件, 一个处于联机工作 状态, 另一个处于等待状态。一旦联机工作的部件出现故 障, 备份部件便代替其工作。但联机工作出现故障及备份 部件的工作 需要相应的 监测软件进 行判断和工作 部件
( 4) 采用计算机网络技术, 提高整个系统中各计算机 的利用率, 并有利于系统的扩充和升级;
( 5) 采用大规模可编程芯片, 提高了系统处理能力和 灵活性, 降低了功耗, 增强了产品的可靠性;
( 6) 采用 嵌入式 计算机技术! 和 实时操作 系统技 术!, 提高系统的实时处理能力和软件的稳固性。 2. 3 工作原理
研究与开发
插件, 既具有常规计算机的所有功能, 又可与插件本身布 有的大规模可编程集成电路 EPLD 进行数据交换, 大大丰 富了主机的工作模式, 并增加了对外的接口形式, 为系统 更灵活的功能扩充提供了条件。主机的原理框图如图 3 所示。
图 3 主机原理框图
图 1 双机热备份技术结构框图
( 4) 网络冗余: 随着计算机网络技术的飞速发展, 网络通信已在大大 小小不同的系统中承担越来越重要的作用, 网络冗余技术 也便应运而生。这种技术一般是通过在网络交换机建立 冗余环[2] , 从而提供计算机数据的备份通道。图 2 所示的 网络冗余接线图, 便是其中的一种。图中所示的 3 台网络 交换机在遵循其相同的软件协议下组成冗余环, 在 seg m ent1、segment2 和 segm ent3 中任何一个出现接触 不良 或完全断开的情况下, 均不会影响整个网络中任何一台计 算机的通信, 设备会在毫秒级的时间内自动恢复。此外, 每个网络交换机也可与其他网络交换机进行级联操作。
( 2) 优化系统的故障检测( BIT E) 技术, 用最短的时间 将故障定位。
( 3) 研究快速恢复技术, 从而将问题尽快解决。 ( 4) 增加纠错和容错措施, 减少故障的出现。 其中, 冗余备份技术在网络维护、数据库数据存储及 各种重要数据采集和通讯中都得到了广泛的应用, 为提高 系统工作的可靠性起到了十分重要的作用。本文将介绍 一种基于冗余技术设计的数据采集及处理系统。