服務器管理系統雙機熱備管理軟件的設計與實現

摘要:首先介紹了雙機熱備的原理，并著重分析了服務器中雙機熱備軟件的通訊機制，程序架構以及軟件的具體的實現方法。通過服務器的運行實驗結果表明，所設計的程序不僅可以實現服務器中雙機熱備的主要功能，并具有良好的穩定性和高效性。

關鍵詞:雙機熱備;服務器管理;通訊路徑;心跳檢測

中圖法分類號:TP31文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)33-9419-03

Hot Standby Management Software Design and Implementation of Server Management System

ZHANG Lei， LI Yu-long， HU Lei

(Lanzhou Jiaotong University， College of Electronics and Information Engineering， Lanzhou 730070， China)

Abstract: The first introduced the principle of two-node cluster and focused analysis of two-node cluster server software communication mechanisms， procedures and software architecture specific implementations. Through the server running experimental results show that the process is designed not only to achieve two-node cluster spare server main function， and has good stability and efficiency.

Key words: two-node cluster; server management; communication path; heartbeat detection

1 雙機熱備的定義及原理

1.1 傳統雙機熱備的定義及原理

雙機熱備即目前通常所說的active/standby方式。雙機熱備是近年來服務器端的安全性、可用性的一次重大革命。從以前加大的硬件可用性，到現在的雙機要備用，來保證服務器的不停機運行，是高可用性的一次重大的進步。

雙機熱備原理:是當一臺服務器在工作時(稱為主機)。另一臺服務器處于備用狀態(稱為備機)。當主機因為某種原因出現故障，如死機，主機斷電，病毒發作，硬盤損壞等，不能繼續提供服務時，備用機能夠在規定的時間內接替主機的服務，繼續提供服務，從而使始終服務處于不停機狀態。

1.2 服務器內部雙機熱備的定義

與傳統的雙機熱備管理相比，服務器內部的雙機熱備管理軟件具有同樣的原理，并且又有其自身的特點。在大型的單一服務器設備中，比如刀片式服務器，一般都會作為重要的存儲及計算設備應用于企業網絡服務中，在加上其結構比較復雜，所以，服務器里面的管理軟件擔負了較為重要的責任。不僅要監控服務器中各個不同模塊的狀態，還要負責控制電源，散熱等具體操作。這時候，如果只有一個管理模塊，當其中出現某種問題時，很容易失去管理作用，這時候服務器就會因為沒有冗余管理而喪失作用。給應用服務帶來巨大的傷害。雙機熱備管理模塊的應用可以很好的解決上述問題。

2 雙機熱備管理軟件的策略設計

2.1 雙管理模塊的硬件結構

雙管理模塊在服務器中管理整個系統設備運行，可以是實現對服務器開關機，監控服務器中電源，散熱系統，存儲系統，以及最為關鍵的主板的運行及狀態控制。雙管理模塊就是指在一個服務器配備兩個管理模塊，在兩個管理模塊中運行同樣的管理軟件。這兩個管理模塊一個為主，一個為從。主管理模塊在插入機箱時由硬件在具體的位置上實現，并通過相應接口來通知運行軟件，實現主管理模塊對服務器系統的控制。而從管理模塊通過插入相應的模塊位置后，監聽整個系統的運行，并在主管理模塊出現問題的時隨即成為主管理模塊，來接替主管理模塊完成對系統的管理。

2.2 雙管理模塊的軟件結構

2.2.1 雙機熱備軟件原理

雙機熱備軟件首先提供了一個完全容錯的軟件解決方案，并提供數據、應用程序和通信資源的高度可用性。不需要任何特別的容錯硬件就能夠自動地提供錯誤檢測和快速有效的主備倒換。

雙管理模塊中分別運行了兩套完全一樣的管理系統軟件。如果服務器中單獨使用任何一個管理模塊，都可以獨立的對系統進行管理。當同時插入兩個管理模塊時，管理模塊軟件中雙機熱備部分的軟件就會根據硬件采集的信號，來決定哪一個為主，同時，另外一個就為從。

2.2.2 通訊策略

雙機熱備管理軟件的通訊策略采用心跳故障檢測(Heartbeat)，也就是通過通信信號，也叫做心跳信號，作為主從管理軟件的通訊機制。即通過每一個通信路徑，在兩個對等系統之間進行周期性的握手，如果連續沒有收到的心跳信號到了一定的數目，則表示這一條通訊線路出現了問題，從而把這一條線路標記為失效。如果只定義了一條通信路徑，當程序把這唯一的一條通信路徑標為失效時，從管理模塊便可判定主管理模塊出現了異常，從而啟動自己的管理進程來實現主從的切換。

然而，如果只用一條通訊線路的話，則會具有一定的錯誤風險，比如通訊線路的物理損壞，人為工作中的誤操作等。這時候，冗余線路就十分的有效。當一條通訊線路沒有心出現跳信號時，第二條路徑則能夠確定是系統故障還是通信路徑有問題。多種通信路徑可以幫助避免不必要的失效切換，減少因為錯誤的主備倒換帶給整個服務器帶來不必要的風險。

在這里，我們使用兩條完全獨立的通訊線路來實現心跳檢測。

1) 網絡socket，即套接字。使用支持TCP/IP的通訊協議網絡硬件接口。

2) 串行口。

例如，如果兩個服務器被一個串口連接起來，并且，從屬服務器來的心跳信號無法被主模塊管理軟件所檢測到，則下面之一可能是引起這一現象的原因:服務器的RS-232卡或者端口失敗，電纜失效，主管理軟件暫時掛起，主管理軟件運行失敗，失效切換只可能在最后一種情況下才發生。

3 雙機熱備軟件具體實現

3.1 整體的運行機制

雙管理模塊根據插入的槽位位置，自動選擇成為主或從管理模塊。嵌入式linux系統運行后，負責雙擊熱備的軟件程序開始運行，會根據主從來選擇不同的運行級別。分別轉換為主為active，從為standby的狀態，通過串口和網絡兩路通訊監聽彼此的運行狀態，在這里我們采用多線程編程來實現程序架構。

3.2 程序具體實現

程序的實現主要包含以下幾個部分

1) 共享內存的初始化

共享內存的創建主要是為了實現管理系統在運行過程中系統信息的存儲。這些信息包括系統現在的運行狀態，以及服務器運行過程中各種配置參數的更改。當主管理軟件出現異常時，可以實現從管理模塊的無縫鏈接。服務器的各種信息，如電壓，溫度，以及運行及異常狀態均會存儲在共享內存中，并通過串口監聽進行相互通訊。

2) 串口的創建及運行

首先對串口進行初始化操作，包括串口類型的選擇，各項參數的具體配置。然后是對串口的讀寫操作功能的實現。根據主從管理模塊的不同，對串口進行相應的操作。

3) socket的創建及初始化

socket通常也稱作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄。主從管理模塊軟件程序通常通過“套接字”向網絡發出請求或者響應網絡請求。在連接成功時，應用程序兩端都會產生一個Socket實例，操作這個實例，完成所需的會話。

4)系統主進程的創建

通過硬件GPIO機制設置主從模塊，由主進程選擇系統運行，并開始雙模塊的的循環監聽。

5)心跳檢測程序的創建與運行。

3.3 雙機熱備軟件邏輯處理過程

圖3為雙機熱備程序的邏輯處理過程:主從管理模塊通過socket和serial進行多線程循環監控。

4 程序運行結果及分析

服務器通電后，管理系統開始運行。這時，主管理模塊能夠順利執行這個服務器的管理任務。同時，從管理模塊則運行雙機熱備程序，負責監控主管理模塊的運行狀態。當串口和網絡兩路信號均出現異常時，從管理模塊管理軟件開始運行，負責管理整個服務器。在主備轉換的過程中，服務器的有效信息會因為在雙機熱備的共享內存中有所備份，完全可以保證系統持續、穩定地運行。

5 總結

對于日益承擔企事業單位核心業務的服務器系統來說，數據的高可用性和系統的連續運轉能力極其重要，作為實時服務與數據保護解決方案，雙機熱備軟件提供了數據的高可用性、系統異常時的自動切換。但是在雙機熱備過程中數據的恢復還需要進一步的研究，如何提高數據倒換的有效性和可用性，以及系統主從切換效率等方面還需要做進一步的優化研究。并且，在采用通訊鏈路這一點上，也可以做到更有效的采用MAC地址的方式，在提高通訊機制以及數據傳輸準確性上也需做進一步研究。

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