分布式存儲系統中動態主機發現協議的設計與實現——針對交通/治安卡口的應用

何志強，崔新會，鄭艷娟

HE Zhi-qiang,CUI Xin-hui,ZHENG Yan-juan

（河北金融學院 河北省科技金融重點實驗室，保定 071051）

0 引言

交通/治安卡口系統是運行在主干道路上，實現車輛抓拍、記錄同時負責違章檢測的監控系統。此類系統為無人值守運行，故其安全性和可靠性要求較高。本文作者結合自身的工程經驗，就目前的卡口系統存在的問題進行了分析，提出了基于現有系統實現分布式存儲的解決方法。

1 第一代高清卡口系統的運行現狀及問題

目前此類系統中主要為第一代高清卡口系統，是按照早期交通測速抓拍標準設計，經過多年運行后逐漸暴露出了問題。由于早期網絡覆蓋率低，卡口系統被設計為單機運行、人工現場管理的模式。目前公安網的覆蓋率有了顯著提高，卡口系統的網絡化成本顯著降低，如何充分利用網絡提高現有系統的效能成為亟待解決的問題。

由于單機卡口系統資源獨立，相互無法共享，且環境的差異使不同卡口負荷差別明顯，特別是存儲資源。由于卡口具備交通違法檢測功能，違法記錄保留時間較長，這些累積數據導致某些路段的系統存儲資源十分緊張。目前的卡口系統主機性能尚能滿足信息處理的要求，而存儲資源成為限制其效能發揮的主要因素。

2 網絡化條件下卡口系統的改進方案

為了適應網絡化環境，現有的系統可從架構和功能兩方面進行改造。其中架構上的改造思路是主機上收實現集群化管理，現場模塊全面IP化，在網絡中實施QOS策略。從架構上改進的方法最大化的利用了網絡，簡化了前端功能，優化了結構，提高了可靠性和資源利用率，但所有模塊均需重新設計，因而更適于新投入的項目。

圖1 采用分布式存儲技術互聯后的卡口系統

功能上改進可以以現有的卡口為基礎，針對矛盾最突出的存儲資源問題，通過分布式存儲技術實現主機間存儲資源共享。如圖1所示，分立的卡口系統通過網絡實現存儲資源共享，還可使用專用存儲主機，使存儲資源擴充更加靈活。采用分布式存儲體系后的卡口主控軟件結構如圖2所示，相比其他改進方式，此方式只需修改存儲訪問層，是現有系統升級的最佳方案之一。

圖2 采用分布式存儲體系后的卡口主控機軟件體系結構

由于分布式存儲運行過程中，網絡資源的可用性的不確定性很大，這要求該系統應具有主機信息的自動匯總、更新和分發能力，故需要設計一個能夠實現卡口主機之間相互自主發現的動態主機發現協議（Dynamic Host Discover Protocol,簡稱DHDP）。

3 動態主機發現協議的功能分析

為了使主機間能夠自主發現，同時能夠保證系統的強壯性，DHDP應具備自主性、快速性和較低的帶寬需求性等特點，針對這些需求，筆者從如下兩個角度入手進行了設計。

1）廣播與單播

為了實現主機間相互發現，最簡單的方法是利用廣播。在主機數量較少的時候，所有主機參與廣播是可以接受的，但隨著主機數量的增加，此方式易引起廣播風暴，因此在DHDP中應盡量限制廣播的使用。從實現的角度分析，沒有廣播的觸發會導致DHDP協議計算出現死鎖，尤其是在新主機加入或處于初始態下會出現死鎖。理論上任一主機發出廣播均可使其他主機發現其存在，即部分主機的廣播即可打破死鎖，使協議完成計算。因此筆者將主機廣播設計成采用p堅持算法的策略，即按概率p堅持是否發出廣播，這樣既可在有效減少廣播的同時保證協議計算能夠完成。

2）主機的角色

當主機能夠相互發現后，分布式存儲就具備了運行條件。但若沒有信息更新的話，該體系將是脆弱的，例如有主機故障退出時，若其不可達信息未通告的話就會導致出錯，因此DHDP要能快速收斂。純對等模式很難實現快速收斂，因此主機信息的匯總和分發應采用C/S模式，即有專門主機負責信息匯總、輪詢，及時發現并通告不可達主機。負責信息匯總的主機被稱為“根主機”（簡稱根）和“備份根主機”。由于根除了信息匯總、通告外，還要承擔卡口監控任務，故一般由性能高且負荷輕的主機擔任。

4 DHDP協議的狀態機實現

DHDP協議的關鍵問題是根的確定。筆者將DHDP協議狀態機設計如圖3所示，可直接按狀態機偽碼編程實現協議，狀態機轉換過程及原理描述如下：

圖3 動態主機發現協議狀態機

4.1 初始狀態

假設某主機未加入DHDP協議體系，該主機會依概率p堅持廣播DHDP協議數據單元（Dynamic Host Discover Protocol Unit， 簡 稱DHDPU）；若依概率p選擇不廣播，則會啟動定時器，等待其他節點的報文，若超時后未收到報文則會重新嘗試廣播。在概率p取值合理的情況下，網絡中只有少數主機會發送廣播，在實現協議計算的同時廣播得到了有效抑制。p堅持算法結合定時器的設計還可以在新主機在加入已收斂的網絡時完成協議計算的觸發。

4.2 狀態機過渡過程

如前所述，DHDP協議的根應由性能好且負荷小的主機擔任，因此根的選舉在實現自動化的同時也要接受人工干預。本文采用了“可管理優先級”方式實現根選舉的管理，優先級采用“優先級字段+IP地址”作為主機優先級取值，其中優先級字段為1字節，占據優先級值的高8位；優先級值的低32位為主機IP，優先級值越小則其優先級越高。在無人工干預的情況下，優先級字段默值為0xff，這樣IP地址最小的主機將成為根。當希望某主機成為根時，只需修改其優先級字段即可。

從圖3的狀態機可見，初始態可能是在體系結構完全沒有計算的狀態下，如狀態I，該主機依概率p發出廣播報文后，可能收到其他主機的報文，此時該主機做優先級對比，若該主機為已知的最高優先級，則將過渡至狀態K，在定時器控制下等待更高優先級回應，若未收到更高優先級回應，該主機將成為根。成為根后，該主機會選擇次高優先級主機作為備份根，并將自身匯總的主機信息發送至備份根，同時將主機信息選擇分發給普通主機。若該主機收到更高優先級回應，則會放棄“擬根主機”并對最高優先級主機回應。

若該主機由狀態D過度到狀態E，即有來自根的回應，說明現有的協議體系已經完成了收斂。在加入時，該主機與根比對優先級值，若自身優先級比現有的根優先級高則新主機將會代替原有的根并重新指定備份根（狀態G）；若新主機優先級較根優先級低，則成為普通主機（狀態H），根主機會通告新主機加入。

4.3 協議的實施

根會監聽網上的應答報文，準備新主機加入或根主機交接。因此，DHDP協議在實施過程中，暫定的根主機僅作為過渡角色將很快被取代的話，則該主機的優先級字段不能夠取最高值——0x00，而應取一個較低值如0xfd以保留升級空間。

在協議數據格式方面，由于協議報文肩負著主機角色的分配任務，因此該協議報文必須包含優先級字段，以實現主機間的優先級比對；協議數據報文還應能反映主機角色；為了區分不同主機間的報文應答關系，應有SYN字段用以容納報文序號，應有ACK字段用于與SYN序號對應；為了今后升級需要，單元中還應提供保留字段；同時協議報文還要承擔協議體系中主機信息的更新、根的遷移、備份根指定等不同用途的協議報文，因此DHDP協議報格式如圖4所示。

圖4 協議報文格式

5 結束語

本文分析了交通/治安卡口系統的工作特性，及現有的系統在網絡化形勢下亟需改進的問題，提出了在此類系統中采用分布式存儲的解決方案，針對此類系統的運行環境設計了一套適用于此類主機網絡的動態主機發現協議DHDP，實現了協議體系中主機的動態發現和管理，能夠實現未來系統的無縫升級。由于本協議針對的應用目標群為中小規模的專用網絡，因此協議體系采用了扁平的運行模式，當此協議應用到大規模系統中時，可能會遇到根主機負載過大的情況。DHDP協議的分布化設計將是我們下一步需要研究的內容。

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