復(fù)雜通信設(shè)備關(guān)鍵板卡熱備份技術(shù)研究與應(yīng)用*

胡 鵬，康 敏，施彥媛

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和高帶寬需求，通信設(shè)備往大容量、高性能發(fā)展。現(xiàn)代高性能通信設(shè)備一般是基于分布式處理的體系架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)備內(nèi)部由多個功能相對獨立的板卡組成，這些板卡在軟硬件設(shè)計、功能實現(xiàn)上均很復(fù)雜[1]，在一定程度上增加了故障發(fā)生率，為了將故障對通信網(wǎng)絡(luò)的影響降低到最小，通過關(guān)鍵板卡熱備份技術(shù)來提高核心設(shè)備的可靠性。本文提出了一套高效易用的熱備份機(jī)制（HSP，Hot Standby Protocol），能夠在保證不影響業(yè)務(wù)處理前提下，平滑排除故障，恢復(fù)正常功能[2]。

1 熱備份通信機(jī)制現(xiàn)狀分析

目前，設(shè)備熱備份機(jī)制沒有標(biāo)準(zhǔn)可供遵循，基本都是按設(shè)備應(yīng)用場景具體情況進(jìn)行設(shè)計，總的來說主要可以分為以下兩種方式。

方式1：基于存儲設(shè)備方式，兩臺需要熱備的設(shè)備使用共享存儲設(shè)備，兩臺服務(wù)器可以采用主備、并行等不同的運(yùn)行方式。但是在基于共享存儲設(shè)備方式中，存在存儲設(shè)備故障問題。

方式2：基于數(shù)據(jù)復(fù)制設(shè)備方式，兩臺服務(wù)器將數(shù)據(jù)實時復(fù)制到另外一臺服務(wù)器上，服務(wù)器上都存有數(shù)據(jù)，如果一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障，則可以切換到另外一臺服務(wù)器。但是沒有共享存儲設(shè)備軟件，針對不同的應(yīng)用場景，單獨設(shè)計不同的熱備通信架構(gòu)，接口眾多且格式不統(tǒng)一，新增功能對整個系統(tǒng)影響大，擴(kuò)展性差，無法滿足復(fù)雜通信設(shè)備的要求。

2 設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

復(fù)雜通信設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，設(shè)計有多種功能板卡。例如，網(wǎng)管板支持將整機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳給網(wǎng)管服務(wù)器；主控板進(jìn)行整機(jī)控制管理，交換板用于信令業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；信令板完成信令協(xié)議處理等。各個板卡之間存在大量通信信息交互，其中主控板[3]、交換板、信令板是整個設(shè)備中的核心板卡，如果核心板卡一旦出現(xiàn)故障，則整個通信設(shè)備處于不工作狀態(tài)，因此將核心板卡設(shè)計為主備板卡，確保某一塊板卡出現(xiàn)故障后自動切換到另外一塊進(jìn)行工作。

圖1 復(fù)雜通信設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過研究現(xiàn)有的熱備份機(jī)制[4]發(fā)現(xiàn)其存在不足，并不能有效的實現(xiàn)此功能，我們需要對基于存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)復(fù)制等熱備技術(shù)加以改進(jìn)，形成一套用于復(fù)雜設(shè)備的關(guān)鍵板卡熱備份有效機(jī)制（HSP），實現(xiàn)整機(jī)設(shè)備功能高效可靠運(yùn)行。

復(fù)雜通信設(shè)備中各熱備板卡的動態(tài)插拔、自動切換、數(shù)據(jù)熱備同步等消息均通過下層的HSP服務(wù)框架進(jìn)行傳遞，從而實現(xiàn)板卡的熱備和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3 熱備份技術(shù)

HSP提出的主要目的是向上層應(yīng)用屏蔽通信設(shè)備內(nèi)部物理連接關(guān)系，不用關(guān)心提供的服務(wù)模塊在那塊板卡上以及通過什么物理接口，各板卡可通過靈活配置支持不通的功能。HSP相關(guān)術(shù)語定義如下。

模塊標(biāo)識：HSP實體提供服務(wù)的標(biāo)識，每類模塊唯一分配一個模塊標(biāo)識，供應(yīng)用協(xié)議調(diào)用。

服務(wù)主用者：提供HSP服務(wù)的主用實體，簡稱主用者。

服務(wù)備用者：提供HSP服務(wù)的備用實體，簡稱備用者。

通信對等體：進(jìn)行熱備份通信的主用者與備用者，主用者模塊標(biāo)識號與備用者模塊標(biāo)識號是一一對應(yīng)關(guān)系。

熱備項：每個模塊標(biāo)識下注冊的不同數(shù)據(jù)同步項。

3.1 協(xié)議架構(gòu)

關(guān)鍵板卡熱備份技術(shù)通過自定義協(xié)議操作[5]，根據(jù)上層應(yīng)用的熱備需求，為應(yīng)用預(yù)分配動態(tài)、靜態(tài)同步熱備項標(biāo)識，建立起對等體間的主備同步關(guān)系，為對等體間傳輸數(shù)據(jù)提供傳輸通道。其協(xié)議架構(gòu)如圖2所示，為上層應(yīng)用提供相應(yīng)的注冊接口、數(shù)據(jù)同步調(diào)用接口，向下直接使用鏈路層協(xié)議承載，屏蔽下層通信細(xì)節(jié)，為上層應(yīng)用協(xié)議完成信息收發(fā)。

3.2 協(xié)議報文格式

熱備份協(xié)議通過收發(fā)HSP消息實現(xiàn)。HSP協(xié)議采用鏈路層協(xié)議作為下層傳輸機(jī)制。HSP消息由消息頭和消息體構(gòu)成。消息頭格式如圖3所示。

VER：HSP協(xié)議版本。

MODULE：上層應(yīng)用注冊的模塊ID，主用者與備用者一一對應(yīng)。

TYPE：標(biāo)識HSP不同的報文類型。不同的報文，消息體的內(nèi)容不同。

OPT：保留字段。

圖2 熱備份技術(shù)在協(xié)議體系的位置

圖3 HSP報文格式

SEQ：基于報文的遞增數(shù)，可用于區(qū)分不同的消息。

ID：模塊下進(jìn)行數(shù)據(jù)熱備的熱備項號。

SUB_ID：每個熱備項下的熱備子項號。

LEN：用于標(biāo)識熱備負(fù)載消息長度。

3.3 協(xié)議報文類型

HSP協(xié)議包括14個自定義的消息數(shù)據(jù)報文，分別為請求同步數(shù)據(jù)消息（SynAsk），請求同步數(shù)據(jù)確認(rèn)消息（SynAskCon）,同步數(shù)據(jù)消息（Syn）,同步數(shù)據(jù)確認(rèn)消息（SynCon），同步數(shù)據(jù)完成消息（SynDone）,同步數(shù)據(jù)完成確認(rèn)（SynDoneCon）,同步數(shù)據(jù)全部接收消息（SynAllRecv）,同步數(shù)據(jù)全部接收確認(rèn)消息（SynAllRecvCon）,同步增量數(shù)據(jù)消息（SynNew）,同步增量數(shù)據(jù)確認(rèn)消息（SynNewCon）,同步增量數(shù)據(jù)完成消息（SynNewDone）,同步增量數(shù)據(jù)完成確認(rèn)（SynNewDoneCon）,同步業(yè)務(wù)消息（SynTra）,同步業(yè)務(wù)確認(rèn)消息（SynTraCon）。

SynAsk由備用者發(fā)送，備用者根據(jù)上層應(yīng)用注冊的模塊ID以及數(shù)據(jù)熱備項，每一個熱備項均向主用者發(fā)送請求同步數(shù)據(jù)消息。

SynAskCon由主用者發(fā)送，對備用者發(fā)送的請求同步項消息進(jìn)行確認(rèn)，判斷當(dāng)前熱備項是否存在。

Syn由主用者發(fā)送，主用者將每個數(shù)據(jù)熱備項內(nèi)容進(jìn)行封裝發(fā)送到備用者。

SynCon由備用者發(fā)送，備用者接收解析同步數(shù)據(jù)內(nèi)容后向主用者發(fā)送確認(rèn)消息。

SynDone由主用者發(fā)送，主用者收到備用者發(fā)送的數(shù)據(jù)同步確認(rèn)消息后，判斷本模塊下熱備項是否同步完成，同步完成之后向備用者發(fā)送本模塊數(shù)據(jù)同步完成消息。

SynDoneCon由備用者發(fā)送，備用者收到此消息后判斷備用者本模塊下是否熱備項完成，完成則向主用者發(fā)送確認(rèn)消息。

SynAllRecv由備用者發(fā)送，備用者判斷本板卡下所有模塊熱備項均完成，則向主用者發(fā)送此消息。

SynAllRecvCon由主用者發(fā)送，主用者收到此消息后確認(rèn)所有數(shù)據(jù)已經(jīng)同步完到備用板。

SynNew由主用者發(fā)送，主用者將前階段同步數(shù)據(jù)過程中產(chǎn)生變化的數(shù)據(jù)通過此同步增量數(shù)據(jù)消息同步到備用板。

SynNewCon由備用者發(fā)送，備用者接收解析增量同步數(shù)據(jù)內(nèi)容后向主用者發(fā)送確認(rèn)消息。

SynNewDone由主用者發(fā)送，主用者收到備用者發(fā)送的同步增量數(shù)據(jù)確認(rèn)消息后，判斷本模塊下其它熱備項是否完成，同步完成之后向備用者發(fā)送本模塊增量數(shù)據(jù)同步完成消息。

SynNewDoneCon由備用者發(fā)送，備用者收到此消息后判斷備用者本模塊下熱備項同步增量數(shù)據(jù)是否完成，完成則向主用者發(fā)送確認(rèn)消息。

SynTra由主用者發(fā)送，數(shù)據(jù)同步完成之后，在運(yùn)行過程中當(dāng)主用者數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化，則通過此消息向備用者同步變化數(shù)據(jù)。

SynTraCon由備用者發(fā)送，備用者接收解析同步數(shù)據(jù)內(nèi)容后向主用者發(fā)送確認(rèn)消息。

3.4 協(xié)議流程

熱備份實體互操作流程如圖4所示，主要過程分為4個階段—主備發(fā)現(xiàn)、靜態(tài)同步、靜態(tài)增量同步、動態(tài)同步。

3.4.1 主備發(fā)現(xiàn)

板卡上電后，由其它軟件模塊從硬件讀取當(dāng)前板卡主備狀態(tài)，并調(diào)用熱備份模塊中指定的主備函數(shù)接口來通知熱備份模塊當(dāng)前工作主備狀態(tài)。

運(yùn)行過程中，通過定時器監(jiān)測板卡硬件主備狀態(tài)，并調(diào)用主備函數(shù)接口來通知熱備份模塊當(dāng)前工作主備狀態(tài)，確保板卡切換后熱備份工作正常。

3.4.2 靜態(tài)同步

靜態(tài)同步發(fā)生在軟件模塊初始化階段，此過程主要目的是將主用板卡上相關(guān)軟件模塊的狀態(tài)信息同步到備用板卡上對應(yīng)的軟件模塊，使得兩者之間的狀態(tài)信息完全同步，保障備用板卡上軟件模塊可以在此狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4.3 靜態(tài)增量同步

靜態(tài)增量同步發(fā)生在軟件模塊初始化階段，主要目的是將靜態(tài)同步階段中，主用板卡軟件模塊產(chǎn)生變化的狀態(tài)信息再一次同步到備用板卡上對應(yīng)軟件模塊，使得兩者之間的狀態(tài)信息完全同步，此過程同步時間相對于靜態(tài)同步時間大大減少。

3.4.4 動態(tài)同步

動態(tài)同步發(fā)生在軟件模塊正常運(yùn)行過程中。此過程主要目的是將主用板卡在運(yùn)行過程中產(chǎn)生或改變的狀態(tài)信息及時同步到備用板卡上，以使得備用板卡與主用板卡的狀態(tài)時刻保持一致。保證備用板卡上軟件模塊可以在此狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5 協(xié)議狀態(tài)機(jī)

3.5.1 主用者狀態(tài)機(jī)

HSP主用者在靜態(tài)同步、靜態(tài)增量同步過程中有4個狀態(tài)，分別是S_NON、S_SND1、S_SND2、S_DON2。如圖5所示：

S_NONE：主用者初始狀態(tài)。

S_SND1：發(fā)送靜態(tài)數(shù)據(jù)狀態(tài)。主用者向備用者發(fā)送同步數(shù)據(jù)消息后，從S_NONE狀態(tài)進(jìn)入該狀態(tài)。當(dāng)備用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_SND2：發(fā)送靜態(tài)增量數(shù)據(jù)狀態(tài)。主用者向備用者發(fā)送同步增量數(shù)據(jù)消息后，從S_SND1狀態(tài)進(jìn)入該狀態(tài)。當(dāng)備用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_DON2：靜態(tài)增量數(shù)據(jù)完成狀態(tài)。主用者收到備用者發(fā)送的同步增量數(shù)據(jù)確認(rèn)消息后，從S_SND2狀態(tài)進(jìn)入該狀態(tài)。當(dāng)主備切換、備用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

圖4 HSP熱備實體互操作流程

圖5 HSP主用者狀態(tài)機(jī)

3.5.2 備用者狀態(tài)機(jī)

HSP備用者在靜態(tài)同步、靜態(tài)增量同步過程中有6個狀態(tài)，分別是S_NON、S_ASK、S_REV1、S_DON1、S_REV2、S_DON2。如圖6所示。

S_NON：備用者初始狀態(tài)。

S_ASK：請求狀態(tài)。備用者向主用者發(fā)送請求同步數(shù)據(jù)消息后。從S_NONE狀態(tài)進(jìn)入該狀態(tài)。當(dāng)主用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_REV1：收靜態(tài)數(shù)據(jù)狀態(tài)。備用者收到主用者發(fā)送的同步數(shù)據(jù)消息后。從S_ASK狀態(tài)進(jìn)入該狀態(tài)。當(dāng)主用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_DON1：靜態(tài)數(shù)據(jù)完成狀態(tài)。備用者收到主用者發(fā)送的同步數(shù)據(jù)完成消息后，從S_REV1狀態(tài)進(jìn)入該狀態(tài)。當(dāng)主用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_REV2：收靜態(tài)增量數(shù)據(jù)狀態(tài)。備用者收到主用者發(fā)送的同步增量數(shù)據(jù)消息后，從S_DON1狀態(tài)進(jìn)入該狀態(tài)。當(dāng)主用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_DON2：靜態(tài)增量數(shù)據(jù)完成狀態(tài)。備用者收到主用者發(fā)送的同步增量數(shù)據(jù)完成消息后，從S_REV2狀態(tài)進(jìn)入該狀態(tài)。當(dāng)主備切換、備用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

圖6 HSP備用者狀態(tài)機(jī)

4 結(jié)語

關(guān)鍵板卡熱備份技術(shù)支持復(fù)雜通信設(shè)備在保證不影響業(yè)務(wù)處理前提下，平滑排除故障，自動切換恢復(fù)正常功能。能夠大幅提高通信設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性，進(jìn)而提升整個通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、可靠性。同時熱備份技術(shù)具備智能化設(shè)計思想、對外接口統(tǒng)一、模塊化和擴(kuò)展性好等特點，在多個設(shè)備上已推廣使用。