矩陣KVM與延長切換設備在空管行業(yè)的應用

阮冠寧

（民航中南空管局空管設備應用技術開放實驗室，廣東 廣州 510000）

0 引 言

根據廣州白云機場3期塔臺建設規(guī)劃，為了使管制員有更好的工作環(huán)境，管制席位采用人機分離方式，將各個席位的終端主機下沉，建設部署1套基于內核的虛擬機（Kernel-based Virtual Machine，KVM）矩陣系統，含雙機熱備份主機、擴展器、控制模塊等，實現系統席位跨多平臺的顯示器共享[1]。

1 空管塔臺延長切換設備應用背景

按照塔臺管制現場運行設備配置要求，管制席位基本配置為監(jiān)視類設備、通信類設備、輔助類設備，平均每個管制席位配置3～6個顯示屏、多個系統席位終端以及多個鍵鼠套裝。管制現場多個系統終端同時運行會產生較大的噪聲，導致環(huán)境溫度上升，不利于設備工作。此外，過多的顯示器、主機會影響到席位桌空間布局，不利于后期設備的添加，影響管制員使用[2]。

2 延長切換設備種類

2.1 矩陣KVM

為了有效管控服務器，實現多人同時對多臺服務器進行管理，矩陣KVM切換器應運而生。矩陣KVM需與KVM發(fā)射器和KVM接收器配合使用，通過設置相關配置采用主備機運行模式，實現人機分離、管制業(yè)務資源的快速有效組織和調用。矩陣KVM均需提供直觀的監(jiān)控管理工具，具備聲光告警、日志記錄、Excel文件導出以及歷史查詢等功能[3]。常見的KVM矩陣設備如圖1所示。

圖1 KVM矩陣設備

2.2 KVM發(fā)射器

KVM發(fā)射器用于終端設備的音視頻輸入輸出、USB2.0以及RS232串口等的接入，提供2路光纖分別連接到主、備矩陣或對端KVM接收器。根據具體要求提供特定的接口板卡，支持雙路供電[4]。

2.3 KVM接收器

KVM接收器用于將KVM發(fā)射器接入信號延伸到遠端的信號輸出、控制設備（顯示器、打印機等），提供2路光纖分別連接到主、備矩陣或對端KVM接收器。根據具體要求提供特定的接口板卡，支持雙路供電[5]。

3 矩陣KVM的應用優(yōu)點

矩陣KVM集智能化、模塊化、可擴充性于一體，KVM解決方案可以讓多位用戶在任何地點、任何時間訪問數以千計的服務器和網絡設備，同時具備日志記錄、多層次用戶權限安全管理等功能[6-10]。通過人機分離的操作模式，在監(jiān)控室就可以很方便地管理機房設備。KVM集中管理達到跨平臺的硬件級水平，能夠有效克服普遍管理軟件不能跨平臺、占用服務器進程等缺點。通過應用矩陣KVM可以免除不必要的外圍設備，為新增加的服務器等設備主機騰出大量的空間，同時避免因設備搬遷而造成的服務停頓。由1套KVM組成的控制臺便可登錄所有的設備主機，不同人員可以通過不同的控制臺管理各自的設備主機，互不干擾。通過操作模式的選擇，有利于多個管理人員協同工作，方便排除故障和系統演示。矩陣KVM不僅大大降低了機房線架布線的復雜性，而且有利于機房的整齊規(guī)劃，基于強大的用戶管理功能，提升了機房整體的分析和管理水平。

矩陣KVM切換器至用戶終端通過網絡連接，在帶寬得到保證的情況下，可以實現1個控制中心管理多個機房的目標。集中、安全地管理服務器，不必擔心進出機房所帶來的不安全因素，在操控室便能對機房的設備主機進行集中管理，確保了機房的安全。主機的切換獨立于網絡，不會占用網絡資源，具有遠程維護的擴展功能。KVM設備可級聯擴展，輕松擴容到幾百個連接端口，滿足各類機房的遠程操控需求。對于廣州白云機場3期塔臺中的機房，使用KVM系統可以節(jié)省機房空間，便于操作與管理。

4 延長切換設備配置方案

4.1 小矩陣切換器互為主備配置

該方案計劃采用8口或16口的小型矩陣作為核心設備，每個席位單獨使用矩陣核心設備，席位之間互不干擾。

該方案優(yōu)點包括：（1）能夠實現主備系統的切換，當主用矩陣故障時，信號切換至備用矩陣，保證業(yè)務不中斷；（2）KVM矩陣值班人員可通過網管實時監(jiān)控，了解矩陣狀態(tài)和各系統主機信號的輸入輸出狀態(tài)；（3）所有KVM矩陣主機配置一致、備件配置一致，矩陣的備件可直接替換矩陣主機；（4）可使用KVM矩陣滑屏功能，減少管制現場的鍵鼠套裝數量；（5）KVM主備矩陣負責1個管制席位，在日常配置與管理中只對1個管制席位進行設置，不會對其他席位產生影響。

該方案缺點包括：（1）當任意系統主機故障時，需要值班人員更換冷備主機才能恢復業(yè)務，造成業(yè)務中斷時間過長；（2）該架構無法直接將備機接入系統，無法保證備機系統軟件為最新版本，導致更換后無法馬上提供服務。

4.2 主用小矩陣和備用大矩陣

采用主用小矩陣（8口或16口）和備用大矩陣（160口）的方式部署，各個席位由單獨的小型矩陣設備提供保障，同時通過1個大型矩陣連接各個設備構成熱備形式，正常運行情況下小型矩陣作為主用。

該方案優(yōu)點包括：（1）通過主用小矩陣能夠實現各席位的區(qū)域化獨立管理；（2）主用小矩陣和備用大矩陣均能實現主備系統的切換；（3）分布式部署方式靈活，每個席位各自管理操作，業(yè)務沒有交叉影響，當席位光纖KVM矩陣出現故障時會自動切換到大矩陣系統；（4）管理席位可以實現集中調度控制，可以切換管理任何席位的主機信號；（5）實現席位之間的信息共享，協同操作，允許多個席位的屏幕同步顯示共享內容信息；（6）備用大矩陣可接入多臺備用終端，實現終端熱備，如果系統主用終端故障，值班人員只需通過網管將信號切換至備用終端即可快速恢復業(yè)務；（7）可減少季度維護工作量，當系統軟件升級維護時，備用終端可實時更新。

該方案缺點包括：矩陣的備件需要儲備多種，建設成本較高；因備用矩陣為大矩陣，所有終端均接入，在配置時需特別注意避免因配置問題導致顯示和控制指向出錯，影響塔臺席位的指揮。

4.3 主用小矩陣和備用點對點

采用半冗余方式，即主用鏈路采用小型矩陣，備用線路使用點對點設備直連。小矩陣完成單個席位多個系統的延伸，點對點設備不經過矩陣完成主機與外設的直連延伸。

該方案優(yōu)點包括：（1）能夠實現主備系統的切換，當主用矩陣故障時，信號可切換至直連光纖，保證業(yè)務不中斷；（2）可使用KVM矩陣滑屏功能，減少管制現場鍵鼠套裝的數量；（3）KVM矩陣負責1個管制席位，在日常配置與管理中只對1個管制席位進行設置，不會對其他席位產生影響；（4）建設成本較低。

該方案缺點包括：（1）當任意系統主機故障時，需值班人員更換冷備主機才能恢復業(yè)務，造成業(yè)務中斷時間過長；（2）無法將備機接入系統，備機可能因備件處于測試周期未使用，無法保證系統軟件為最新版本，導致更換后無法馬上提供服務；（3）當KVM矩陣故障后，將無法使用矩陣提供的功能，包括主備自動化系統切換、滑屏功能、監(jiān)控功能等；（4）當KVM矩陣故障后，需要管制員協助完成顯示器視頻源的選擇操作。

4.4 點對點連接外加切換器

采用點對點方式將主機延長至管制現場，在管制現場再安裝切換器用于信號切換，此方案不使用矩陣設備。

該方案優(yōu)點包括：（1）建設成本低；（2）節(jié)省塔臺空間。

該方案缺點包括：（1）當任意系統主機故障時，需值班人員更換冷備主機才能恢復業(yè)務，造成業(yè)務中斷時間過長；（2）如果要減少鍵鼠套裝數量，需增加中間設備，故障點也隨之增加；（3）如果要監(jiān)控所有的發(fā)送器和接收器，需要在每個發(fā)送器和接收器上增加監(jiān)控網線，會造成成本過高；（4）塔臺只能顯示在用系統，當備用系統終端視頻異常或設備故障時無法及時發(fā)現；（5）當主備系統切換時，需要通過選擇視頻輸入源或視頻切換器進行切換。

5 延長系統傳輸線路配置與運維

2路光纜上的管制席位分別對應KVM發(fā)送器接收器或雙路光纖，在一路光纜中斷的情況下，另一路光纜可以提供保障，不影響管制服務。建議每個席位的光纖數按最多10對配置，在設備端按需將光纖接入KVM矩陣。光纖場內傳輸需配置2路不同路由的光纜，分別對應發(fā)送接收器雙路光纖，在一路光纜中斷的情況下，另一路光纜可以提供保障，不影響管制服務。為保障管制席位操作流暢無卡頓，建議距離不超過10 km。若超過10 km，則需配置高功率光纖KVM設備。矩陣和接入端/管控端均為雙路交流電源輸入設備，2路電源輸入應分別引自不同的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）輸出總線。在具有UPS單總線的情況下，應接入不同的輸出回路。

在設備在線運行的情況下，通過監(jiān)控平臺對系統性能和各主要工作模塊的運行參數統一進行監(jiān)測、記錄和評估。在光纖中斷的情況下，能通過監(jiān)控平臺監(jiān)控到具體哪個光纖中斷，并且自動切換。設置配有超級用戶和普通用戶，由超級用戶設置普通用戶的權限。若備用光纖采用點對點模式，也需對其進行監(jiān)控。

6 結 論

通過整合設備主機雙機切換設備、外設延長設備以及矩陣KVM，實現了多路視頻信號和操控信號的遠距離無損傳輸。設備主機從空間上與操作人員隔離，保證了主機運行、數據安全管理、設備集中巡視等多方面的要求。