調(diào)度自動化主站的局域網(wǎng)冗余穩(wěn)定性分析

胡荔丹

（國網(wǎng)福州供電公司，福建 福州 350000）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，人們對其安全性能提出了更高的要求。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者針對如何提升系統(tǒng)的可靠性進行研究并取得了一些成果，但是還沒有形成一套能夠解決該類問題的完整理論體系。本文從冗余備份策略方面出發(fā)討論如何設(shè)計一個高效的調(diào)度自動化主站局域網(wǎng)絡(luò)。首先介紹了冗余方案設(shè)計的基本原則，其次闡述了基于“最小化可用性”的冗余方案設(shè)計方法，最后給出了一種簡單實用、具有較強可擴展性、適用于實際工程環(huán)境、易于維護的多級冗余方案設(shè)計方法。根據(jù)上述論述可以得出以下結(jié)論：（1）在不影響系統(tǒng)正常工作的前提下，應(yīng)盡可能地減少冗余方案數(shù)量；（2）當存在大量的冗余時，為了保證系統(tǒng)的可靠性以及降低成本，需要綜合權(quán)衡各個方面的因素，以達到最優(yōu)的冗余配置方案[1]。

1 系統(tǒng)的可靠性分析

1.1 系統(tǒng)可靠性的基本概念

計算機網(wǎng)絡(luò)中的可靠性指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行過程中對于外界因素造成的損失所能夠承受的最大限度，一般情況下可以分為以下幾種類型：（1）故障率低；（2）性能指標高；（3）安全等級高；（4）功能完備等。故障率指由于外部環(huán)境或者人為因素而導(dǎo)致整個系統(tǒng)出現(xiàn)問題時所占的比例，主要包含了硬件故障以及軟件故障2 種形式，通常會以百分比表示。故障率越高說明該系統(tǒng)故障發(fā)生的概率就越大。需注意，當該系統(tǒng)出現(xiàn)問題后，應(yīng)及時將其上傳到相應(yīng)的服務(wù)器進行修復(fù)，從而數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼＿M行[2]。在對系統(tǒng)進行設(shè)計之后，必須要考慮各種各樣的外界因素對系統(tǒng)造成的干擾，只有確保這些外界因素不會給系統(tǒng)的運行帶來不利的影響，才能使系統(tǒng)具有較強的可靠性。因此，從某種意義上說，系統(tǒng)是否可靠直接決定著一個系統(tǒng)是否具備良好的可維護性、穩(wěn)定性以及安全性。

1.2 系統(tǒng)可靠性的分析方法

在進行網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計時，首先應(yīng)該考慮整個網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性問題，因此需要對整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行詳細分析，并且要保證系統(tǒng)中每個節(jié)點都能夠正常運行，從而保障整個網(wǎng)絡(luò)的安全性以及可靠性[3]。具體來講，可以采用如下方法來完成。第一步是確定系統(tǒng)的關(guān)鍵點；第二步是根據(jù)這些關(guān)鍵點來選擇合適的通信協(xié)議；第三步是將這種協(xié)議轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器；第四步是由服務(wù)器向客戶端發(fā)出請求，從而使得客戶端能夠接收到請求；第五步是通過計算得到結(jié)果，再利用所獲得結(jié)果實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。其中，如果某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了錯誤，就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法繼續(xù)工作，甚至?xí)斐筛蠓秶鷥?nèi)的損失[4]。

1.3 冗余控制系統(tǒng)的可靠性

為了保證系統(tǒng)在運行過程中不出現(xiàn)故障，必須要有一個合理的冗余控制方案。對于該問題可以采用冗余控制器進行處理。但是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速并且應(yīng)用范圍也比較廣泛，因此本文提出一種新的方法來解決這個難題，即冗余控制系統(tǒng)的冗余化設(shè)計（見圖1）。冗余控制是將多余部分切除，使其能夠更加有效地發(fā)揮出作用的手段[5]。冗余控制技術(shù)主要指當網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障時，通過切除一部分硬件設(shè)備而保留其他部分功能，從而達到降低整個系統(tǒng)的故障風(fēng)險和提高整體性能水平的技術(shù)。當然，冗余控制系統(tǒng)還有很多方面需要考慮，例如如何根據(jù)實際情況來確定冗余控制策略等。此外，冗余控制系統(tǒng)的具體設(shè)計方案應(yīng)該與所選的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及使用的軟件相匹配。

圖1 冗余控制系統(tǒng)組成

1.4 提高系統(tǒng)可靠性的措施

為了保證系統(tǒng)在可靠運行中發(fā)揮出應(yīng)有的作用，應(yīng)該從以下幾方面進行改進和完善。首先是要對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計；其次是做好設(shè)備管理工作，加強對相關(guān)設(shè)備的維護與保養(yǎng)工作；最后要注意對計算機硬件設(shè)施的合理使用以及定期維護，以免發(fā)生故障問題。

2 遠程集中災(zāi)備技術(shù)

2.1 微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control and Data AcquiSition，SCADA）系統(tǒng)（見圖2）的硬件組成及功能。該設(shè)備主要由中央處理器（Central Processing Unit，CPU）和存儲設(shè)備構(gòu)成，工作原理是通過對數(shù)據(jù)進行處理并將結(jié)果傳送到計算機，同時可以根據(jù)需要設(shè)置不同級別的密碼保護機制來保護計算機安全運行。在實際應(yīng)用時，一方面要保證系統(tǒng)正常運行，另一方面要考慮一些特殊情況下可能會出現(xiàn)的問題以及故障。例如，當發(fā)生火災(zāi)等緊急情況時需要立即啟動相應(yīng)的應(yīng)急措施、傳送大量的文件資料或是其他重要信息時就必須采用雙機熱備份的方式。（2）ADS-SCADA 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)與特點。該系統(tǒng)的核心部分為服務(wù)器端，不僅能夠管理整個系統(tǒng)的所有業(yè)務(wù)邏輯，包括各種操作界面、各類通信協(xié)議等，而且能夠完成對整個系統(tǒng)的實時控制。其中最為關(guān)鍵的就是服務(wù)器上所安裝的客戶端程序，它不僅具有很高的可靠性和可維護性，而且具有強大的擴展能力。

圖2 SCADA 系統(tǒng)框架

2.2 冗余結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性

系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如果能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理，則可以保證系統(tǒng)的正常運行。因此，對于遠程集中災(zāi)備技術(shù)來說，其主要負責(zé)在實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與控制的同時，確保通信的安全性、可靠性以及實時性。由于遠程集中災(zāi)備技術(shù)具有較高的復(fù)雜度，要求網(wǎng)絡(luò)管理員必須具備一定的計算機網(wǎng)絡(luò)知識，同時具有良好的操作技能，才能更好地開展相關(guān)工作。首先，需要做好以下幾方面的工作：（1）熟練掌握各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作，如路由器、交換機等設(shè)備的使用方法，掌握各種軟件的應(yīng)用技巧，以便為網(wǎng)絡(luò)通信提供良好保障；（2）熟悉各種應(yīng)急預(yù)案，包括備份方案、恢復(fù)策略、備份流程及備份工具等，從而提高整個系統(tǒng)的安全性能；（3）應(yīng)定期維護好各類硬件設(shè)施，避免因意外事故造成損失。

2.3 冗余技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著網(wǎng)絡(luò)化和智能化的不斷深入，對于計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸提出了更高要求。在此背景下，為了保證系統(tǒng)運行的安全性以及可靠性，需要采用冗余技術(shù)來提高整個系統(tǒng)的整體效率。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者針對這種趨勢展開研究，例如陳志剛等人通過將冗余技術(shù)與其他先進技術(shù)相結(jié)合并加以綜合運用，實現(xiàn)了多個領(lǐng)域內(nèi)信息傳輸過程中的高效處理；張曉峰等人基于冗余技術(shù)構(gòu)建了一種新一代的計算機信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，即“虛擬網(wǎng)關(guān)+”結(jié)構(gòu)，有效解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在的帶寬資源不足問題及易受攻擊的缺陷，同時使得其能廣泛應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，具有良好的可擴展性；李春梅等對冗余技術(shù)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)安全防護3 個方面進行深入研究后指出，要加強對冗余技術(shù)的重視程度，充分認識到該項技術(shù)所具備的重要作用，并且積極主動地參與其中，充分利用現(xiàn)有技術(shù)條件，最大化發(fā)揮出該技術(shù)的優(yōu)勢。

2.4 冗余技術(shù)的應(yīng)用

分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸和處理可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)運行期間會產(chǎn)生大量的信息數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)如果不及時處理就有可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題。為了解決這一難題，采用了一種冗余技術(shù)來提高系統(tǒng)的安全性。這種方法就是將一些重要的信息數(shù)據(jù)存儲到本地的數(shù)據(jù)庫中。這樣一來，一旦發(fā)生緊急情況，相關(guān)部門就能夠快速找到相應(yīng)的服務(wù)器進行應(yīng)急處理。例如，某個企業(yè)要進行生產(chǎn)活動，但是由于某些原因造成該日期無法正常進行，此時互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet Technology，IT）人員就可以利用網(wǎng)絡(luò)、電話等方式與客戶進行溝通，并且向他們說明具體的情況以及需要采取的補救措施。當然，也可根據(jù)實際情況選擇其他時間進行操作，以便更好地保證生產(chǎn)任務(wù)順利完成。

3 區(qū)域集中模式下的遠程集中災(zāi)備技術(shù)

3.1 遠程集中災(zāi)備系統(tǒng)的設(shè)計

為了提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行效率和安全性能，需要對現(xiàn)有的遠程集中災(zāi)備方案進行優(yōu)化升級。在此基礎(chǔ)上提出了一種基于分布式存儲的遠程集群架構(gòu)，具體而言就是將整個數(shù)據(jù)中心劃分成若干個小規(guī)模的虛擬分區(qū)，每一個分區(qū)都具有獨立的網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址、操作系統(tǒng)等資源，且各個分區(qū)之間通過光纖連接，實現(xiàn)不同分區(qū)內(nèi)的信息共享與交換。

3.2 冗余消除技術(shù)

在原有的系統(tǒng)架構(gòu)中，采用了3 層交換機和2層路由器進行連接。這種結(jié)構(gòu)雖然能夠滿足當前業(yè)務(wù)需求，但是存在以下缺點：一是增加了網(wǎng)絡(luò)開銷；二是每個站點都需要通過路由器與其他站點相連接，因此會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象嚴重等問題。該拓撲結(jié)構(gòu)主要包括2 個部分，分別是核心網(wǎng)以及匯聚層。其中，匯聚層負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸工作，而核心網(wǎng)則作為一個整體對各個節(jié)點進行管理，同時可以根據(jù)實際情況將其分為不同的層次，實現(xiàn)不同層級之間的互聯(lián)互通及資源共享。在此基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計了一種基于多級冗余的網(wǎng)絡(luò)管理方案，具體內(nèi)容如下：（1）當某個站點發(fā)生故障時，首先要保證所有的站點都能夠正常運行，然后利用網(wǎng)管設(shè)備向上級網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)出請求；（2）如果上級網(wǎng)關(guān)設(shè)備無法接收請求信息，就要啟動本地網(wǎng)絡(luò)備份機制來完成相應(yīng)的處理操作。

3.3 冗余恢復(fù)技術(shù)

（1）區(qū)域集中模式下的遠程集中災(zāi)備系統(tǒng)。在該種模式下，需要對整個網(wǎng)絡(luò)進行備份、恢復(fù)和重建，具體包括通過本地網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心的遠程控制、通過本地網(wǎng)與其他站點之間建立通信鏈路來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能、利用本地網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)中心設(shè)備的故障檢測及診斷以及通過本地網(wǎng)與外部網(wǎng)之間的連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享等內(nèi)容。（2）區(qū)域分散模式下部署的遠程集中災(zāi)備系統(tǒng)。該類系統(tǒng)主要為了滿足不同地區(qū)用戶的需求而開發(fā)，特點包括能夠根據(jù)不同地區(qū)用戶的實際情況進行配置、具有良好的容錯能力以及較高的運行效率、可以有效地提高系統(tǒng)的可靠性。目前，已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)，但是受到地理位置因素影響，在一些偏遠地區(qū)無法安裝，并且維護成本相對較高，因此針對這些問題提出了一種基于虛擬化平臺的分布式存儲系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方案，以解決上述問題，同時降低運維工作量。此外，該設(shè)計方案可用于大容量數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目的應(yīng)用場景，進一步提高其安全性能，延長其可用壽命。

4 局域網(wǎng)冗余可靠性推薦方案

4.1 網(wǎng)卡主備模式

（1）當采用雙核心交換機級聯(lián)時，核心交換機將分別配置局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）地址，主機將采用地址解析協(xié)議（Address Resolution Protocol，ARP）輪詢方式來診斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，以此作為網(wǎng)卡切換的判斷標準。為了確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，綁定網(wǎng)卡的ARP 輪詢時間應(yīng)為20 ～5 000 ms，默認為100 ms，但對于性能較差的交換機，可以適當延長輪詢時間。（2）如果采用單核心交換機，則無須進行上述操作，此時所有設(shè)備都使用同一個IP 地址對外通信。（3）如果是小型的工作站或服務(wù)器，建議采用虛擬化技術(shù)，將其與核心交換機組成一個獨立的邏輯單元，從而提升整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。（4）如果是大型的工作站或服務(wù)器，建議采用多核中央處理器（Central Processing Unit，CPU）+MySQL 集群部署方式，通過增加硬件防火墻等手段，防止系統(tǒng)被非法入侵或者攻擊者惡意篡改數(shù)據(jù)。同時，啟用雙控制器熱備份機制，保證一旦其中一臺出現(xiàn)問題，另一臺能夠快速接管業(yè)務(wù)。

4.2 網(wǎng)卡負載均衡模式

（1）通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如調(diào)整交換機的cost值來平衡冗余交換機的負載，從而避免同一核心交換機的多臺交換機同時運行。（2）雙機熱備技術(shù)允許局域網(wǎng)中的多個安全區(qū)域通信，并且采用雙機熱備的方式，確保熱備狀態(tài)的及時恢復(fù)。（3）設(shè)置流量控制策略，對于高優(yōu)先級業(yè)務(wù)進行合理的帶寬分配和緩存管理，以保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)能夠快速傳輸?shù)侥康牡亍?/p>

4.3 VRRP

（1）為了避免出現(xiàn)虛擬IP 擁有者的情況，應(yīng)該在虛擬路由器冗余協(xié)議（Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP）組中設(shè)置合理的優(yōu)先級和reduce 值，以確保2 臺設(shè)備的初始優(yōu)先級不會一致，并且在經(jīng)過reduce 之后，優(yōu)先級不低于另一臺設(shè)備；（2）當一臺設(shè)備發(fā)生故障時，可以自動將其downgrade 到其他可用的設(shè)備上，從而實現(xiàn)快速切換；（3）如果某個客戶端需要訪問遠程服務(wù)，那么可以通過配置網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）穿透模式達到目的。

5 結(jié) 論

本文通過對調(diào)度自動化系統(tǒng)中各個子模塊進行了詳細的研究和探討，提出了一種基于雙機熱備技術(shù)的主從結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。該方案在實際應(yīng)用過程中取得了較好的效果，提高了整個系統(tǒng)的可靠性、可用性以及安全性等方面的性能指標，同時為今后類似系統(tǒng)的建設(shè)提供了一定的參考價值，但是，本次研究還存在一些不足之處有待進一步完善和改進。例如，由于受到實驗條件限制，只針對某一特定場景下的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行了測試驗證，因此需要進一步擴大測試范圍以獲得更加全面準確的數(shù)據(jù)支持；另外，在實際生產(chǎn)運行過程中，各種因素都可能會影響到系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)，因此必須不斷加強設(shè)備維護保養(yǎng)力度，及時發(fā)現(xiàn)并排除故障隱患，才能確保系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行。