航电网络通信设备热备份技术的研究与应用

薛楠　仲施平　胡靖宇　杜建华　张树兵

摘要：在航电网络的设计中，网络节点的模型直接决定了整个航电网络中的安全性和可靠性，尤其是当某网络节点出现故障时，要快速的恢复航电网络功能，并最大程度减少数据信息的丢弃。随着航电网络技术的进步和信息交互技术的不断完善，如何建立一个可靠、稳定和安全的航电网络系统已经越来越被航电网络开发者所重视。该文引入了两种航电网络通信设备热备份节点的物理模型，可以在很大程度上提高航电网络系统的安全性、稳定性和可靠性。

关键词：航电网络；热备份设备；单CPU双设备；双CPU双设备

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）36-0029-02

1 概述

随着科技的不断进步，航电网络规模也在日益庞大，而在整个航电网络中，每一个网络节点都有其不可或缺的作用，其中任何一个节点出现故障，都有可能会影响到整个航电网络的正常运行[1]。在正常使用过程当中，用户需要的是一个稳定、可靠和高速运行的航电网络系统，而且目前绝大部分的航电网络系统都是采用中心服务器的网络模式，即有一个航电网络服务器提供数据源和某一些处理信息，其他外设备从网络服务器来获取到自己需要的数据信息。基于此模式，航电网络服务器的高可靠性、高安全性和高可用性是航电网络安全运行的关键，一旦航电网络服务器或者其他重要的外设出现了故障，网络提供的服务就会出现异常，并有可能丢失关键性的数据，影响整个航电网络的正常工作从而出现严重的后果[2，3]。如何在航电网络出现故障的情况下，尽快恢复整个网络的正常运行并保证航电网络数据的安全，已经成为一个日渐突出的问题[4]。

在现有的航电网络中，通常采用“心跳”或者“握手”机制来检测航电网络通信设备的网络运行状态，即相互按照一定的时间间隔发送通讯信号，检测各自航电网络节点当前的运行状态，来判断网络系统是否工作正常[5]。一般情况下，在航电网络系统正常运行过程当中要一直去检测关键网络通信设备的工作情况。若检测出某航电网络通信设备工作状态错误（比如检测不到设备的“心跳”或者“握手”信号），则认为航电网络通信设备出现网络故障，此时可能会导致航电网络通信设备无法正常工作或导致数据丢失。在一般的航电网络系统中，若某网络通信设备出现故障，一般要复位此设备甚至重新启动整个航电网络来恢复，这样会导致数据丢失，严重影响到航电网络的安全性和稳定性[6]。

本文提出了一种航电网络通信设备热备份技术，包括了针对两种航电网络通信设备热备份的拓扑结构的介绍和功能应用分析，很大程度上提高了航电网络的安全性和可靠性。

2 航电网络节点模型分析及应用

2.1 航电网络节点模型概述

一般的航电网络节点之间都具有相对独立性，有自己独立的CPU控制着自己的外设，整体作为一个网络节点进行正常工作。出现故障的情况比较多，有可能CPU故障外设正常，有可能外设故障但是CPU功能正常，也有可能CPU和外设都出现故障。但不论哪一种情况，在其他航电网络节点看来都属于此网络节点故障。考虑到这些故障状况，引入航电网络节点设备的几种物理结构：单CPU双设备普通模式，单CPU双设备备份模式，双CPU双设备普通模式，双CPU双设备备份模式。

前两种模式是一个CPU上面挂接两个外设，两个外设共享CPU的资源进行工作；后两种模式是两个外设单独使用其各自的CPU资源。其中，普通模式指的是两个外设同时工作，备份模式指的是两个外设同时只有一个设备工作（主设备），另外一个设备（备份设备）周期检测工作设备是否正常，若主设备出现异常，则备份设备立刻切换成为主设备进行工作，不影响此节点在网络中的作用。网络中其他节点看到此节点始终只是一个设备，不论此节点的当前工作设备是主设备还是备份设备。如果节点要作为具有备份功能的设备，就要使用第二种或者第四种物理拓扑模式。

2.2 航电网络热备份节点物理结构

由于航电网络中节点较多，若设备之间直接物理连接，拓扑关系太复杂，一般都要使用交换设备进行信息转发和交互（若使用两个及以上的交换设备，不同交换设备之间必须要建立一种连接关系），每个网络节点固定连接交换设备的一个端口，在网络中有其独一无二的网络端口编号。对于热备份设备来说，由于是双设备，两个设备需要连接在交换设备的不同端口上，但是对于其他网络节点来说热备份节点始终只是一个设备。

故热备份节点一般有两个端口编号，但是只有唯一一个网络节点设备编号。热备份节点的物理结构如图1所示。

2.3 航电网络热备份技术分析

在资源分配方面，对于单CPU双设备备份模式来说，一个CPU外接两个备份设备，两个设备共享CPU的资源和数据，但是两个设备之间是相互独立的。此模式优点是，当主设备出现故障时，备份设备检测到主设备工作异常并进行主备设备切换，切换过去之后可以继续使用此CPU的资源数据，并且此时CPU的资源是最新的；缺点是如果CPU出现故障，主设备和备份设备都无法正常工作，此节点在信息网络中就会出现异常。对于双CPU双设备备份模式来说，由于是两个CPU单独挂接两个外设，并且相对独立，故当主设备的CPU出现故障时，可以整体切换到备份设备的CPU和外设，从而不影响此节点在网络中的正常工作。但是此模式的缺点是，若进行主备设备的切换，

备份设备端的CPU必须要保证数据资源和主设备CPU端同步。在设计实现方面，如果指定网络节点要设计为热备份网络节点，就要分析此节点CPU故障率、节点链路故障率和硬件占用空间等等因素。比如若节点CPU故障率较高，要优先考虑双CPU双备份的物理结构，减少单CPU双设备模式下节点故障概率；若节点CPU故障率低，但物理链路故障率较高并且节点内部空间受限，则应优先考虑单CPU双备份模式。

现给出两种模式备份网络节点和正常网络节点接入交换设备的航电网络拓扑结构如图2所示，节点1和节点2为热备份模式节点，节点3和节点4为非备份模式节点：

一般情况下，不论使用哪一种备份方式，都要有一种实时检测方式。在航电网络中，网络节点如果出现故障就会断开网络，作为备份设备要周期去查看主设备的网络连接状态，若在某一时刻主网络设备断开网络，那么备份网络设备要立刻连接上网络，从而不影响此节点在网络中的工作状态。

对于单CPU双设备备份模式来说，CPU资源数据是主备设备所共享的，但是各自设备的设备信息数据是独立的，所以CPU资源中有一部分设备信息数据是两个设备分开单独使用的，主设备或者备份设备要依据自身具有区分性的设备信息数据来访问CPU资源的共享数据。作为备份设备，要周期去查看CPU共享资源中本节点的网络连接状态，若某时刻本网络节点网络状态异常，那么备份设备要立刻根据自身设备的信息占有CPU的共享资源，并以自身的端口编号向网络管理器发送上网请求，连接网络成功后此网络节点正常工作。对于双CPU双设备备份模式来说，由于是两个独立CPU挂接两个独立的外设，所以主网络设备和备份网络设备的CPU之间要建立起一种“握手”关系，使备份设备CPU可以周期检测主设备CPU的工作状态，与此同时作为备份设备，也要周期检测主设备的网络连接状态。不论主设备还是主设备CPU发生异常，备份设备和备份设备CPU要整体切换成主节点，此时备份设备CPU必须要拷贝主设备CPU的共享网络资源并提供给备份设备使用，以保证网络信息数据的一致性和资源同步。

2.4 航电网络热备份节点模型的应用

在航电网络系统中，图形图像显示模块的作用尤为重要，使用也较为频繁。但是由于系统设计原因，图形图像显示模块的物理链路故障率较高，若此模块出现故障，会导致分析员不能及时根据显示信息处理网络数据，从而引起数据丢失，甚至会导致整个网络系统崩溃的严重后果。根据此网络节点的特殊性（链路故障率较高，而CPU故障率相对较低），将其设计为单CPU双设备的热备份物理结构，当主设备因链路或者其他外界原因出现故障时，备份设备能及时检测到故障信息并主动连接网络成为主设备，从而不影响图形图像显示模块在网络中的重要作用，并且单CPU双设备的备份设计模式也在一定程度上较小了硬件的体积和硬件资源的开销。因此，采用热备份模式设计图形图像显示模块保证了航电网络系统的安全性、稳定性和可靠性。

3 结束语

为了降低航电网络的故障率，尽可能地把使用频繁、重要性高的网络节点设计为热备份模式。由于两种热备份模式有各自的优点和缺点，并且在资源分配方面和设计实现方面稍有不同。设计时应当根据不同网络节点的自身特性和使用特征来选择所使用的热备份模式。因此，本文提出的两种网络通信设备热备份技术可以作为航电网络系统的可用节点模型，并很大程度上提高航电网络的安全性、稳定性和可靠性。

参考文献：

[1] 史文路，胡平.双机热备份系统的研究与改进[J].微处理机，2008（3）：180-182.

[2] 李建国，张奇.高可靠性双机热备份机制设计与实现[J].现代导航，2011，27（4）：309-312.

[3] 陈筠，桑楠，熊光泽.双机容错实时嵌入式系统设计与分析[J].单片机与嵌入式系统应用，2005（10）：5-7.

[4] 李海全，李刚.系统可靠性分析与设计[M].北京：科学出版社，2003.

[5] 淡战平，侯义斌.面向应用级的纯软件双机热备份机制设计与实现[J].电子科技大学学报，2000（6）：104-106.

[6] 吴娟，马永强，刘影.一种基于主备机快速切换的双机容错系统[J].计算机应用，2005，25（8）：1948-1951.