基于云计算一体化测试发控系统设计与分析

张晨光，吕 明，刘巧珍

0 引 言

运载火箭测试发控系统是依据总体及各系统测试发控要求研制的系统，它用于对各系统功能和性能测量、进行模拟飞行测试、对各系统间接口协调性检查，完成发射前测试和点火发射控制[1]。随着中国航天工业的发展，测发控系统自动化及集成化程度、系统可靠性等得到不断提高。作为新一代计算机及网络技术之一的云计算技术已被趋于成熟并应用到各领域，其特有的在分布开放式共享资源上，按需获取计算能力、存储空间和信息服务，可大幅提高计算、存储和数据分析能力，已改变了传统以服务器和PC为中心应用模式。在测试和发射过程中，各系统（尤其是测量系统）需要处理和计算大量的测试信息；另一方面，目前地面测试发控系统服务器及计算机设备数量较多，类型配置繁杂，大部分计算机硬件资源未得到充分利用。因此为了满足大量数据处理要求，并能充分利用计算机硬件资源，提高计算能力，需要研制基于云计算的一体化测试发控系统[1,2]。

1 云计算一体化测发控系统框架设计

云计算一体化测发控系统适用于现代运载火箭远距离测试和发射控制模式，系统构建在高速传输前端与后端网络平台上，将后端服务器、工作站等计算机运算资源一体化设计，实现各系统远距离测试发射控制需求。与传统测发控系统比较，地面电源、控制输出、箭地通信、配气台等前端设备，以及无线接收解调、应急等后端非计算机设备设计未变化，设计内容主要是服务器、计算机、网络交换等设备。系统框架结构见图1[3]。

图1 基于云计算一体化测发控系统框架Fig.1 Schematic Diagram of Integrated Test Launch and Control System Based on Cloud Computing

2 基于云计算一体化测发控系统实现

2.1 基于云计算一体化设备实现

在基于云计算一体化设备设计过程中，取消各系统独立的服务器和工作站，通过服务器组与磁盘阵列，采用虚拟化集成技术进行运算资源一体化设计，同时采用“桌面云”技术实现各系统瘦客户机终端访问服务[4,5]。

运算资源一体化设计是将多台承载不同业务应用的服务器及工作站整合到一台或几台服务器中，一般整合到两台服务器中，采取错误冗余技术（Fault Tolerance，FT）模式实现服务器冗余构架，采用机架式服务器与磁盘阵列，在可配置镜像基础上建立虚拟机，各种业务应用分别被封装在独立的虚拟机中，虚拟机上运行原有用户控制系统、测量系统、动力测控系统、发射支持系统、总体网系统所需要的操作系统以及软件。采用运算资源一体化设计，不仅能够实现整体资源集中管控，而且云计算系统可根据实际需求对资源动态申请与释放，对各系统的维护与升级将更加便利，进而实现集中高效应用设备资源，并且不影响业务应用处理效率[6,7]。

“桌面云”技术采用远程桌面协议（Remote Desktop Protocol，RDP）协议和瘦客户机实现。RDP协议是在远程主机上应用程序通过编码的“位图流”控制，通过单播协议传输位图至本地终端。此技术消耗较少CPU资源，采用RDP终端模式，通过虚拟计算环境提供的动态资源分配，终端服务器可以动态地适应接入瘦客户机的数量，提高显示需求的响应速度，应用程序无论其C/S或B/S架构、Java或.Net开发环境，均可在瘦客户机在终端模式下运行。在实现过程中，各系统终端机为瘦客户机，只需要配置显示器、鼠标键盘以及网络通信设备即可实现原来所有的操作，对各系统用户而言，其操作没有任何变化，可以实现用户层面上的无缝转移。基于云计算一体化模式设计如图2所示。

图2 基于云计算一体化设计示意Fig.2 Diagram of Cloud Computing Integration

2.2 系统可靠性设计

基于云计算一体化测发控系统需构建在高速可靠网络通信设备上实现信息通信，因此网络通信可靠性至关重要。网络通信采用国产化华为集群交换机系统（Cluster Switch System，CSS）双交换机冗余技术、快速生成树协议（Rapid Spanning Tree Protocal，RSTP）线路冗余技术以及浮动静态路由技术，在前端与后端网络均采用双交换机冗余构建，实现整个网络交换机和线路冗余。CSS协议通过2×10GE带宽将两台数据通信设备组合为单一的虚拟交换机，以CSS双交换机冗余架构中的一台为主虚拟交换机，另一台为备虚拟交换机，当主虚拟交换机发生故障时，备虚拟交换机能瞬时承担全部路由与交换任务，自动实现控制层面、数据层面的快速切换，从而构成高效可靠的双交换机热冗余信息通信，网络通信冗余设计见图3[8]。

基于云计算一体化测发控系统服务器冗余构架是核心部分，通过此构架实现数据在线自动迁移，目前应用较成熟有两种：高可用性技术（High Available，HA）和错误冗余技术（Fault Tolerance，FT）。HA技术使用Cluster组，主机之间可以彼此互相支持，一旦有实体机器发生故障，在其他主机上运行虚拟机“重新启动”并执行工作，但这种模式切换时间较长。FT技术是构架在VMware HA之上采用vLockstep技术映射出一个虚拟机在不同的实体机器上，通过VMkernel port载送同步信息，当主虚拟机出现问题时，副虚拟机立即执行任务，实现零停机要求，不会有数据遗失的问题产生，此模式切换时间较短，因此在设计过程中一般采用FT模式。

磁盘系统是数据的最终存储单元，任何一块硬盘的损坏都可能导致数据存取性能的严重下降，甚至是关键业务数据的完全丢失。使用磁盘阵列提供全部数据的统一存储提高硬盘存储效率，采用RAID-10+SPARE硬盘控制冗余技术和刀片服务器配置RAID-1固态盘技术，提供高的存储可靠性和数据访问性能。

3 可靠性与实时性分析

3.1 可靠性分析

在信息传输过程中，基于云计算一体化测发控系统采用虚拟机代替了原有的物理服务器和工作站，信息通信也由传统的服务器、工作站之间信息流改变成虚拟机之间的信息流。在可靠性分析过程中，需覆盖全部信息传输模式，选取信息链路最复杂的前端与后端通信进行建模与计算，为了进行比较首先分析传统模式可靠性如图4所示，根据可靠性模型可知，系统为并串系统。

式中cR，gR，jR，sR分别为传统模式测发控系统、工作站、交换机、输出设备的可靠性；t为一次连续工 作时间；tMTBF为平均无故障时间。

图4 传统模式测发控系统可靠性Fig.4 Reliability Diagram of Traditional Mode Test Launch and Control System

基于云计算一体化测发控系统采用瘦客户机浏览终端方式，任意一台瘦客户机均能访问虚拟机OS平台上镜像的后端各系统工作站，可靠性框图见图5。

图5 基于云计算一体化测发控系统可靠性Fig.5 Reliability Diagram of Integrated Test Launch and Control System Based on Cloud Computing

式中yR，fR分别为基于云计算一体化测发控系统、服务器的可靠性。

由以上可靠性建模与分析可知，与传统模式的测发控系统比较，基于云计算一体化测发控系统可靠性更高。

3.2 实时性分析

基于云计算一体化测发控系统采用虚拟机设计模式，由于系统实现构架原因，信息在传输过程中需多次经过网络交换机，因此有必要分析信息传输的实时性。选取信息链路最复杂的后端发送指令信息到前端设备的信息通信模式进行分析，传统模式信息传输实时性如图 6所示，基于云计算一体化测发控系统实时性如图7所示。

图6 传统模式测发控系统信息传输时延图Fig.6 Information Transmission Delay of Test Launch and Control System in Traditional Mode

由图6可知，传统模式测发控系统信息传输时延Tc为

图7 基于云计算一体化测发控系统信息传输时延Fig.7 Information Transmission Delay of Integrated Test Launch and Control System Based on Cloud Computing

由图 7可知，基于云计算一体化测发控系统信息传输时延yT 为

与图 6所示的传统模式测发控系统传输时延进行比较，Ta+ Tb= T1，且图6和图7中的 T2+ T3+ T4均相同，因此基于云计算一体化测发控系统信息传输时延增加了 Tb。经过测试从瘦客户机到云服务器（User Datagram Protocol，UDP）单播信息传输平均延时为 Tb=0.609 ms。

经过以上分析，与传统模式测发控系统比较，基于云计算一体化测发控系统信息传输时延仅增加了不到1 ms，满足测发控信息执行与处理要求。

4 结束语

基于云计算一体化测发控系统设计技术，部分内容已成功应用到长征三号甲运载火箭总体网的系统设计中，并执行了多次发射任务，系统工作正常稳定。系统成功应用优化运载火箭测发控系统设计模式，充分利用计算机硬件资源，提高了发射可靠性。应用成熟后能够提高中国运载火箭测试与发射技术水平，并对后续型号测发控系统设计与研制具有重要借鉴意义。

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