南昌地铁3号线综合监控系统冗余机制研究

2022-06-21邓新禹

科技创新与应用 2022年17期

邓新禹

（南昌中铁穗城轨道交通建设运营有限公司，江西南昌 201900）

全方位冗余机制实现了综合监控系统的使用。这种制度是确保各项服务器间不会存在冗余，例如车站主备实时服务器、中央主备历史服务器、中央局域网双网、车站局域网双网之间等设备，所涉及的内容非常多，这里不做过多介绍。

我们只需要知道一点，那就是全方位冗余机制除了包括硬件设备之外，还包括了软件设备，涉及运行部位，也涉及数据流程，这些均是冗余。多重机制让每个单点故障及部分出现故障的重叠情况，但不会对监控系统造成太大的影响。切换冗余时数据并不会丢失，所以数据是统一的。

1 综合监控系统冗余设备

综合监控系统冗余设备的范围包括：

（1）两台中央实时服务器之间。中央实时服务器热备运行，自动切换。

（2）两台中央历史服务器之间。中央历史服务器热备运行，自动切换。

（3）前置处理器FEP两两冗余热备用运行，自动切换。

（4）两台中央节点交换机之间，集群冗余。

2 冗余设备切换原则和切换原理

系统的关键设备包括FEP、服务器及交换机等都是冗余的，任何单点故障均不会影响到综合监控系统的正常运行。

冗余设备的运行方式包括热备和集群。热备用意味着冗余设备数据环境与正在运行的任务相同。通常，只有主机提供数据和服务，而备用计算机处于睡眠状态。在主机故障的情况下，只要重新接管任务，就可以完成切换。群集模式意味着冗余设备具有相同的数据环境。在正常情况下，主机和备用主机都执行任务并在负载平衡的情况下运行。当主机出现故障时，备用主机将执行所有任务。

2.1 冗余服务器间的切换原理

2.1.1 自动切换

自动切换也称为故障转移。当其中一台冗余服务器出现故障时，它将自动切换到另一台。故障一般包括网络通信故障、硬件设备故障、系统运行故障等，综合监控系统应采取有效措施确保冗余可靠性，并对故障进行相应的诊断，以确保对故障的快速响应。网络通信故障、硬件设备故障一般会导致网络连接中断。客户端与主/备服务器建立两条物理连接，如果一条网络连接中断，客户端会自动切换到另一条网络通道。为了提高效率，减少在故障切换时的停机时间，综合监控系统建立网络通信监测机制，备服务器通过与主服务器之间的心跳检测不断检查主服务器的状况，如发现主服务器网络中断或应用程序故障，便将主备角色进行切换并将消息发给客户端，客户端立即会将数据源切换到备服务器。

2.1.2 手动切换

手动交换也称为网络交换（应用程序级）。用户可以根据主备服务器当前的运行状态手动切换操作终端，并通过综合监控系统的内部变量强制转换主备角色。如果主服务器出现轻微故障或系统更新，则需要重新启动综合监控系统的平台服务。为了不影响综合监控系统的正常运行，用户可以手动将客户端切换到备用服务器，然后对主服务器进行维护。特别是，由于冗余切换将影响连接到当前主/备用服务器的所有客户端，因此手动切换模式仅在系统维护期间使用，以避免影响正常的系统操作。

2.2 冗余FEP与服务器间的切换原理

如图1所示，FEP与应用服务器之间的采用双网结构。

图1 双网结构

应用服务器A和B与FEP A和FEP B都配备2个网卡用于数据交换，分别连接在综合监控系统内网的两台交换机上。

由图1可知，应用服务器与FEP之间存在4条可用的路由。

按照应用服务器与FEP之间的约定，同一时间内，这4条链路均是保持连接的。

由FEP根据子系统连接情况选择并告知值班FEP，应用服务器在值班FEP所连接的两条通道中选择一条通道作为值班通道，用于数据与控制命令的传输。

其余通道作为备用，仅定时传输心跳信号，反馈通道连接正常与否。

以下通过实施例说明冗余方案。

假设系统处于正常运行，通道①值班，通道②③④备用，如图2所示。

图2 正常运行图

FEP A故障时的处理方法：当FEP A发生故障时，在应用服务器端可以感知，通道①和③失去连接；同时由FEP的冗余作用，FEP的值班状态由A切换到B。应用服务器尝试选择通道②值班成功，通道④处于备用，而通道①和③在FEP A恢复后进入备用状态。如图3所示。

图3 FEP A发生故障图

通道①某处发生故障时的处理方法：当值班通道①某处发生故障（双网同时故障，否则只切换网络）时，在应用服务器端可以感知，通道①失去连接；同时FEP的主备状态不发生变化，FEP A为值班FEP。此时通道③为值班通道，应用服务器接口模块值班状态从A切换到B。如图4所示。

图4 值班通道①发生故障图

当然，此时如果切换FEP，保持服务器的主机状态不变也是可行的，如图5所示。

图5 切换FEP图

由于服务器的处理能力更强，数据同步的效率较高，因此，实际不使用该策略。

应用服务器A发生故障时的处理方法：当应用服务器A发生故障时，应用服务器B接口模块投入值班；此时FEP A为值班FEP值班关系不发生变化，因此选择通道③为值班通道，如图6所示。

图6 应用服务器A发生故障图

应用服务器B、FEP B或通道②③④发生故障时的处理方法：当其余部位发生故障时，因为不影响值班通道，则FEP A值班，应用服务器A接口模块值班，值班通道为①的关系不受影响。

2.3 冗余网络交换机的切换原理

综合监控系统在主干网采用双局域网方式保证通信的可靠。传统的双网冗余技术或者只使用一个网络进行数据传输，而另一个网络作为备用；或者两个网络同时传送相同数据，互为备用。传统的双网冗余技术实现简便，可靠性高。但是上述两种方式在正常运行时，都只能使用一个网络的带宽资源，造成了网络带宽的浪费。

针对传统双网冗余技术的不足，本系统的双网冗余技术，正常情况下双网分别传输不同的数据，网络带宽可以达到近两倍的利用率；当一个网络出现故障时（如网线坏或交换机故障），又可以自动将所有数据通过正常的网络进行传输，保证了系统的可靠性。并且，系统会自动监视故障网络的情况，一旦故障去除，系统会自动恢复正常的双网通信方式。如图7-图9所示。