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    吳亞鳳（1975-）女，陜西渭南人，碩士，中國勞動關(guān)系學(xué)院基礎(chǔ)部講師，主要從事應(yīng)用數(shù)學(xué)方面的研究。

    摘要：本文分析了目前工業(yè)計算機控制系統(tǒng)中服務(wù)器冗余控制存在的問題，提出一種高可靠的服務(wù)器冗余控制算法模型，并給出了該算法的詳細(xì)內(nèi)容及其實現(xiàn)。

    關(guān)鍵詞：計算機控制；服務(wù)器；冗余控制；算法模型

    Abstract: This paper analyzes server redundant control problems in industrial computer control system. It presents a highly reliable algorithmic model for the servers’ redundant control. Moreover, it analyzes the detailed content of the algorithm, and describes its realization.
Key words: Computer Control; Server; Redundancy; Algorithmic Model

    1 問題的提出

    在工業(yè)計算機控制應(yīng)用領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的可靠性以及可用性，經(jīng)常采用冗余服務(wù)器架構(gòu)，即設(shè)置兩臺互為冗余的服務(wù)器，工作在一用一備模式下，為網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點提供各類數(shù)據(jù)服務(wù)，并且常常設(shè)置冗余網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可用性。可以實現(xiàn)當(dāng)存在單個服務(wù)器節(jié)點故障或者單個網(wǎng)絡(luò)故障時，系統(tǒng)的可用性不降低。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

                                  

    這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般都會存在如下幾個問題，難于解決：
（1）服務(wù)器A、B機的主從控制機制復(fù)雜，常會出現(xiàn)“雙主”、“雙從”或者來回切換（“打乒乓球”現(xiàn)象），使得系統(tǒng)可靠性降低。為了解決這個問題，有些系統(tǒng)采用硬件方式給兩臺服務(wù)器之間設(shè)置硬件切換電路板，保證不出現(xiàn)這個問題，但又存在成本以及切換電路可靠性的問題；
（2）兩臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步是冗余控制的難點，特別是在雙機進(jìn)行各種狀態(tài)轉(zhuǎn)換（主機、從機、單機、故障/停機）過程中發(fā)生的數(shù)據(jù)更新或者來自操作站的控制命令時，如何保證雙機數(shù)據(jù)嚴(yán)格的一致性以及不丟失數(shù)據(jù)是非常困難的；
（3）系統(tǒng)雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得某些情況下難于控制，如兩臺服務(wù)器的交叉網(wǎng)絡(luò)故障，使得雙機互不能訪問對方，從而造成系統(tǒng)不可用[2]。

    2 冗余控制模型

    本文提出一種基于圖1的改良網(wǎng)絡(luò)模型，在兩個服務(wù)器上各增加一塊以太網(wǎng)卡，形成第三條網(wǎng)絡(luò)（如圖2所示），通過合適的控制算法，使其達(dá)到準(zhǔn)確檢測、正確切換、無擾控制、不丟數(shù)據(jù)的目的，以滿足工業(yè)控制場合高可靠性與高可用性要求。

                             

    該冗余控制模型如圖3所示，自下到上依次是狀態(tài)診斷、主從控制、數(shù)據(jù)服務(wù)以及冗余控制四層結(jié)構(gòu)，下層為上層提供服務(wù)，上層的執(zhí)行依賴于下層的運算結(jié)果。

                           

    它們的功能如下：
狀態(tài)診斷：為服務(wù)器提供自己和對方準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)鍵進(jìn)程狀態(tài)；
主從控制：根據(jù)自己和對方的狀態(tài)，按照服務(wù)器切換狀態(tài)機進(jìn)行主從切換；
數(shù)據(jù)服務(wù)：客戶機向服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)請求，以及服務(wù)器的數(shù)據(jù)服務(wù)過程；
冗余控制：兩臺服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)同步過程。

    3 服務(wù)器的狀態(tài)診斷

    服務(wù)器狀態(tài)監(jiān)測包括自我監(jiān)測、狀態(tài)廣播、監(jiān)聽對方、監(jiān)聽客戶機四個部分。服務(wù)器監(jiān)測自己的三個網(wǎng)絡(luò)的好壞、監(jiān)測自身關(guān)鍵進(jìn)程的運行狀態(tài)，并將這些狀態(tài)填入自身狀態(tài)字中，然后將自身狀態(tài)字通過全部網(wǎng)卡廣播出去；并一直監(jiān)視來自對方服務(wù)器的廣播信息包以及來自其他客戶機的異常監(jiān)聽反饋，根據(jù)它們來填充自己狀態(tài)字、計算對方服務(wù)器的狀態(tài)，并作為服務(wù)器主從控制模塊的輸入。

                 

    作為客戶機，一般情況下，它只監(jiān)聽來自兩臺服務(wù)器的廣播信息，只有在以下幾種異常情況下，它才給予回復(fù)，用于通知兩臺服務(wù)器。
（1）兩臺服務(wù)器均聲稱自己看不見對方；
（2）兩臺服務(wù)器運行狀態(tài)沖突（將雙主、雙從、雙單機三種情況均視為沖突）。

    對于第一種情況，這是因為兩臺服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)存在交叉故障問題，兩臺服務(wù)器之間失去了聯(lián)系；第二種情況在系統(tǒng)被割裂為獨立的兩個子系統(tǒng)并在恢復(fù)的瞬間會出現(xiàn)，以及為了防止程序BUG等意外情況所做的容錯設(shè)計。客戶機回復(fù)狀態(tài)字如圖5所示。

                                   

    由以上的過程，可以對兩臺服務(wù)器關(guān)鍵進(jìn)程、各自的網(wǎng)絡(luò)、客戶機網(wǎng)絡(luò)做出準(zhǔn)確的判斷，只要當(dāng)系統(tǒng)被割裂為完全獨立的兩個子系統(tǒng)時，系統(tǒng)的運行模式轉(zhuǎn)為兩個獨立系統(tǒng)，如圖6所示。

                         

    只有當(dāng)兩個服務(wù)器的NETA和B交叉故障、NETC故障、每臺客戶機均有一個網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，才會出現(xiàn)被割裂為完全獨立的兩個子系統(tǒng)的情況。但是故障恢復(fù)后，系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的合并，保證不丟失數(shù)據(jù)。

    4 服務(wù)器的主從控制

    服務(wù)器的狀態(tài)有四種：主機、備用機、故障、單機模式。主機就是該服務(wù)器在兩臺冗余的服務(wù)器中起著主導(dǎo)地位，處于工作模式，則另外一臺服務(wù)器一定也是運行狀態(tài)，并且處于備用狀態(tài)（備用機）或者故障狀態(tài)；單機模式就是網(wǎng)絡(luò)中只存在一臺服務(wù)器處于運行狀態(tài)，是獨立運行的。這四種狀態(tài)是隨著網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、服務(wù)器關(guān)鍵進(jìn)程狀態(tài)、服務(wù)器的配置等情況的不同而動態(tài)變化的。

    服務(wù)器的主從切換控制就是控制自己的運行狀態(tài)在上述這四種狀態(tài)中動態(tài)切換，它是在服務(wù)器狀態(tài)診斷的基礎(chǔ)上執(zhí)行的，并且兩臺服務(wù)器的狀態(tài)切換是獨立進(jìn)行的，切換按照圖7所示的服務(wù)器狀態(tài)機進(jìn)行。

    服務(wù)器狀態(tài)機中的轉(zhuǎn)換條件如表1，表中轉(zhuǎn)換前狀態(tài)以及轉(zhuǎn)換后狀態(tài)請參考圖7。

          

    序號轉(zhuǎn)換條件:
1 收不到對方服務(wù)器的狀態(tài)信息，并且在預(yù)設(shè)的時間內(nèi)收不到客戶機的異常回復(fù)
2 同（1）
3 本機故障恢復(fù)，并且具備（1）
4 收到對方服務(wù)器狀態(tài)信息，本機為A機
5 收到對方服務(wù)器狀態(tài)信息，本機為B機
6 本機關(guān)鍵進(jìn)程故障
7 本機故障恢復(fù)，并收到對方服務(wù)器聲稱自己故障
8 本機關(guān)鍵進(jìn)程故障
9 本機關(guān)鍵進(jìn)程故障
10 本機故障恢復(fù)，并收到對方服務(wù)器聲稱自己為主機
11 收到操作人員的切換命令
12 同（11）

    服務(wù)器各自對自身的狀態(tài)進(jìn)行計算與控制，還需要將其狀態(tài)回填至圖4所示的狀態(tài)字中，以使得網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點獲得該信息。

    5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)

    服務(wù)器向網(wǎng)絡(luò)上的客戶機提供各類數(shù)據(jù)服務(wù)，包括為客戶機發(fā)布數(shù)據(jù)（或者服務(wù)器的控制命令輸出）和接收客戶機的命令消息（或者服務(wù)器的數(shù)據(jù)更新），這兩類數(shù)據(jù)服務(wù)從服務(wù)器的角度看就是輸出數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)。對于輸出數(shù)據(jù)，僅由主機（單機）對外提供；對于輸入數(shù)據(jù)，則服務(wù)器處于任何狀態(tài)下均要處理。其消息傳遞模型如圖8所示。

                                

    作為客戶機而言，它向服務(wù)器請求數(shù)據(jù)或者發(fā)送命令時，需要同時向兩臺服務(wù)器發(fā)送，并給消息進(jìn)行編號；接收數(shù)據(jù)時，僅接收主機（或者單機）服務(wù)器的數(shù)據(jù)。

    服務(wù)器處理數(shù)據(jù)時，需要記錄已經(jīng)處理的消息的編號或者處理動作計數(shù)器，以便后續(xù)數(shù)據(jù)冗余同步控制的執(zhí)行。

    6 數(shù)據(jù)冗余控制

    服務(wù)器的冗余控制是為了保證兩臺服務(wù)器上的數(shù)據(jù)的一致性、完整性。其手段是同步控制，即保證兩臺服務(wù)器上的數(shù)據(jù)的源頭一致，處理步調(diào)一致，以達(dá)到其數(shù)據(jù)的完全一致。

    服務(wù)器要處理的數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)源以及對數(shù)據(jù)加工需求的不同可以分為如下幾類：（1）僅從外部數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，并更新本機的數(shù)據(jù)；（2）僅為外部需求者提供數(shù)據(jù)；（3）根據(jù)外部需求做出動作；（4）與外部無關(guān)的數(shù)據(jù)處理過程。對于不同類型的數(shù)據(jù)處理，其冗余控制不同。對于1、3類，需要冗余同步；對于2、4類，不需要冗余同步控制。
數(shù)據(jù)冗余同步分為兩種：全部同步、增量同步。全部同步是將主機上的數(shù)據(jù)庫全部復(fù)制至備用機，用于服務(wù)器由故障、單機轉(zhuǎn)為備用機和備用機啟動過程中；增量同步是將主機上的部分?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)制至備用機，用于雙機正常工作中的主機為從機同步過程中。

    全部同步處理比較簡單；增量同步比較復(fù)雜，需要記錄哪些內(nèi)容需要同步以及做哪些數(shù)據(jù)備份等。雙機在工作過程中，各自維護(hù)一個數(shù)據(jù)處理ID堆棧和計數(shù)器堆棧，主機定周期的通知從機自己處理的ID和計數(shù)器，從機檢查自己的處理是否與其一致，如不一致，則向主機發(fā)出數(shù)據(jù)備份請求，主機再向從機發(fā)出備份數(shù)據(jù)，并矯正數(shù)據(jù)處理ID和計數(shù)器堆棧，完成一次增量同步過程，如圖9所示。

                                    

    7 小結(jié)

    該冗余算法設(shè)計采用分層模式，結(jié)構(gòu)清晰明了，層間耦合度小，易于實現(xiàn)[3]。已經(jīng)在SCADA系統(tǒng)中實現(xiàn)并得以驗證，有較高的可靠性，并提高系統(tǒng)的可用性，能較好的解決工業(yè)計算機控制系統(tǒng)的服務(wù)器冗余問題。

    參考文獻(xiàn)：
[1] 王常力等. 分布式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計與應(yīng)用實例[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004. 22~31.
[2] 夏士兵等. 變電站SCADA系統(tǒng)雙服務(wù)器無擾動切換算法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2006, 30(14): 58~60.
  [3] 柯奈漢等. 程序設(shè)計實踐[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000. 23～65

    摘自《自動化博覽》2010年第十二期