一种双冗余热备装置的制作方法

本发明涉及计算机网络及电子信息
技术领域：
，尤其涉及一种双冗余热备装置。
背景技术：
：采用上-下位机架构是当前作战系统网络节点提高系统性能，增加单个节点整体计算性能的重要举措。在该架构中，上位机一般只部署人机交互软件，为用户提供流畅的软件运行体验，下位机连接外部作战网络，被分配唯一固定ip地址，负责数据的收集、计算、分析、生成结果等事务性工作，处理数据量大、频率高、实时性要求强，上位机与下位机之间采用网络数据交换模块连接，组成节点内部网络。用户输入的操作指令经上位机简单处理后由内部网传递到下位机进行业务处理，同时下位机将收到的外部作战网络数据解析处理后发送到上位机显示。下位机在外部作战网络与节点内部网络之间扮演信息传递管道作用，属于关键节点，下位机的可靠性直接影响网络节点的整体可用性，因此，提高下位机的可靠性将有助于增强作战系统的可用性。主备用系统通过冗余的部件和专门的软件，能够在单一计算机系统出现单点故障时降级运行，能够大大提高系统的可靠性。目前组建主备用系统有多种技术方案，应用最广的是双机热备份系统。中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所申请的“一种双机备份冗余控制装置”发明专利采用两个完全相同计算机，分别安装冗余控制装置，经导线相连，单机通过主备位抢权机制确定主机，由主机输出对外的公共信号，外部输入的遥控命令两机同时接收，单机的主备位无条件进行切换，能够有效提高单个普通计算机节点的可靠性，适用于非网络节点的双机热备。中国科学院计算技术研究所申请的“一种双机热备份方法及系统”发明专利采用时效输出缓存与集线器配合方法，在主用机工作异常情况下，备用机能够实时检测到主用机失败，完成主备切换过程，接替主机继续工作，适用于实时性要求不高、数据发送端网络地址不作要求的双机热备解决方案。作战系统网络节点的下位机直接连接作战网络，被分配了唯一网络ip地址，其工作状态由作战网络及上位机用户操作指令输入共同驱动，由于以太网对上网设备ip地址有不可重复的强制要求，或者当作战系统采用了基于网络ip地址白名单的网络安全管理措施，需要实时检测上网节点ip地址有效性时，上述两种发明专利并不适用于上-下位机架构的作战系统网络节点下位机的冗余性设计。此外，作战系统网络节点作为部署作战应用软件的载体，决定了上位机扮演着用户操作指令接收器角色，承担着用户与下位机沟通的桥梁作用，随着作战应用软件功能的不断增加，上位机的重要地位逐渐显示出来，因此，上位机的可靠性同样制约着单个网络节点的整体可用性，由于上位机隶属于节点内部网络，自带输入输出端口而节点在整体上要求唯一输入输出端口的特殊性，上述发明专利同样不适用于作战系统网络节点上位机的冗余性设计。因此，需要从整体上提供一种适用于上-下位机架构的作战系统网络节点的数据热备份技术。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双冗余热备装置，其解决了适用于上-下位机架构的作战系统网络节点的数据热备份问题，充分考虑了作战系统的体系架构和高可靠性要求，而且能够根据作战系统的网络实际部署环境进行动态配置调整，具有良好的灵活性和扩展性。本发明的目的采用如下技术方案实现：一种双冗余热备装置，包括：上位机主备状态设置模块，所述上位机主备状态设置模块包括第一网络控制器模块、第二网络控制器模块、第一通道信号采集模块和第一通道计算逻辑模块，所述第一通道计算逻辑模块分别与所述第一网络控制器模块、所述第二网络控制器模块和所述第一通道信号采集模块连接。下位机主备状态设置模块，所述下位机主备状态设置模块包括第三网络控制器模块、第四网络控制器模块、第二通道信号采集模块和第二通道计算逻辑模块，所述第二通道计算逻辑模块分别与所述第三网络控制器模块、所述第四网络控制器模块和所述第二通道信号采集模块连接。第一数据广播模块，所述第一数据广播模块分别与所述第三网络控制器模块、第四网络控制器模块连接；通道选择模块，所述通道选择模块分别与所述第一通道计算逻辑模块和所述第一数据广播模块连接。进一步地，所述装置进一步包括第五网络控制器模块，所述第五网络控制器模块分别与所述通道选择模块和外部网络连接。进一步地，所述装置进一步包括报文转换模块，所述装置进一步包括第二数据广播模块，所述第二数据广播模块分别与所述第一网络控制器模块、所述第二网络控制器模块连接和所述第二通道计算逻辑模块连接。进一步地，所述装置进一步包括第二数据广播模块，所述第二数据广播模块分别与所述第一网络控制器模块、所述第二网络控制器模块连接和所述第二通道计算逻辑模块连接。进一步地，所述装置进一步包括第三数据广播模块，所述第三数据广播模块分别与所述第一网络控制器模块、所述第二网络控制器模块连接和所述第五网络控制器模块连接。进一步地，所述装置进一步包括终端管理模块，所述终端管理模块与所述报文转换模块连接。进一步地，所述装置进一步包括终端管理模块，所述终端管理模块与所述报文转换模块连接。进一步地，所述上位机主备状态设置模块进一步包括第一工作状态分析模块，所述第一工作状态分析模块分别与所述第一网络控制器模块和所述第二网络控制器模块连接；所述下位机主备状态设置进一步包括第二工作状态分析模块，所述第二工作状态分析模块分别与所述第三网络控制器模块和所述第四网络控制器模块连接。进一步地，所述上位机主备状态设置模块进一步包括第一工作状态指示灯，所述第一工作状态指示灯与所述第一工作状态分析模块连接；所述下位机主备状态设置模块进一步包括第二工作状态指示灯，所述第二工作状态指示灯与所述第二工作状态分析模块连接。进一步地，所述双冗余热备装置进一步包括上位机和下位机，所述上位机与所述上位机主备状态设置模块连接；所述下位机与所述下位机主备状态设置模块连接。进一步地，所述上位机包括第一上位机和第二上位机，所述第一上位机与所述第三网络控制器模块连接；所述第二上位机与所述第四网络控制器模块连接；所述下位机包括第一下位机和第二下位机，所述第一下位机与所述第一网络控制器模块连接，所述第二下位机与所述第二网络控制器模块连接。相比现有技术，本发明的有益效果在于：其不仅解决了适用于上-下位机架构的作战系统网络节点的数据热备份问题，充分考虑了作战系统的体系架构和高可靠性要求，而且能够根据作战系统的网络实际部署环境进行动态配置调整，具有良好的灵活性和扩展性。本发明在采用上-下位机架构的网络应用，如qos保障系统、入侵检测系统、工业控制系统等对可靠性、实时性要求较高的领域，具有重要推广应用价值。附图说明图1为本发明第一实施例提供的双冗余热备装置的结构框图；图2为本发明第一实施例中通道选择模块定义的标准ipv4协议数据报头格式；图3为本发明第一实施例中下位机当班主机及输出决策流程图；其中，图3a显示了第一下位机当班主机及输出决策流程图；图3b显示了第二下位机当班主机及输出决策流程图；图4为本发明第一实施例中上位机当班主机及输出决策流程图；其中，图4a显示了第一上位机当班主机及输出决策流程图；图4b显示了第二上位机当班主机及输出决策流程图；图5为本发明第一实施例中接收外网数据的信息处理流程图。图中：1、第一数据广播模块；2、通道选择模块；3、第五网络控制器模块；4、报文转换模块；5、第二数据广播模块；6、第三数据广播模块；7、终端管理模块；11、第一网络控制器模块；12、第二网络控制器模块；13、第一通道信号采集模块；14、第一通道计算逻辑模块；15、第一工作状态分析模块；16、第一工作状态指示灯；21、第三网络控制器模块；22、第四网络控制器模块；23、第二通道信号采集模块；24、第二通道计算逻辑模块；25、第二工作状态分析模块；26、第二工作状态指示灯。具体实施方式下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。参见图1，是本发明第一实施例提供的双冗余热备装置的结构框图。该实施例的双冗余热备装置包括：上位机主备状态设置模块、下位机主备状态设置模块、第一数据广播模块1、通道选择模块2、第五网络控制器模块3、报文转换模块4、第二数据广播模块5、第三数据广播模块6、终端管理模块7。上位机主备状态设置模块，上位机主备状态设置模块包括第一网络控制器模块11、第二网络控制器模块12、第一通道信号采集模块13、第一通道计算逻辑模块14、第一工作状态分析模块15和第一工作状态指示灯16，第一通道计算逻辑模块14分别与第一网络控制器模块11、第二网络控制器模块12和第一通道信号采集模块13连接；第一工作状态分析模块15分别与第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12连接；第一工作状态指示灯16与第一工作状态分析模块15连接。在本发明实施例中，上位机主备状态设置模块用于确定两台上位机中当前值班主机和当前值班的备用机。第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12用于与两台上位机进行网络通信，同时，第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12还输出自身的实时工作状态至第一通道计算逻辑模块14；第一通道信号采集模块13采用拨动式二值开关控制，当开关为on时，输出高电平，表示第一上位机处于工作状态，第二上位机处于备用工作状态；当开关为off时，输出低电平，表示第一上位机处于备用工作状态，第二上位机处于工作状态；第一通道信号采集模块13输出电信号至第一通道计算逻辑模块14的输入端。第一通道计算逻辑模块14，采用组合逻辑电路，其输入包括数据输入和控制输入两种。数据输入来自第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12输出的网络数据；控制输入来自第一通道信号采集模块13输出的拨动开关值电信号、第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12输出的自身的实时工作状态；控制输入的结果决定数据输入的导通与否。下位机主备状态设置模块，下位机主备状态设置模块包括第三网络控制器模块21、第四网络控制器模块22、第二通道信号采集模块23、第二通道计算逻辑模块24、第二工作状态分析模块25和第二工作状态指示灯26，第二通道计算逻辑模块24分别与第三网络控制器模块21、第四网络控制器模块22和第二通道信号采集模块23连接；第二工作状态分析模块25分别与第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22连接；第二工作状态指示灯26与第二工作状态分析模块25连接。在本发明实施例中，下位机主备状态设置状态用于确定两台下位机中当前值班主机和当前值班的备用机。第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22用于与两台下位机进行网络通信，同时，第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22还输出自身的实时工作状态至第二通道计算逻辑模块24；第二通道信号采集模块23采用拨动式二值开关控制，当开关为on时，输出高电平，表示第一下位机处于工作状态，第二下位机处于备用工作状态；当开关为off时，输出低电平，表示第一下位机处于备用工作状态，第二下位机处于工作状态；第二通道信号采集模块23输出电信号至第二通道计算逻辑模块24的输入端。第二通道计算逻辑模块24，采用组合逻辑电路，其输入包括数据输入和控制输入两种。数据输入来自第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22输出的网络数据；控制输入来自第二通道信号采集模块23输出的拨动开关值电信号、第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22输出的自身的实时工作状态；控制输入的结果决定数据输入的导通与否。在本发明实施例中，第一通道信号采集模块13和第二通道信号采集模块23为功能相同的两个部件，接收用户选择的当班主机。第一通道信号采集模块13作为下位机主/备用切换信号1的采集器，第二通道信号采集模块23作为上位机主/备用切换信号2的采集器。各通道信号采集模块均采用电平触发，高电平信号表示第一下位机或第一上位机的网络控制器模块数据优先输出，第二下位机或第二上位机网络控制器模块数据作备用输出；低电平信号时情况相反。本发明实施例中，第一通道计算逻辑模块14和第二通道计算逻辑模块24为两个功能相同的部件；均采用数字逻辑可编程芯片，实现依照计算逻辑模型将输入端短接到输出端的功能。第一通道计算逻辑模块14数据输入为第一网络控制器模块11的数据流x1和第二网络控制器模块12的数据流x2，控制输入为三路高低电平信号，分别是第一网络控制器模块11的通电状态u1、第二网络控制器模块12的工作状态u2、第一通道信号采集模块13的主/备用信号值w1，输出当前值班下位机的网络控制器数据x1或(互斥)x2。下位机工作在双机热备模式时，第一通道计算逻辑模块14实现了根据用户选择确定当前值班下位机的功能。第一通道计算逻辑模块14的计算逻辑模型为：上述计算模型的真值表为：从结果可以看出，当u1和u2不全为0或全为1时，即只有一个下位机工作，下位机处双机冷备工作模式，主/备用切换信号1无效，此时由工作的下位机充当值班主机；当u1和u2全为1时，即双下位机同时工作，转换到双机热备工作模式，主/备用切换信号1有效，当w1＝0时，选择第一下位机作为当前值班主机，当w1＝1时，选择第二下位机作为当前值班主机，在上述两种工作模式下，仅值班主机与外部作战网络、上位机通信。因此，实现了下位机在双机热备工作模式下由用户通过主/备用切换信号确定当前值班主机的功能。第二通道计算逻辑模块24的工作原理与第一通道计算逻辑模块14相同，主要解决从两个上位机中确定当前值班主机的问题，其计算逻辑模型为：对应的真值表为：从结果可以看出，当u3和u4不全为0或全为1时，即只有一个上位机工作，上位机处双机冷备工作模式，主/备用切换信号2无效，此时，由工作的上位机充当值班主机；当u1和u2全为1时，即两个上位机同时工作，转换到双机热备工作模式，主/备用切换信号2有效，当w2＝0时，选择第一上位机作为当前值班主机，当w2＝1时，选择第二上位机作为当前值班主机。在上述两种工作模式下，仅值班主机与下位机通信，因此，实现了上位机在双机热备工作模式下由用户确定当前值班主机的功能。本发明实施例中，第一工作状态分析模块15和第二工作状态分析模块25为功能相同的两个部件，用于显示判断双机系统工作在冷备或热备模式。采用组合逻辑电路，第一工作状态分析模块15输入第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12的工作状态信号，由计算逻辑规则判断下位机系统为单机冷备或双机热备工作模式，分别对应一种状态组合值，用于控制第一工作状态指示灯16。同样地，第二工作状态分析模块25输入第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22的工作状态信号，由计算逻辑规则判断上位机系统为单机冷备或双机热备工作模式，分别对应一种状态组合值，用于控制第二工作状态指示灯26。具体地，第一工作状态分析模块15采用组合逻辑电路，输入为第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12的工作状态，输出两位二进制数p1p2，p1p2＝10表示当前下位机处双机冷备工作模式，第一工作状态指示灯16的1号灯亮、2号灭；p1p2＝01表示当前下位机处双机热备工作模式，第一工作状态指示灯16的1号灯、2号灯同时亮；p1p2＝0表示第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12均未通电，即当前第一下位机和第二下位机均未开机，则第一工作状态指示灯16的1号灯、2号灯都不亮。p1的计算模型：p2的计算模型：p1＝u1u2。第一工作状态分析模块15实现了下位机的双机冷、热备工作模式判断指示；其实现的逻辑计算真值表为：u1u2p1p2说明0000第一下位机、第二下位机未开机0110双机冷备，第一下位机关机，第二下位机开机1010双机冷备，第一下位机开机，第二下位机关机1101双机热备，第一下位机开机，第二下位机开机第二工作状态分析模块25实现了上位机双机冷、热备工作模式的判断指示，其计算逻辑与第一工作状态分析模块15类似。通道选择模块2分别与第一通道计算逻辑模块14和第一数据广播模块1连接第一数据广播模块1分别连接第三网络控制器模块21和第四网络控制器模块22；第二通道计算逻辑模块24经第二数据广播模块5分别连接第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12；通道选择模块2还连接报文转换模块4，报文转换模块4分别连接终端管理模块7和第五网络控制器模块3；第五网络控制器模块3经第三数据广播模块6分别连接第一网络控制器模块11和第二网络控制器模块12；本发明实施例中，第五网络控制器模块3用于实现与外部作战网络的网络通信。具体地，在本发明实施例中，第一网络控制器模块11、第二网络控制器模块12、第三网络控制器模块21、第四网络控制器模块22和第五网络控制器模块3为功能相同的五个部件，采用标准以太网网络控制器接口芯片，封装了ieee-802.3物理层和数据链路层协议，连接上位机、下位机、及外部作战网络数据交换设备，实现两台上位机、两台下位机及外部作战网络之间的互联互通及网络数据收发。发送数据时，各网络控制器模块将网络数据转换为比特流电子电气信号，接收作战网络数据时，负责将模拟数据转换为计算机能处理识别的数字二进制流。此外，各网络控制器模块还输出自己的实时工作状态。网络控制器工作状态采用0或1表示，0表示网络控制器模块未加电或故障，1表示网络控制器模块工作正常。本发明实施例中，通道选择模块2用于选择性将来自下位机的网络数据发送给上位机或发送给外部作战网络。具体地，通道选择模块2采用一块可编程控制器，输入来自下位机发送的网络数据，通过分析网络数据包的报文头，确定是将数据转发给第五网络控制器模块3，由第五网络控制器模块3发送到外部作战网络；还是将数据经第一数据广播模块1，发送到上位机。具体地，通道选择模块2采用一块可编程控制器芯片，标准以太网输入接口，输入的数据格式为基于tcp/ip协议的ipv4数据报，其报文头定义见图2，通过设计通道计算算法，确定待转发的网络数据目的地是上位机还是外部网络。下位机待转发的网络报文目的地确定算法包括如下步骤：定理1：设ω表示下位机发送的任意一个网络数据报文，长度是l(字节)，bi表示从报文第i个字节开始的内容，0≤i≤l，则报文目的地网络ip地址addrdd、发送方网络ip地址addrsd满足以下等式：addrdd＝b16-b20；addrsd＝b12-b16；s1.根据定理1实时计算每一条报文的addrdd和addrsds2.限定节点内部网络的子网掩码为255.255.255.0，第一下位机、第二下位机、第一上位机和第二上位机在同一个网段，从而可以根据addrdd和addrsd确定报文目的地，决策规则为：(1)且是一个要发送到外网的数据报，十进制16777216、4278190080分别对应的16十制数为0x1000000，0xff000000；(2)或不向外发送；(3)其他情况时：是一个要发送到上位机的数据报；定理2：设作战系统给装置1隶属节点分配的网络ip地址为addrnode，则addrsd＝addrnod。本发明实施例中，第一数据广播模块1、第二数据广播模块5、第三数据广播模块6为功能相同的三个部件，均采用带缓存的双通道、高速数字信号转发器，负责将收到的网络输入数据复制两路相同数据同步输出到上位机或下位机网络控制器模块，其中第三数据广播模块6主要负责将来自外部作战网络的数据同步转发到两台下位机，第一数据广播模块1是将下位机的网络输出数据复制两路分发给两台上位机，第二数据广播模块5的处理流程是将上位机的网络输出数据复制两路分发给两台下位机。具体地，第一数据广播模块1、第二数据广播模块5、第三数据广播模块6为功能相同的三个部件，各数据广播模块主要采用一分二转换器数字芯片复制输出两路相同数据。第三数据广播模块6输入来自第五网络控制器模块3接收的外部作战系统网络数据，复制相同的两路，其中一路传送给第一网络控制器模块11，另一路传送给第二网络控制器模块12，确保来自作战系统的网络数据，两个下位机能够实时、同步、准确接收。第一数据广播模块1输入来自第一通道计算逻辑模块14转发的当前值班下位机输出的网络数据，复制相同的两路，其中一路传送给第三网络控制器模块21，另一路传送给第四网络控制器模块22，确保当前值班下位机发送的网络数据能够被两个上位机实时、同步、准确接收。第二数据广播模块5的工作流程恰好与数据广播模块2相反，主要是将上位机发送的网络数据同步传递到两个下位机。在本发明实施例中，报文转换模块4采用一块可编程控制器芯片，输入通道选择模块2提供的网络数据报文ω以及节点网络ip地址addrnod，通过分析以太网tcp/ip协议的ipv4数据报文头部结构，根据定理2对字段“sourceipaddress”内容用节点分配的作战系统网络地址进行替换，该策略确保了该装置能够适应作战系统采用基于网络ip地址白名单的网络安全管理措施。在本发明实施例中，终端管理模块7采用可编程控制器，一方面提供管理接口，支持用户修改装置1的网络配置信息，主要包括网络ip地址、子网掩码，另一方面负责管理存储上述配置信息的小容量可擦除存储器。实际工作中，双冗余热备装置需要在用户的参与下，结合两个下位机和两个上位机当前工作状态、主/备用切换信号，确定接收外部作战网络数据并向上位机传送的当班下位机以及将上位机收到的用户操作响应计算结果发送到下位机，完整的下位机、上位机当班主机及输出决策算法如图3、图4所示。装置在上电复位后，工作状态分析模块1、工作状态分析模块2在每个工作周期分别采集第一下位机和第二下位机、第一上位机和第二上位机的网络状态，判定是双机冷备(单机)工作模式，此时下位机对应输出的p1为高电平信号、p2为低电平信号，仅p1灯亮或者上位机对应输出的p3为高电平信号、p4为低电平信号，仅p3灯亮，还是双机热备工作模式，此时下位机对应输出的p1、p2为高电平信号，p1和p2灯同时亮或者下位机对应输出的p3、p4为高电平信号，p3和p4灯同时亮。在双机冷备工作模式下，由加电工作的下位机或上位机充当值班主机；双机热备工作时，用户通过主/备用切换信号人工选择确定当前下位机的值班主机和上位机的值班主机；当开关为on时，第二下位机或第二上位机作为当前值班主机，开关为off时，第一下位机或第一上位机为当前值班主机。下位机的主/备用切换信号和上位机的主/备用切换信号独立设置、互不影响。实际工作时完整的接收外网数据处理流程如图5所示，首先由第三数据广播模块6将收到的作战网络数据同步发送给第一下位机和第二下位机，下位机收到数据后转入业务逻辑处理，进一步根据下位机当班主机决策算法确定下位机的当前值班主机，将其将计算结果通过数据广播模块2同步发送给第一上位机和第二上位机。装置工作过程中，用户可通过终端管理模块7实时修改节点由作战系统分配的网络ip地址，并永久保存在双冗余热备装置的存储器中。设计两条配置指令，用户输入格式为：(1)配置双冗余热备装置的节点网络ip地址：setaddrxxx.xxx.xxx.xxx，ip地址由“.”分隔的4组0-255之间的数字组成；(2)配置双冗余热备装置的节点网络子网掩码：setmaskyyy.yyy.yyy.yyy，子网掩码也由4组数字组成，仅能取0或255；双机热备工作模式下，用户可通过开关控制下位机的主/备用切换信号、上位机的主/备用切换信号，人工指定充当值班主机的上位机和下位机两个信号独立配置、互不影响，信号状态发生变化后，无须重启装置，立即生效，实时响应输出。任意时刻，不管是改变上位机或下位机的双机冗余工作模式，还是在双机热备工作模式下，改变当前的值班主机，均不影响本发明装置输出数据的实时性、连续性、正确性。当下位机或上位机工作在双机热备模式下，其中一台计算机突然发生因硬件、网络、断电等导致无信号输出失效时，双冗余热备装置将自动切换到单机工作模式，由工作正常的下位机或上位机处理数据，并将计算结果发送到预定的传输通路上，该转换过程对用户透明，不丢失数据，能够保证最终数据处理结果的正确性。上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。当前第1页12