一种测发控冗余网络架构及冗余方法与流程

本发明涉及一种高可靠快恢复测发控冗余网络架构设计，属于飞行器测试与控制领域。

背景技术：

测发控系统是飞行器研制和试飞的重要保障系统，用于完成飞行器各阶段的测试以及发射控制任务。当前日趋密集的航天发射任务对快速测试发射技术提出了更高的要求，可靠的、能快速恢复的测发控网络系统是保证测试和发射控制任务圆满完成的必要条件，为飞行器的快速测试与发射提供了保障。

现有测发控网络系统一般采用前后端架构和自动化测试方式，其中前端多采用无人值守方式。针对前后端架构的测发控冗余网络已有多种方案实现，包括主备链路方案、主备链路采用热备份路由器协议(hsrp)的双机热备份方案、主备链路采用hsrp和快速生成树协议(rstp)方案等。上述冗余网络方案在航天任务中得到运用，但在实践过程中发现存在以下不足：1)链路上交换机故障探测和主备机切换时间长，导致大量数据丢失；2)链路配置过程复杂；3)前端主备交换机同时故障时缺乏恢复手段。

如前所述，现有的解决方案难以满足快速测试发射对测发控系统提出的高可靠、快速恢复需求。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种高可靠快恢复测发控多冗余网络架构设计，采用实时故障切换策略，实现交换机故障快速恢复、简化链路配置工作，并为前端设备故障提供恢复手段，以满足当前快速测试与发射任务要求。

本发明的技术方案是：一种高可靠快恢复测发控冗余网络架构，包括多冗余网络、网络前端设备和网络后端设备；多冗余网络为网络前端设备和网络后端设备间提供信息交互的通信链路；所述网络前端设备与飞行器和发射支持系统连接，与网络后端设备通过多冗余网络连接完成飞行器射前测试和发射控制；所述网络后端设备包括布置在远离发射点的设备，包括执行测试发射控制任务必须的网络后端测试设备和网络设备监控及前端设备管理单元。

所述多冗余网络由基于虚拟交换系统的双冗余网络通道和应急网络通道组成，双冗余网络通道和应急网络通道为独立并行的网络通道；双冗余网络通道用于网络前端设备和后端设备间测试数据及控制命令信息的传递；应急网络通道用于前端设备、网络设备状态信息的监视，应急状态下后端测发控系统设备管理单元通过应急通道完成对前端设备的远程控制。

所述双冗余网络通道包括一主一备两台前端交换机、一主一备两台后端交换机和多根连接前、后端交换机的光纤；前端主、备交换机分别与前端设备连接，后端主备交换机分别与后端设备连接。

所述应急网络通道包括应急通道前端交换机、应急通道后端交换机和连接前后端交换机的光纤；应急通道前端交换机连接前端设备；应急通道前端交换机连接后端设备。

所述前端设备为无人值守设备，包括前端测试设备、数据处理服务器和前端加去电控制单元，前端测试设备、数据处理服务器、前端加去电控制单元与多冗余网络的前端网络交换机连接；

前端测试设备与飞行器、发射支持系统通过有线或无线方式连接，通过前端交换机与数据处理服务器连接，完成飞行器测试数据采集和向数据处理服务器送数，接收来自数据处理服务器地测试发射控制指令，处理后向飞行器、发射支持系统发出；

数据处理服务器通过双冗余网络与前端测试设备、网络后端测试设备连接，接收前端测试设备数据和后端测试设备发来的测试发射控制指令，完成数据存储和实时处理，向后端设备发送测试数据处理结果信息，向前端测试设备转发测试发射控制指令；

前端加去电控制单元用于网络前端设备的加去电控制，通过应急网络通道与后端的网络设备监控及前端设备管理单元连接，接收位于后端的网络设备监控及前端设备管理单元发出的前端设备加去电控制指令，根据指令内容控制前端设备供电的通断，完成前端设备的加电和去电。

所述前端测试设备、数据处理服务器均配置双网卡，并采用双网卡绑定，双网卡分别与双冗余网络的前端主交换机和备交换机连接，完成前端测试设备和数据处理服务器间的双向通信。

所述前端测试设备从飞行器获取的测试数据实时推送到前端数据处理服务器，传输协议采用预定格式的udp包协议；前端测试设备接收来自数据处理服务器的测试发射控制指令，传输协议采用预定格式的tcp传输协议；所述数据处理服务器通过双冗余网络与后端测试设备实现数据双向通信；数据处理服务器根据后端测试设备数据请求向后端测试设备传送处理结果数据，传输协议采用预定格式的udp包协议；数据处理服务器接收后端测试设备发起的测试发射控制指令数据，经过处理、分解后向相应的前端测试设备发出控制命令，数据处理服务器与后端测试设备间数据传输协议采用预定格式的tcp传输协议；所述预定格式udp协议包包含信源地址、信宿地址、信息类别、数据域长度、数据域，所述预定格式的tcp传输协议包含帧头、信源地址、信宿地址、信息类别、数据域长度、数据域、帧尾。

数据处理服务器数据处理的处理流程如下：

测试数据处理流程：数据处理服务器接收来自各前端测试设备的测试数据后实时存储到硬盘；数据处理服务器对测试数据进行实时处理，生成具有物理意义的处理结果并在内存中缓存，当数据处理服务器接收到后端测试设备发来的数据请求后，从内存中取出相应的处理结果，按照预定格式打包成udp协议包后，发给对应的后端测试设备；

测试发射控制指令处理流程：数据处理服务器接收来自后端测试设备的测试发射控制指令后实时存储到硬盘；根据控制指令内容，对控制指令进行处理、分解，生成对应的前端测试设备控制指令序列，按照预定流程向相应的前端测试设备发出对应的控制指令；

所述网络后端设备包括后端测试设备和网络设备监控及前端设备管理单元；后端测试设备包括后端显示设备和控制计算机；后端显示设备通过双冗余网络与前端的数据处理服务器连接，从数据处理服务器获取飞行器测试数据用于操作员监视测试状态；控制计算机通过双冗余网络与前端的数据处理服务器连接，操作员根据任务需要通过控制计算机向数据处理服务器发出测试发射控制指令，由数据处理服务器完成测试发射控制指令的处理和分发执行；网络设备监控及前端设备管理单元通过网络与多冗余网络连接，接收并显示来自前端的前端设备工作状态信息、网络交换机工作状态信息实现网络和前端设备的实时监视，并可通过操作员控制发出前端设备加电、去电控制指令，经由应急网络通道传送给前端加去电控制单元，实现前端设备的加电和断电。

一种高可靠快恢复测发控冗余方法，步骤如下：

1)飞行器测试数据由前端测试设备采集并以预定格式传送给前端数据处理服务器进行数据处理、参数解析，通过双冗余网络按照预定格式传递给后端测试设备进行显示；

2)飞行器测试控制指令由后端测试设备以预定格式发出，经由双冗余网络传递给前端数据处理服务器进行处理、解析，形成前端测试设备控制指令后以预定格式分发到相关前端测试设备，完成对飞行器测试、发射流程控制；

3)所有前端设备、网络设备的工作状态信息由各设备产生，经双冗余网络传递给置于后端的网络设备监控及前端设备管理单元进行监视；

4)前端设备管理指令由网络设备监控及前端设备管理单元产生，经应急网络通道以预定格式传递到前端的加去电控制单元，实现对前端设备的加电、断电控制。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明构建的测发控多冗余网络架构，提供了前后端测试设备间信息交互的可靠链路，通过应急网络，对前端测试设备进行管理，满足了前端设备无人值守使用需求；

(2)本发明多冗余网络中的数据传输主通道采用了交换机堆叠技术和虚拟交换系统(vss)技术，相比目前得到应用的采用hsrp+rstp技术的主备链路网络冗余方案，配置简单，故障切换更加快速；

(3)本发明采用的数据处理服务器前置方案，减少了前后端间测试设备的交互信息数据量，降低了前后端间网络交换机负荷，保证了数据传输可靠性；

(4)本发明采用的前端设备管理方案，在前端设备无人值守条件下，有效提高了系统可靠性。

附图说明

图1为测发控冗余网络架构；

图2为双网卡前后端设备与网络主备通道连接示意图

图3为应急通道网络连接示意图；

图4为网络监控数据流简图；

图5为前端设备管理流程；

图6为工作状态及链监数据包格式；

图7为主备机切换流程；

图8为数据处理信息流向；

图9为数据处理流程。

图10为试验流程管理程序流图。

图11为采用udp传输时应用层信息传输协议头示意图。

图12为采用tcp传输时应用层信息传输协议头示意图。

具体实施方式

本发明所述的测发控冗余网络架构包括多冗余网络、网络前端设备和网络后端设备。前端设备包括前端测试设备、数据处理服务器、前端加去电控制单元，后端设备包括后端测试设备、网络设备监控及前端设备管理单元，多冗余网络由数据传输主通道和应急网络组成，如图1所示。

数据传输主通道为基于虚拟交换系统技术双冗余主备热备份网络，前后端各两台交换机及相应的连接电缆组成，前后两端的两台主备热备份交换机分别利用堆叠技术，通过两条堆叠线连接，构成一台虚拟交换机，提供前后端设备信息交换的高带宽、双冗余信息交互通道；前后端交换机间通过多条光纤连接，采用端口汇聚技术，形成吉比特以太网通道(gec)，提高了前后端设备之间传输链路的传输带宽和链路冗余，提高可靠性。前端设备和后端设备分别采用teaming技术实现双网卡绑定后，分别与前端和后端交换机的主、备交换机连接，形成双冗余网络，示意图见图2。

应急网络通道是独立于数据传输主通道双冗余网络的独立网络通道，用于前端设备监视和管理，以满足前端设备的无人值守要求，如图3所示。应急网络通道传输前端设备和交换机的工作状态信息，前端设备及交换机生成状态信息，通过应急通道传输到网络设备监控及前端设备管理单元。网络监控采用简单网络管理协议(snmp)，网络交换机、前端服务器等设备均配置snmp协议，前端设备网络监控及前端管理设备上运行网络监控及设备管理软件，获取、解析和显示网络设备和前端设备的运行状态，并对设备进行控制。监控信息流程如图4所示。

在前端主备交换机故障时由后端网络设备监控及前端管理设备对无人值守前端各设备进行管理和控制，完成前端设备工作状态的恢复，提高系统可靠性。管理策略如下：当后端的设备管理设备监视到前端设备故障时，通过应急通道向前端故障设备发出复位指令，使其恢复到工作状态，如果复位不成功，则向前端加去电控制设备发出故障机断电指令，断开故障机供电，再向前端加去电控制设备发出故障机供电指令，恢复故障机供电，使故障机冷启动后恢复到工作状态，控制流程如图5所示。

前端各单机采用主备热备份工作方式，主机故障时进行主备切换，切换流程如下：主备机通过前端交换机向前端服务器定时发送运行状态和链监信息(如图6所示)，由前端服务器仲裁并切换单机的主备配置，同时将各设备运行状态、主备配置状态、告警状态等发送给处于后端的网络设备监控及前端管理设备供后端操作人员决策。当前端设备n主机出现故障，前端服务器收到设备n主机故障信息，或长时间收不到前端设备n主机运行状态和链监信息时，则判定设备n主机故障，启动主备机切换流程，将原主机切换为备机，备机切换为主机，完成故障机切换。主备机切换流程如图7所示。

数据处理服务器置于前端，运行数据处理和试验流程管理程序。数据处理程序采集并存储前端各分机产生的所有数据和状态，并根据后端请求向后端显示终端发送定制信息，减小了前后端网络流量，从而降低网络丢帧率，数据处理程序信息流向如图8所示，处理流程如图9所示。试验流程管理程序运行在服务器，程序启动后读取并载入多个预定义的任务流程配置文件，生成任务流程列表，并将列表概要信息定时传到后端控制终端供预览。任务前服务器接收来自后端控制终端发出的任务加载命令，选择加载控制终端指定的任务流程，并接收任务启动、任务暂停、任务终止等控制命令，根据流程配置信息自动向前端各设备发出控制命令，并接收各设备反馈，实现自动化调度。试验流程管理程序流图如图10所示。如上所述，试验流程管理程序在试验任务前向后端传递任务流程概要信息，试验过程中仅接收后端控制终端的任务加载命令、任务启动、任务暂停、任务终止等简单命令，前端各设备的控制命令由前端服务器直接发出，减少了前后端信息交互，降低了流程中的控制时延。

不同类型数据根据数据完整性要求的不同采用不同的传输协议，后端显示信息采用udp传输方式，后端控制信息采用tcp传输方式，并定制传输协议，保障信息传输的可靠性。图11和图12分别给出了采用udp和tcp传输时应用层信息传输协议头示意。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。