CN110488701A - 基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其中，包括：选定两块国产化龙芯3A2000主板作为互为冗余备份的双控制节点，发现主控节点失效时，将主节点进行复位，将对外通信切换到备用节点，同时备用节点不再进行任务同步操作，并发送一次节点切换报文；主节点检测到与上位机通信或下位机通信失效时，主动进行一次复位，备用节点从静默状态切换至工作状态，并不再执行任务同步操作并发送一次节点切换报文；若两个节点同时出现故障，则向上位机发送异常状态报文并对两个节点同时复位。本发明降低了数据传输在各个环节上的风险，全面实现了主控设备高可用热备份。
Description
技术领域
本发明涉及高可用热备份技术，尤其涉及基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法。
背景技术
随着控制技术的不断发展，现代工业自动化平台越来越多呈现出信息化、智能化的发展趋势。为保证自动化平台长期安全、稳定地运行，对主控设备的可靠性有了更加严格的要求。在很多自动化应用场景中一般都要求无人值守和设备连续工作。但是作为核心的主控设备可靠性再高也无法确保零故障、不停机地运行，通过单纯地提高硬件的可靠性不仅增加了生产成本、也难以满足***对高可靠性的需求。因此，采用热备份技术是保证***安全稳定运行的关键环节。
随着工业、电子等领域国产化趋势的不断发展，包括军工在内，越来越多的自动化***采用国产硬件平台作为主控设备，对于国产化平台的主控设备缺少相应的热备份技术支持，因此研究国产化平台下的热备份技术，有助于提高国家整体的工业水平，同时也对维护国家安全稳定起到了重要作用。
发明内容
本发明基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，用于解决目前国产化平台主控设备容错性差、可靠性难以达到需求的问题。
本发明一种基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其中，包括：选定两块国产化龙芯3A2000主板作为互为冗余备份的双控制节点，两个控制节点之间采用DMA共享内存方式进行数据同步，通过网络进行业务迁移，对外通信包含双冗余网络和FlexRay总线两部分，并将上层计算机的数据进行处理后通过FlexRay对下层计算机进行控制；不同故障模式的处理方式包括：发现主控节点失效时，将主节点进行复位，将对外通信切换到备用节点，同时备用节点不再进行任务同步操作，并发送一次节点切换报文；主节点检测到与上位机通信或下位机通信失效时，主动进行一次复位，备用节点从静默状态切换至工作状态，并不再执行任务同步操作并发送一次节点切换报文；若两个节点同时出现故障，则向上位机发送异常状态报文并对两个节点同时复位。
根据本发明的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法的一实施例，其中，还包括：进行备份测试，用以验证高可用热备份的能力。
根据本发明的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法的一实施例，其中，进行备份测试包括：上位机每隔1ms循环发送带有时间戳的特定指令，在测试过程中采用主动复位的方式模拟主控节点宕机，待总共10000条指令全部发送完毕，通过对比时间戳进行检验。
根据本发明的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法的一实施例，其中，对程序运行结果进行分析，通过计算每次结果中的时间戳数量，缺失的时间戳个数视为切换过程中带来的时间损失，即切换所需时间，若在预设次数测试过程中，热切换带来的时间损失均小于一阈值，则认为满足武控***主控制器的实时性要求。
根据本发明的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法的一实施例，其中，FlexRay节点以总线方式连接，两个信道同时发送冗余数据，通过相位校正和频率校正将总线上设备的本地时间统一至全局时间，使***的各种任务同步进行。
根据本发明的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法的一实施例，其中，当主节点正常工作时，从节点的FlexRay处于静默状态，主节点CPU失效或链路失效时，从节点的FLexRay对外输出。
根据本发明的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法的一实施例，其中，故障检测采用双重故障检测方法，包括主动检测和被动检测，主动检测是控制节点检测自身的健康状态，健康状态分为硬件性能状态和软件运行状态；被动检测是主节点的任务处理状态被从节点实时监听，当发现任务处理异常时，触发异常处理机制，进行故障处理。
根据本发明的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法的一实施例，其中，硬件性能状态是对CPU模块温度、内存温度、内存使用率一家通信链路状态进行快速检测，软件运行状态通过设置看门狗定时器监控程序状态，当主节点监测到自身硬件或软件出现问题后，主动降级并卸载出问题的模块，重启应用。
根据本发明的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法的一实施例，其中，数据同步包括：主节点和从节点建立心跳连接；主节点开始执行任务，并创建同步任务；主节点向从节点上发送同步数据；从节点收到同步数据之后等待同步请求，并创建一个同步任务；从节点待主节点处理完任务后，进行同步结果的处理，若结果相同则继续执行，若不同则发送报文进行故障处理；若主节点失效，从节点接替主节点业务，从节点根据上一次同步的结果确定业务的进程，进行回滚操作，重新执行主节点失效时执行的任务。
根据本发明的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法的一实施例，其中，上位机通过网络强制切换工作节点，并支持对故障检测的任务内容、检测超时时间以及主从节点配置进行自由定制。
本发明提出一种基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法。首先，确定基于网络和FlexRay总线实现的高可用热备份技术的架构。第二步，确定基于网络和FlexRay总线实现的高可用热备份的具体方法。第三步，编写测试程序，搭建环境开展测试。降低了数据传输在各个环节上的风险，全面实现了主控设备高可用热备份。
附图说明
图1所示为基于网络和FlexRay总线的高可用热备份方法的实施架构图；
图2所示为故障检测方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1所示为基于网络和FlexRay总线的高可用热备份方法的实施架构图，如图1所示，本发明基于网络和FlexRay总线的高可用热备份方法包括：
选定两块国产化龙芯3A2000主板作为互为冗余备份的双控制节点，两个控制节点之间采用DMA共享内存方式进行数据同步、通过网络进行业务迁移。采用国产“道***”对任务进行实时处理。对外通信包含双冗余网络和FlexRay总线两部分，和上层计算机通过千兆以太网进行连接，用以传输数据，将上层计算机的数据进行处理后通过FlexRay对下层计算机进行控制。
通过监测对方状态作为检测手段，当互为冗余的一方出现了失效时可以自动地切换到另一方接管当前的业务，保证业务的稳定运行。对于上位机和下位机来说，控制器的切换不会影响业务的进行。
从控制节点、上位机通信、下位机通信三方面进行考虑包括：
(1)进行主控设备全环节热备份，在控制器节点和与上位机通信上采用了双冗余控制节点技术和双冗余千兆以太网技术相结合的方式，与下位机通信采用FlexRay冗余通信和热备的方式。FlexRay节点以总线方式连接，两个信道同时发送冗余数据，通过相位校正和频率校正将总线上设备的本地时间统一至全局时间，使***的各种任务同步进行。当主节点正常工作时，从节点的FlexRay处于静默状态，只有主节点CPU失效或链路失效时，从节点的FLexRay才对外输出。全环节热备方案针对不同故障模式的处理方式如下：
主节点失效。通过故障检测机制发现主控节点失效时，将主节点进行复位，将对外通信切换到备用节点，同时备用节点不再进行任务同步操作，并发送一次节点切换报文。
通信失效。主节点检测到与上位机通信或下位机通信失效时主动进行一次复位，备用节点立即从静默状态切换至工作状态，并不再执行任务同步操作并发送一次节点切换报文。
双节点同时失效。若两个节点同时出现故障，则向上位机发送异常状态报文并对两个节点同时复位。
图2所示为故障检测方法示意图，如图2所示在心跳检测技术的基础上，设计了双重故障检测方法。双重故障检测方法分为主动检测和被动检测。主动检测是控制节点检测自身的健康状态，健康状态分为硬件性能状态和软件运行状态，硬件性能状态通过运行实时自检程序对CPU模块温度、内存温度、内存使用率、通信链路状态等进行快速检测，软件运行状态通过设置看门狗定时器监控程序状态，当主节点监测到自身硬件或软件出现问题后，主动降级并卸载出问题的模块，重启应用。被动检测是主节点的任务处理状态被从节点实时监听，当发现任务处理异常时，触发异常处理机制，进行故障处理。
基于任务的数据同步处理方法，包括：两个节点上分别进行数据处理和任务同步，数据处理完成正常的业务处理功能，任务同步实现冗余节点间的任务数据同步。
具体同步过程包括:
设备上电，两个控制节点上的应用软件开始启动，建立心跳连接；
主节点开始执行任务1，完成任务同步过程；
创建同步任务，向从节点上发送同步数据；
从节点收到同步数据之后等待同步请求，创建一个同步任务；
待主节点处理完任务1后，进行同步结果的处理，若结果相同则继续执行，若不同则发送报文进行故障处理。
若主节点失效，从节点接替主节点业务，从节点根据上一次同步的结果确定业务的进程，进行回滚操作，重新执行主节点失效时执行的任务；
龙芯3A3000+“道***”方案下对FlexRay中断的处理方法。通过深入研究龙芯架构下中断产生机制，完善了FlexRay中断处理过程，在中断处理函数中加入了对FlexRay中断处理的多重判断机制，提升了FlexRay中断处理的稳定性和响应速度。
用户可以在上位机通过网络强制切换工作节点，并支持对故障检测的任务内容、检测超时时间、主从节点配置进行自由定制，同时提供了日志管理功能，主动告警等监控功能，便于用户将主控设备作为武控***网络模块进行统一配置管理。
基于网络和FlexRay总线的高可用热备份方法还包括：编写测试程序，用以验证高可用热备份的能力。测试程序在上位机中运行,每隔1ms循环发送带有时间戳的特定指令，在测试过程中采用主动复位的方式模拟主控节点宕机，待总共10000条指令全部发送完毕，通过对比时间戳检验高可用热备份的性能。
对程序运行结果进行分析，通过计算每次结果中的时间戳数量，缺失的时间戳个数视为切换过程中带来的时间损失，即切换所需时间。
下面给出部分实验数据：
| 实验次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 时间损失(ms) | 17 | 16 | 17 | 18 | 18 | 16 | 18 | 15 | 18 | 18 | 15 | 16 | 16 | 17 | 18 |
在15次测试过程中，热切换带来的时间损失均小于20ms，其中最大切换时间为18ms，最小切换时间为15ms，平均切换时间为17ms，可以满足武控***主控制器的实时性要求，由此证明本发明实质有效。
目前武控***的主控设备难以满足自动化、智能化的发展需求，并且大部分都是依托于X86、ARM和Windows、VxWorks的软硬件平台方案，无法做到武器***的自主可控。本发明依托于国产化的软硬件平台，实现了主控制器软硬件自主可控，并从控制节点、与上位机的通信和与下位机的通信三个方面进行考虑，提出了基于网络和FlexRay总线实现的高可用热备份技术，降低了主控设备在数据传输、数据处理等各个环节上的风险，全面实现了主控设备软硬件自主可控和高可用热备份。经实验验证，基于网络和FlexRay总线实现的高可用热备份技术具有切换时间短、实时性高的特点。
本发明从控制节点、与上位机的通信和与下位机的通信三个方面入手，提出了基于网络和FlexRay总线实现的高可用热备份技术，降低了数据传输在各个环节上的风险，全面实现了主控设备高可用热备份。经实验验证，基于网络和FlexRay总线实现的高可用热备份技术具有切换时间短、实时性高的特点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其特征在于，包括：
选定两块国产化龙芯3A2000主板作为互为冗余备份的双控制节点，两个控制节点之间采用DMA共享内存方式进行数据同步，通过网络进行业务迁移，对外通信包含双冗余网络和FlexRay总线两部分，并将上层计算机的数据进行处理后通过FlexRay对下层计算机进行控制；
不同故障模式的处理方式包括：发现主控节点失效时，将主节点进行复位，将对外通信切换到备用节点，同时备用节点不再进行任务同步操作，并发送一次节点切换报文；
主节点检测到与上位机通信或下位机通信失效时，主动进行一次复位，备用节点从静默状态切换至工作状态，并不再执行任务同步操作并发送一次节点切换报文；
若两个节点同时出现故障，则向上位机发送异常状态报文并对两个节点同时复位。
2.如权利要求1所述的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其特征在于，还包括：进行备份测试，用以验证高可用热备份的能力。
3.如权利要求2所述的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其特征在于，进行备份测试包括：上位机每隔1ms循环发送带有时间戳的特定指令，在测试过程中采用主动复位的方式模拟主控节点宕机，待总共10000条指令全部发送完毕，通过对比时间戳进行检验。
4.如权利要求3所述的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其特征在于，对程序运行结果进行分析，通过计算每次结果中的时间戳数量，缺失的时间戳个数视为切换过程中带来的时间损失，即切换所需时间，若在预设次数测试过程中，热切换带来的时间损失均小于一阈值，则认为满足武控***主控制器的实时性要求。
5.如权利要求1所述的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其特征在于，FlexRay节点以总线方式连接，两个信道同时发送冗余数据，通过相位校正和频率校正将总线上设备的本地时间统一至全局时间，使***的各种任务同步进行。
6.如权利要求5所述的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其特征在于，当主节点正常工作时，从节点的FlexRay处于静默状态，主节点CPU失效或链路失效时，从节点的FLexRay对外输出。
7.如权利要求1所述的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其特征在于，故障检测采用双重故障检测方法，包括主动检测和被动检测，主动检测是控制节点检测自身的健康状态，健康状态分为硬件性能状态和软件运行状态；被动检测是主节点的任务处理状态被从节点实时监听，当发现任务处理异常时，触发异常处理机制，进行故障处理。
8.如权利要求7所述的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其特征在于，硬件性能状态是对CPU模块温度、内存温度、内存使用率一家通信链路状态进行快速检测，软件运行状态通过设置看门狗定时器监控程序状态，当主节点监测到自身硬件或软件出现问题后，主动降级并卸载出问题的模块，重启应用。
9.如权利要求1所述的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其特征在于，数据同步包括：
主节点和从节点建立心跳连接；
主节点开始执行任务，并创建同步任务；
主节点向从节点上发送同步数据；
从节点收到同步数据之后等待同步请求，并创建一个同步任务；
从节点待主节点处理完任务后，进行同步结果的处理，若结果相同则继续执行，若不同则发送报文进行故障处理；
若主节点失效，从节点接替主节点业务，从节点根据上一次同步的结果确定业务的进程，进行回滚操作，重新执行主节点失效时执行的任务。
10.如权利要求1所述的基于国产化处理器的网络和FlexRay总线的高可用热备份方法，其特征在于，上位机通过网络强制切换工作节点，并支持对故障检测的任务内容、检测超时时间以及主从节点配置进行自由定制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191122 |
|
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