復雜通信設備關鍵板卡熱備份技術研究與應用*

胡 鵬，康 敏，施彥媛

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

隨著通信技術的發(fā)展和高帶寬需求，通信設備往大容量、高性能發(fā)展?，F(xiàn)代高性能通信設備一般是基于分布式處理的體系架構進行設計，設備內部由多個功能相對獨立的板卡組成，這些板卡在軟硬件設計、功能實現(xiàn)上均很復雜[1]，在一定程度上增加了故障發(fā)生率，為了將故障對通信網絡的影響降低到最小，通過關鍵板卡熱備份技術來提高核心設備的可靠性。本文提出了一套高效易用的熱備份機制（HSP，Hot Standby Protocol），能夠在保證不影響業(yè)務處理前提下，平滑排除故障，恢復正常功能[2]。

1 熱備份通信機制現(xiàn)狀分析

目前，設備熱備份機制沒有標準可供遵循，基本都是按設備應用場景具體情況進行設計，總的來說主要可以分為以下兩種方式。

方式1：基于存儲設備方式，兩臺需要熱備的設備使用共享存儲設備，兩臺服務器可以采用主備、并行等不同的運行方式。但是在基于共享存儲設備方式中，存在存儲設備故障問題。

方式2：基于數(shù)據復制設備方式，兩臺服務器將數(shù)據實時復制到另外一臺服務器上，服務器上都存有數(shù)據，如果一臺服務器出現(xiàn)故障，則可以切換到另外一臺服務器。但是沒有共享存儲設備軟件，針對不同的應用場景，單獨設計不同的熱備通信架構，接口眾多且格式不統(tǒng)一，新增功能對整個系統(tǒng)影響大，擴展性差，無法滿足復雜通信設備的要求。

2 設備系統(tǒng)結構介紹

復雜通信設備系統(tǒng)結構示意如圖1所示，設計有多種功能板卡。例如，網管板支持將整機設備數(shù)據上傳給網管服務器；主控板進行整機控制管理，交換板用于信令業(yè)務數(shù)據轉發(fā)；信令板完成信令協(xié)議處理等。各個板卡之間存在大量通信信息交互，其中主控板[3]、交換板、信令板是整個設備中的核心板卡，如果核心板卡一旦出現(xiàn)故障，則整個通信設備處于不工作狀態(tài)，因此將核心板卡設計為主備板卡，確保某一塊板卡出現(xiàn)故障后自動切換到另外一塊進行工作。

圖1 復雜通信設備系統(tǒng)結構

通過研究現(xiàn)有的熱備份機制[4]發(fā)現(xiàn)其存在不足，并不能有效的實現(xiàn)此功能，我們需要對基于存儲設備、數(shù)據復制等熱備技術加以改進，形成一套用于復雜設備的關鍵板卡熱備份有效機制（HSP），實現(xiàn)整機設備功能高效可靠運行。

復雜通信設備中各熱備板卡的動態(tài)插拔、自動切換、數(shù)據熱備同步等消息均通過下層的HSP服務框架進行傳遞，從而實現(xiàn)板卡的熱備和系統(tǒng)的可靠運行。

3 熱備份技術

HSP提出的主要目的是向上層應用屏蔽通信設備內部物理連接關系，不用關心提供的服務模塊在那塊板卡上以及通過什么物理接口，各板卡可通過靈活配置支持不通的功能。HSP相關術語定義如下。

模塊標識：HSP實體提供服務的標識，每類模塊唯一分配一個模塊標識，供應用協(xié)議調用。

服務主用者：提供HSP服務的主用實體，簡稱主用者。

服務備用者：提供HSP服務的備用實體，簡稱備用者。

通信對等體：進行熱備份通信的主用者與備用者，主用者模塊標識號與備用者模塊標識號是一一對應關系。

熱備項：每個模塊標識下注冊的不同數(shù)據同步項。

3.1 協(xié)議架構

關鍵板卡熱備份技術通過自定義協(xié)議操作[5]，根據上層應用的熱備需求，為應用預分配動態(tài)、靜態(tài)同步熱備項標識，建立起對等體間的主備同步關系，為對等體間傳輸數(shù)據提供傳輸通道。其協(xié)議架構如圖2所示，為上層應用提供相應的注冊接口、數(shù)據同步調用接口，向下直接使用鏈路層協(xié)議承載，屏蔽下層通信細節(jié)，為上層應用協(xié)議完成信息收發(fā)。

3.2 協(xié)議報文格式

熱備份協(xié)議通過收發(fā)HSP消息實現(xiàn)。HSP協(xié)議采用鏈路層協(xié)議作為下層傳輸機制。HSP消息由消息頭和消息體構成。消息頭格式如圖3所示。

VER：HSP協(xié)議版本。

MODULE：上層應用注冊的模塊ID，主用者與備用者一一對應。

TYPE：標識HSP不同的報文類型。不同的報文，消息體的內容不同。

OPT：保留字段。

圖2 熱備份技術在協(xié)議體系的位置

圖3 HSP報文格式

SEQ：基于報文的遞增數(shù)，可用于區(qū)分不同的消息。

ID：模塊下進行數(shù)據熱備的熱備項號。

SUB_ID：每個熱備項下的熱備子項號。

LEN：用于標識熱備負載消息長度。

3.3 協(xié)議報文類型

HSP協(xié)議包括14個自定義的消息數(shù)據報文，分別為請求同步數(shù)據消息（SynAsk），請求同步數(shù)據確認消息（SynAskCon）,同步數(shù)據消息（Syn）,同步數(shù)據確認消息（SynCon），同步數(shù)據完成消息（SynDone）,同步數(shù)據完成確認（SynDoneCon）,同步數(shù)據全部接收消息（SynAllRecv）,同步數(shù)據全部接收確認消息（SynAllRecvCon）,同步增量數(shù)據消息（SynNew）,同步增量數(shù)據確認消息（SynNewCon）,同步增量數(shù)據完成消息（SynNewDone）,同步增量數(shù)據完成確認（SynNewDoneCon）,同步業(yè)務消息（SynTra）,同步業(yè)務確認消息（SynTraCon）。

SynAsk由備用者發(fā)送，備用者根據上層應用注冊的模塊ID以及數(shù)據熱備項，每一個熱備項均向主用者發(fā)送請求同步數(shù)據消息。

SynAskCon由主用者發(fā)送，對備用者發(fā)送的請求同步項消息進行確認，判斷當前熱備項是否存在。

Syn由主用者發(fā)送，主用者將每個數(shù)據熱備項內容進行封裝發(fā)送到備用者。

SynCon由備用者發(fā)送，備用者接收解析同步數(shù)據內容后向主用者發(fā)送確認消息。

SynDone由主用者發(fā)送，主用者收到備用者發(fā)送的數(shù)據同步確認消息后，判斷本模塊下熱備項是否同步完成，同步完成之后向備用者發(fā)送本模塊數(shù)據同步完成消息。

SynDoneCon由備用者發(fā)送，備用者收到此消息后判斷備用者本模塊下是否熱備項完成，完成則向主用者發(fā)送確認消息。

SynAllRecv由備用者發(fā)送，備用者判斷本板卡下所有模塊熱備項均完成，則向主用者發(fā)送此消息。

SynAllRecvCon由主用者發(fā)送，主用者收到此消息后確認所有數(shù)據已經同步完到備用板。

SynNew由主用者發(fā)送，主用者將前階段同步數(shù)據過程中產生變化的數(shù)據通過此同步增量數(shù)據消息同步到備用板。

SynNewCon由備用者發(fā)送，備用者接收解析增量同步數(shù)據內容后向主用者發(fā)送確認消息。

SynNewDone由主用者發(fā)送，主用者收到備用者發(fā)送的同步增量數(shù)據確認消息后，判斷本模塊下其它熱備項是否完成，同步完成之后向備用者發(fā)送本模塊增量數(shù)據同步完成消息。

SynNewDoneCon由備用者發(fā)送，備用者收到此消息后判斷備用者本模塊下熱備項同步增量數(shù)據是否完成，完成則向主用者發(fā)送確認消息。

SynTra由主用者發(fā)送，數(shù)據同步完成之后，在運行過程中當主用者數(shù)據產生變化，則通過此消息向備用者同步變化數(shù)據。

SynTraCon由備用者發(fā)送，備用者接收解析同步數(shù)據內容后向主用者發(fā)送確認消息。

3.4 協(xié)議流程

熱備份實體互操作流程如圖4所示，主要過程分為4個階段—主備發(fā)現(xiàn)、靜態(tài)同步、靜態(tài)增量同步、動態(tài)同步。

3.4.1 主備發(fā)現(xiàn)

板卡上電后，由其它軟件模塊從硬件讀取當前板卡主備狀態(tài)，并調用熱備份模塊中指定的主備函數(shù)接口來通知熱備份模塊當前工作主備狀態(tài)。

運行過程中，通過定時器監(jiān)測板卡硬件主備狀態(tài)，并調用主備函數(shù)接口來通知熱備份模塊當前工作主備狀態(tài)，確保板卡切換后熱備份工作正常。

3.4.2 靜態(tài)同步

靜態(tài)同步發(fā)生在軟件模塊初始化階段，此過程主要目的是將主用板卡上相關軟件模塊的狀態(tài)信息同步到備用板卡上對應的軟件模塊，使得兩者之間的狀態(tài)信息完全同步，保障備用板卡上軟件模塊可以在此狀態(tài)信息的基礎上穩(wěn)定運行。

3.4.3 靜態(tài)增量同步

靜態(tài)增量同步發(fā)生在軟件模塊初始化階段，主要目的是將靜態(tài)同步階段中，主用板卡軟件模塊產生變化的狀態(tài)信息再一次同步到備用板卡上對應軟件模塊，使得兩者之間的狀態(tài)信息完全同步，此過程同步時間相對于靜態(tài)同步時間大大減少。

3.4.4 動態(tài)同步

動態(tài)同步發(fā)生在軟件模塊正常運行過程中。此過程主要目的是將主用板卡在運行過程中產生或改變的狀態(tài)信息及時同步到備用板卡上，以使得備用板卡與主用板卡的狀態(tài)時刻保持一致。保證備用板卡上軟件模塊可以在此狀態(tài)信息的基礎上穩(wěn)定運行。

3.5 協(xié)議狀態(tài)機

3.5.1 主用者狀態(tài)機

HSP主用者在靜態(tài)同步、靜態(tài)增量同步過程中有4個狀態(tài)，分別是S_NON、S_SND1、S_SND2、S_DON2。如圖5所示：

S_NONE：主用者初始狀態(tài)。

S_SND1：發(fā)送靜態(tài)數(shù)據狀態(tài)。主用者向備用者發(fā)送同步數(shù)據消息后，從S_NONE狀態(tài)進入該狀態(tài)。當備用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_SND2：發(fā)送靜態(tài)增量數(shù)據狀態(tài)。主用者向備用者發(fā)送同步增量數(shù)據消息后，從S_SND1狀態(tài)進入該狀態(tài)。當備用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_DON2：靜態(tài)增量數(shù)據完成狀態(tài)。主用者收到備用者發(fā)送的同步增量數(shù)據確認消息后，從S_SND2狀態(tài)進入該狀態(tài)。當主備切換、備用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

圖4 HSP熱備實體互操作流程

圖5 HSP主用者狀態(tài)機

3.5.2 備用者狀態(tài)機

HSP備用者在靜態(tài)同步、靜態(tài)增量同步過程中有6個狀態(tài)，分別是S_NON、S_ASK、S_REV1、S_DON1、S_REV2、S_DON2。如圖6所示。

S_NON：備用者初始狀態(tài)。

S_ASK：請求狀態(tài)。備用者向主用者發(fā)送請求同步數(shù)據消息后。從S_NONE狀態(tài)進入該狀態(tài)。當主用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_REV1：收靜態(tài)數(shù)據狀態(tài)。備用者收到主用者發(fā)送的同步數(shù)據消息后。從S_ASK狀態(tài)進入該狀態(tài)。當主用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_DON1：靜態(tài)數(shù)據完成狀態(tài)。備用者收到主用者發(fā)送的同步數(shù)據完成消息后，從S_REV1狀態(tài)進入該狀態(tài)。當主用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_REV2：收靜態(tài)增量數(shù)據狀態(tài)。備用者收到主用者發(fā)送的同步增量數(shù)據消息后，從S_DON1狀態(tài)進入該狀態(tài)。當主用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

S_DON2：靜態(tài)增量數(shù)據完成狀態(tài)。備用者收到主用者發(fā)送的同步增量數(shù)據完成消息后，從S_REV2狀態(tài)進入該狀態(tài)。當主備切換、備用者下線時，回到S_NONE狀態(tài)。

圖6 HSP備用者狀態(tài)機

4 結語

關鍵板卡熱備份技術支持復雜通信設備在保證不影響業(yè)務處理前提下，平滑排除故障，自動切換恢復正常功能。能夠大幅提高通信設備的穩(wěn)定性、可靠性，進而提升整個通信網絡的穩(wěn)定、可靠性。同時熱備份技術具備智能化設計思想、對外接口統(tǒng)一、模塊化和擴展性好等特點，在多個設備上已推廣使用。