强实时双系统中容错技术研究.pdf

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编号:20181206164114007632    类型:共享资源    大小:61.79KB    格式:PDF    上传时间:2019-02-16
  
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强实时双系统中容错技术研究 容错系统 技术研究
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文 章 编 号 : l?0?0?l?-?2?4?8?6?( 2?0?0?0?) 0?6?-?0?0?5?7?-?0?3? 强 实 时 双 系 统 中 容 错 技 术 研 究 !? 李 宏 亮 l?, 胡 国 平 2?, 胡 华 平 l?, 赵 龙 l? ( l?.? 国 防 科 技 大 学 计 算 机 学 院 , 湖 南 长 沙 4?l?0?0?7?3?; 2?.? 总 装 备 部 测 通 所 , 北 京 ) 摘 要 : 在 关 键 任 务 部 门 中 , 实 时 双 系 统 的 应 用 越 来 越 广 泛 。 如 何 保 证 高 的 可 用 度 和 高 的 响 应 时 间 是 它 们 共 同 面 临 的 问 题 。 在 本 文 中 , 全 面 论 述 了 强 实 时 双 系 统 容 错 技 术 中 的 关 键 问 题 , 包 括 系 统 结 构 定 义 、 故 障 检 测 、 状 态 切 换 。 实 际 应 用 的 结 果 表 明 , 方 案 可 以 满 足 应 用 系 统 高 可 靠 、 强 实 时 的 需 求 , 取 得 了 良 好 的 效 果 。 关 键 词 : 实 时 ; 双 系 统 ; 故 障 检 测 ; 状 态 切 换 中 图 分 类 号 : T?P?3?l?l?文 献 标 识 码 : A? A? S?t?u?d?y? O?f? F?a?u?l?t?-?T?O?l?e?r?a?n?t? i?n? H?a?r?d? R?e?a?l? T?i?m?e? D?u?a?l? S?y?S?t?e?m? L?I? H?O?H?g?-?1?i?a?H?g?l?, H?U? G?u?O?-?p?i?H?g?2?, H?U? H?u?a?-?p?i?H?g?l?, Z?H?A?0? L?O?H?g?l? ( l?.? C?O?1?1?e?g?e? O?f? C?O?m?p?u?t?e?r?, N?a?t?i?O?H?a?1? U?H?i?V?.? O?f? D?e?f?e?H?S?e? T?e?c?1?H?O?1?O?g?y?, C?1?a?H?g?S?1?a? 4?l?0?0?7?3?, C?1?i?H?a? 2?.? T?1?e? I?H?S?t?i?t?u?t?e? O?f? M?e?a?S?u?r?e?m?e?H?t? a?H?c? C?O?m?m?u?H?i?c?a?t?i?O?H?, B?e?i? ?i?H?g?) A?b?S?t?r?a?c?t?: T?1?e? 1?a?r?c? r?e?a?1? t?i?m?e? c?u?a?1? S?y?S?t?e?m?S? a?r?e? a?p?p?1?i?e?c? i?H? c?r?u?c?i?a?1? t?a?S?k?S? w?i?c?e?1?y?.? T?1?e? c?O?m?m?O?H? p?r?O?b?1?e?m? t?1?e?y? f?a?c?e? i?S? 1?O?w? t?O? g?u?a?r?a?H?t?e?e? t?1?e? 1?i?g?1? a?V?a?i?1?a?b?i?1?i?t?y? a?H?c? t?1?e? 1?i?g?1? r?e?S?p?O?H?S?e? t?i?m?e?.? A? f?u?1?1? c?i?S?c?u?S?S?i?O?H? O?f? t?1?e? k?e?y? p?r?O?b?1?e?m?S? i?H? 1?a?r?c? r?e?a?1? t?i?m?e? c?u?a?1? S?y?S?t?e?m? i?S? p?r?e?S?e?H?t?e?c?, i?H?c?1?u?c?-? i?H?g? t?1?e? c?e?f?i?H?i?t?i?O?H? O?f? S?y?S?t?e?m? a?r?c?1?i?t?e?c?t?u?r?e?, f?a?u?1?t?-?c?e?t?e?c?t?i?O?H? a?H?c? S?t?a?t?e?-?t?r?a?H?S?i?t?i?O?H?.? T?1?e? p?r?a?c?t?i?c?e? S?1?O?w?S? t?1?a?t? t?1?e? S?O?1?u?t?i?O?H? c?a?H? m?e?e?t? t?1?e? r?e?g?u?i?r?e?-? m?e?H?t? O?f? 1?i?g?1? a?V?a?i?1?a?b?i?1?i?t?y? a?H?c? 1?a?r?c? r?e?a?1? t?i?m?e?, a?H?c? t?1?e? a?c?1?i?e?V?e?m?e?H?t? i?S? O?u?t?S?t?a?H?c?i?H?g?.? K?e?y? w?O?r?d?S?: r?e?a?1? t?i?m?e?; c?u?a?1? S?y?S?t?e?m?; f?a?u?1?t? c?e?t?e?c?t?i?O?H?; S?t?a?t?e? t?r?a?H?S?i?t?i?O?H? 实 时 系 统 是 计 算 机 应 用 的 一 个 重 要 方 向 , 已 经 广 泛 应 用 于 航 天 、 军 事 、 工 业 控 制 以 及 电 子 商 务 中 。 同 时 , 在 这 些 实 时 系 统 中 , 任 何 微 小 的 差 错 都 可 能 导 致 重 大 的 经 济 损 失 , 因 此 如 何 保 证 高 的 可 用 度 是 他 们 共 同 面 临 的 问 题 [ l?] [ 5?] [ 7?] 。 在 以 前 的 大 多 数 研 究 和 实 践 中 , 系 统 的 容 错 采 用 的 是 三 模 或 者 多 模 容 余 。 但 是 , 随 着 计 算 机 性 能 的 不 断 提 高 , 单 模 块 的 平 均 故 障 时 间 在 延 长 , 这 样 , 使 用 三 模 或 者 多 模 容 余 会 带 来 比 较 高 的 代 价 , 甚 至 有 些 多 余 [ 2?] [ 3?] 。 因 此 , 在 许 多 的 实 时 应 用 中 , 越 来 越 多 地 采 用 双 系 统 的 结 构 。 因 此 , 双 系 统 容 错 技 术 的 研 究 有 着 重 要 的 现 实 意 义 。 我 们 研 究 的 实 时 系 统 的 特 点 为 : 实 时 性 要 求 高 ( 响 应 时 间 和 处 理 时 间 ) ; 需 要 不 间 断 地 进 行 处 理 , 可 用 度 要 求 高 ; 处 理 的 对 象 主 要 为 短 事 务 。 根 据 系 统 的 特 点 , 下 面 给 出 了 实 时 系 统 的 一 个 通 用 的 模 型 。 在 这 个 模 型 中 , 我 们 将 一 个 事 物 的 处 理 分 成 多 个 步 骤 , 每 个 步 骤 用 一 个 逻 辑 处 理 器 ( L?O?g?i?c? P?r?O?c?e?S?S?O?r? L?P?) 来 进 行 处 理 , 每 一 个 处 理 步 骤 的 输 出 是 下 一 个 处 理 步 骤 的 输 入 , 从 而 构 成 一 个 宏 流 水 结 构 。 我 们 把 一 个 完 整 的 处 理 流 程 称 为 一 个 机 组 。 系 统 的 逻 辑 示 意 图 如 图 l? 所 示 : 实 际 上 , 多 个 逻 辑 处 理 器 可 对 应 到 一 个 物 理 处 理 器 上 , 但 是 , 机 组 和 机 组 之 间 必 须 使 用 不 同 的 物 理 处 理 器 。 各 个 不 同 的 物 理 处 理 器 之 间 可 用 高 速 网 络 或 者 反 射 存 储 器 ( r?e?f?1?e?c?t?i?V?e? m?e?m?O?r?y?) 来 实 现 紧 耦 合 。 在 通 常 情 况 下 , 两 个 机 组 采 用 同 源 输 入 , 系 统 的 输 出 结 果 采 用 一 定 的 策 略 从 两 个 机 组 中 选 取 。 国 防 科 技 大 学 学 报 第 2?2? 卷 第 6? 期 J?0?U?R?N?A?L? 0?F? N?A?T?I?0?N?A?L? U?N?I?V?E?R?S?I?T?Y? 0?F? D?E?F?E?N?S?E? T?E?C?H?N?0?L?0?G?Y?V?O?1?.?2?2? N?O?.?6? 2?0?0?0? !?收 稿 日 期 : 2?0?0?0?-?0?6?-?2?3? 基 金 项 目 : 9?5? 国 家 预 研 重 点 资 助 项 目 ( l?5?.?2?.?3?) 作 者 简 介 : 李 宏 亮 ( l?9?7?5?-?) , 男 , 博 士 研 究 生 。 图 l? 应 用 系 统 逻 辑 示 意 图 F?i?g?.?l?T?1?e? L?O?g?i?c? f?i?g?u?r?e? O?f? a?p?p?1?i?c?a?t?i?O?D? S?y?S?t?e?m? !?故 障 检 测 技 术 故 障 检 测 是 双 系 统 的 最 基 础 的 一 步 。 对 于 实 时 系 统 来 说 , 故 障 检 测 应 该 满 足 : 及 时 准 确 地 定 位 故 障 , 占 用 系 统 开 销 小 。 根 据 实 际 系 统 的 特 点 , 我 们 把 系 统 的 故 障 分 为 : ( l?) 偶 然 故 障 : 由 偶 然 事 件 引 发 的 程 序 执 行 过 程 中 出 现 的 难 以 重 复 出 现 的 故 障 ( 2?) 永 久 故 障 : 系 统 中 重 复 出 现 的 故 障 。 又 可 以 分 为 · 硬 件 故 障 : 硬 件 设 备 故 障 · 软 件 故 障 : 程 序 设 计 中 出 现 的 逻 辑 错 误 · 崩 溃 我 们 采 用 了 以 下 的 检 测 方 法 : ( l?) 系 统 状 态 区 。 为 了 及 时 检 测 各 个 逻 辑 处 理 器 的 状 态 , 需 要 设 立 全 局 的 状 态 区 。 其 结 构 如 图 2? 所 示 。 图 2? 全 局 系 统 状 态 区 示 意 图 F?i?g?.?2?T?1?e? f?i?g?u?r?e? O?f? S?y?S?t?e?m? S?t?a?t?u?S? a?r?e?a? ( 2?) 检 查 点 检 测 和 心 跳 检 测 相 结 合 。 心 跳 检 测 指 的 是 在 一 段 时 间 间 隔 向 外 广 播 自 身 的 状 态 ( 通 常 为 “ 存 活 ” 状 态 ) 并 且 检 查 其 它 节 点 的 “ 存 活 ” 状 态 。 心 跳 检 测 的 检 测 时 间 和 检 测 的 间 隔 时 间 是 心 跳 检 测 的 关 键 问 题 。 设 置 的 间 隔 时 间 过 于 频 繁 , 将 会 影 响 到 系 统 的 正 常 运 行 , 占 用 系 统 资 源 ; 而 设 置 的 间 隔 时 间 太 长 , 则 检 测 会 比 较 迟 钝 , 影 响 故 障 检 测 的 及 时 性 , 最 终 影 响 到 整 个 系 统 计 算 的 正 确 。 同 时 , 由 于 定 时 器 的 处 理 占 用 的 系 统 资 源 比 较 多 , 因 此 应 该 尽 量 避 免 定 时 器 中 断 的 产 生 。 在 我 们 的 短 事 务 实 时 系 统 中 , 我 们 采 用 了 定 时 检 测 和 动 态 检 测 相 结 合 的 方 法 来 设 置 心 跳 检 测 的 间 隔 时 间 , 即 设 置 的 心 跳 检 测 的 间 隔 时 间 为 一 个 定 时 间 隔 !? l?和 处 理 一 定 数 量 事 务 的 时 间 !? 2?最 小 值 。 当 事 物 频 繁 到 达 时 , !?l? “? !? 2?, 这 时 定 时 器 不 会 激 活 。 而 当 事 务 比 较 少 时 , 定 时 器 的 激 活 不 会 影 响 到 系 统 的 性 能 。 实 践 表 明 , 这 种 方 法 很 好 地 解 决 了 这 个 问 题 。 ( 3?) 自 检 。 系 统 运 行 一 段 时 间 以 后 , 可 以 在 系 统 负 载 比 较 轻 的 情 况 下 , 采 用 一 些 标 准 子 程 序 来 进 行 测 试 。 ( 4?) 结 果 比 较 。 结 果 比 较 是 双 系 统 中 重 要 和 关 键 的 部 分 。 系 统 运 行 是 否 正 确 , 容 错 性 能 的 好 坏 都 与 它 密 切 相 关 。 结 果 比 较 是 判 断 双 系 统 中 是 否 存 在 故 障 的 主 要 措 施 。 但 是 , 由 于 当 双 系 统 的 结 果 比 较 不 一 样 时 , 难 以 确 认 故 障 的 位 置 , 因 此 , 结 果 比 较 是 双 系 统 中 的 关 键 部 分 , 同 时 也 是 争 议 比 较 大 的 地 方 。 在 我 们 的 系 统 中 , 我 们 采 用 下 面 的 方 法 来 判 断 故 障 的 位 置 : · 复 执 : 当 结 果 比 较 不 相 同 时 , 两 个 机 组 都 将 该 事 务 重 新 提 交 到 各 自 第 一 个 逻 辑 处 理 器 的 输 入 端 , 重 新 进 行 处 理 , 这 样 , 同 一 个 事 物 具 有 多 个 处 理 结 果 , 从 而 可 以 通 过 少 数 服 从 多 数 来 确 定 正 确 的 结 果 和 故 障 节 点 , 通 过 复 执 , 可 以 检 测 出 所 有 的 偶 然 故 障 和 部 分 永 久 故 障 。 · 质 量 报 告 : 使 用 过 程 控 制 质 量 的 原 理 , 在 每 个 逻 辑 处 理 器 处 理 之 后 , 附 加 上 一 个 质 量 报 告 , 对 本 阶 段 的 处 理 质 量 进 行 评 估 。 从 而 , 可 以 对 每 个 事 务 给 出 一 个 综 合 的 质 量 报 告 。 在 结 果 比 较 阶 段 , 当 结 果 不 相 同 时 , 可 以 根 据 质 量 报 告 等 级 和 软 硬 件 状 态 来 决 定 取 舍 [ 5?] 。 “?故 障 恢 复 技 术 对 于 分 布 式 系 统 来 说 , 常 用 的 故 障 恢 复 技 术 可 以 分 为 前 向 恢 复 和 后 向 恢 复 。 8?5? 国 防 科 技 大 学 学 报 2?0?0?0? 年 第 6? 期 ( l?) 前 向 恢 复 。 前 向 恢 复 技 术 指 的 是 系 统 从 故 障 中 恢 复 时 , 从 出 错 时 刻 以 后 的 某 一 时 刻 点 开 始 恢 复 。 采 用 前 向 恢 复 时 , 事 务 的 执 行 时 间 要 比 后 向 恢 复 短 , 任 务 的 完 成 时 间 可 预 测 性 强 。 但 是 , 选 择 恢 复 的 时 机 通 常 比 较 困 难 , 状 态 恢 复 困 难 。 在 实 时 短 事 务 双 系 统 中 , 由 于 处 理 的 对 象 是 短 事 务 , 事 务 和 事 物 之 间 通 常 是 独 立 的 , 我 们 采 用 将 故 障 节 点 的 状 态 恢 复 成 工 作 节 点 的 “ 切 入 ” 方 法 , 达 到 前 向 恢 复 。 ( 2?) 后 向 恢 复 。 后 向 恢 复 技 术 指 的 是 系 统 从 故 障 恢 复 时 , 退 回 到 以 前 的 某 一 个 状 态 , 重 新 开 始 处 理 。 后 向 恢 复 需 要 设 置 检 查 点 , 在 每 个 检 查 点 处 保 存 节 点 状 态 , 以 便 进 行 恢 复 时 是 用 于 恢 复 状 态 , 检 查 点 设 置 的 时 间 间 隔 和 保 存 的 状 态 是 后 向 恢 复 中 的 一 个 重 点 。 同 时 , 后 向 恢 复 需 要 避 免 出 现 多 米 诺 效 应 。 对 于 实 时 短 事 务 双 系 统 来 说 , 我 们 将 检 查 点 设 置 为 每 个 ( 或 者 若 干 个 ) 事 务 处 理 结 束 处 ; 当 结 果 比 较 不 相 同 时 , 我 们 将 两 个 机 组 恢 复 到 前 一 次 保 存 的 状 态 , 并 将 事 务 重 新 构 造 出 来 , 达 到 状 态 恢 复 的 目 的 。 由 于 事 务 的 处 理 时 间 短 , 事 物 之 间 是 独 立 的 , 而 且 两 个 机 组 之 间 的 通 讯 仅 仅 限 于 结 果 比 较 , 因 此 , 可 以 避 免 多 米 诺 效 应 。 实 践 说 明 这 种 方 法 是 有 效 的 。 !?切 换 技 术 双 系 统 的 一 个 关 键 问 题 是 机 组 或 者 节 点 的 切 换 。 切 换 应 该 保 证 事 务 的 连 续 处 理 , 不 丢 失 、 不 阻 塞 事 务 , 事 务 处 理 不 超 时 。 ( l?) 切 出 。 当 一 个 节 点 出 现 永 久 故 障 时 , 我 们 需 要 将 该 机 组 从 系 统 中 脱 离 。 从 而 系 统 由 双 工 变 成 单 工 。 由 于 单 工 时 系 统 的 可 用 度 降 低 , 因 此 应 该 尽 量 避 免 切 出 , 并 且 应 该 尽 快 恢 复 成 双 工 , 以 保 证 系 统 的 可 靠 运 行 。 使 用 切 出 和 切 入 操 作 时 , 采 用 的 是 前 向 恢 复 的 方 法 , 故 障 节 点 恢 复 时 的 状 态 从 正 常 节 点 获 得 , 因 此 切 出 操 作 不 需 要 备 份 状 态 , 相 对 比 较 简 单 。 切 出 时 机 选 择 : 某 一 个 处 理 节 点 崩 溃 ( “ 心 跳 ” 停 止 ) , 或 者 某 一 个 机 组 出 现 永 久 故 障 , 或 者 接 收 到 控 制 台 发 出 的 切 出 命 令 。 ( 2?) 切 入 。 当 一 个 机 组 修 复 完 成 后 , 加 入 到 系 统 中 , 并 且 将 系 统 状 态 恢 复 到 双 工 的 过 程 称 为 切 入 。 切 入 过 程 中 最 重 要 的 是 保 证 两 个 机 组 状 态 的 一 致 。 由 于 系 统 中 事 务 的 到 达 是 连 续 的 , 而 每 个 事 务 的 处 理 都 可 能 改 变 机 组 的 状 态 , 因 此 , 在 切 入 操 作 时 , 需 要 让 工 作 机 组 暂 停 处 理 , 当 两 个 机 组 状 态 一 致 之 后 , 再 同 步 处 理 事 务 。 因 此 , 我 们 采 用 了 双 缓 冲 队 列 的 方 式 , 取 得 了 明 显 的 效 果 。 具 体 工 作 流 程 略 。 采 用 这 种 方 案 , 可 以 保 证 服 务 不 会 丢 失 , 并 且 一 些 静 态 数 据 , 或 者 可 以 从 数 据 库 中 得 到 的 数 据 , 可 以 在 “ 切 入 就 绪 ” 之 前 完 成 , 而 真 正 开 始 切 入 后 , 再 恢 复 动 态 的 关 键 的 数 据 , 从 而 可 以 使 得 切 入 操 作 对 系 统 的 影 响 最 小 。 “?结 束 语 强 实 时 双 系 统 广 泛 地 应 用 于 许 多 关 键 部 门 和 关 键 任 务 。 本 文 论 述 了 关 键 技 术 , 能 够 满 足 系 统 的 强 实 时 性 、 高 可 用 、 服 务 不 断 流 的 要 求 , 较 好 地 解 决 了 双 系 统 中 通 常 会 遇 到 的 结 果 判 别 的 问 题 。 这 个 解 决 方 案 已 经 成 功 地 应 用 到 了 重 大 工 程 实 践 中 , 取 得 到 良 好 的 效 果 。 参 考 文 献 : [ l?] 金 士 尧 , 胡 华 平 , 李 宏 亮 .? 具 有 容 错 结 构 的 高 可 用 计 算 机 双 系 统 研 究 [ J?] .? 中 国 工 程 科 学 , l?9?9?9?, l?( 3?) .? [ 2?] D? I? H?e?i?m?a?H?H? e?t? a?1?, D?e?p?e?H?c?a?b?i?1?i?t?y? M?O?c?e?1?i?H?g? f?O?r? C?O?m?p?u?t?e?r? S?y?S?t?e?m?[ C?] , l?9?9?l? P?r?O?c?.? O?f? R?A?M?, l?9?9?l?.? [ 3?] L? T?O?m?e?k? e?t? a?1?, R?e?1?i?a?b?i?1?i?t?y? m?O?c?e?1?i?H?g? O?f? L?i?f?e?-?C?r?i?t?i?c?a?1?, R?e?a?1?-?T?i?m?e? S?y?S?t?e?m?S?[ C?] , P?r?O?c?e?e?c?i?H?g?S? O?f? t?1?e? I?E?E?E?, l?9?9?4?, 8?2?( l?) : l?0?8? ~? l?2?l?.? [ 4?] 李 宏 亮 等 .? 高 可 用 实 时 系 统 中 故 障 检 测 及 故 障 恢 复 技 术 的 研 究 [ J?] .? 计 算 机 工 程 与 科 学 , l?9?9?9?, 2?l?( 6?) .? [ 5?] 胡 华 平 , 金 士 尧 , 李 宏 亮 .? 高 可 用 、 强 实 时 分 布 式 系 统 的 切 换 技 术 研 究 [ J?] .? 国 防 科 技 大 学 学 报 , l?9?9?9?, 2?l?( 6?) .? [ 6?] D?e?c?O?H?i?H?c?k? G?.? U?S?e?r?-?T?r?i?g?g?e?r?e?c? C?1?e?c?k?p?O?i?H?t?i?H?g? a?H?c? R?O?1?1?b?a?c?k? i?H? M?a?S?S?i?V?e?1?y? P?a?r?a?1?1?e?1? S?y?S?t?e?m?S?, l?9?9?6?.? [ 7?] 金 士 尧 等 .? 强 实 时 高 可 靠 的 群 机 系 统 设 计 与 论 证 [ J?] , 计 算 机 工 程 与 科 学 , l?9?9?7?, l?9?( A?l?) : l? ~? 5?.? 9?5? 李 宏 亮 等 : 强 实 时 双 系 统 中 容 错 技 术 研 究
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