CN102843265B - 一种通讯规约的不复位无微扰的热备双连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于轨道交通现代复杂监控系统通讯规约的不复位无微扰的热备双连接方法，通过两条独立的通讯通道各建立一条有效的通讯连接，两条通讯连接通过状态转换来实现只有一条通讯连接用于传输数据，另一条通讯连接通过发送心跳报文方式来维持连接的有效，互为热备；在系统通讯设备故障时，进行连接切换。通过将通讯数据和非通讯数据的操作隔离，设定合理的事务类型和操作流程，并通过在通讯中携带数据状态标识，使得连接切换后仅重传切换前未能成功传输的数据，从而实现在不复位的情况下仍有效保障无微扰，提高通讯效率。保证数据的及时传送，并且适用于网络不稳定的状况。

Description

一种通讯规约的不复位无微扰的热备双连接方法

技术领域

本技术发明涉及轨道交通自动化领域，尤其涉及分布式监控系统领域，本技术发明可广泛适用于电气化铁路和城市轨道交通各专业监控系统以及综合监控系统等应用。

背景技术

随着计算机科学和自动化技术的迅速发展，在轨道交通的各个领域，例如电气化铁路和城市地铁等领域，监控系统已经从传统的小型桌面系统向现代的分布式复杂系统发展，其控制的地域范围，流程规模等都迅速增加。而且由于传统采用的分立监控系统模式，即存在信号、PSCADA（电力监控）、BAS（环控）等多个独立的监控系统并各有专员进行操作，具有运营成本高，多个系统的信息难以共享等问题，集各子系统功能于一身的综合监控系统逐渐成为新的发展趋势。在综合监控系统中，各个子系统通过集成或互联，实现由同一个上位系统进行监控，从而使得信息可以有效共享，并且减少工作量，降低运营成本。不管是专业监控系统还是综合监控系统，现代监控系统的控制规模、流程结构，工程构架都远为复杂。这就对系统之间以及系统内部的数据通讯提出了更高的要求，要求现代监控系统的数据通讯应当兼具实时、高效、稳定、健壮等特点。

为此，在现代监控系统硬件配置上，数据的发送设备和接收设备间往往通过设立两台独立的交换机等方法同时提供两条独立可用的通讯通道，从而实现硬件通讯设备的热备双冗余，以保障系统通讯硬件的可用性。

但是，另一方面，目前监控系统中的数据通讯软件，通常又被称为通讯规约，大多还采用冷备的连接框架。也就是正常运行时仅基于一条通讯通道建立一条通讯连接用于传输数据。如果由于故障导致通讯连接失效，那么再尝试基于另一条通讯通道重新建立一条新的通讯连接代替原来的连接传输数据。由于故障后需要重新建立连接，而建立连接是一个时间开销比较大的操作，因此这个过程存在较长的时延，往往导致这一过程中的监控数据丢失，这一般称为微扰，此时，接收设备和发送设备之间出现了失步的状况。为此，当重新建立了有效连接之后，必须重新传输全部数据从而重新实现接收设备和发送设备的数据同步，这一般称为复位。当数据量比较大的时候，例如在综合监控系统应用中，这意味着很大的通讯开销，同时也可能延误新产生监控数据的传输。而且由于轨道交通的现场环境复杂，有些地方干扰严重，往往网络状况不稳定，容易出现频繁切换通讯通道的情况，这种情况下，由于每次切换都需要重新建立连接并进行复位，就可能严重延误重要信号数据的正常传送，造成隐患。在极端情况下，有可能因为过于频繁的通讯通道切换并重传所有数据，而出现通讯软件卡死，造成整个监控系统瘫痪。

如果监控系统的所有软、硬件都是采用主机和网络都完全同构的系统架构，这个问题可以通过采用聚集IP或者虚拟IP等底层硬件技术加以解决。但是现代监控系统由于应用功能复杂，特别是综合监控系统还涉及众多子系统，其扩展性和开放性决定了它一定是一个异构系统。

发明内容

鉴于此，本申请提出一种适用于轨道交通现代复杂监控系统通讯规约的不复位无微扰的热备双连接方法。通过同时在两个可用的通讯通道上建立两条互为热备的通讯连接，有效利用了冗余的硬件资源，并通过设定合理的连接切换规则，从而显著降低通讯故障时连接切换时的时延；同时通过引入数据库领域中事务的概念，将通讯数据和非通讯数据的操作完全隔离，设定合理的事务类型和操作流程，并通过在通讯中携带数据状态标识，使得连接切换后仅重传切换前未能成功传输的数据，从而实现在不复位的情况下仍有效保障无微扰，提高通讯效率。保证数据的及时传送，并且适用于网络不稳定的状况。

附图说明

图1是容忍微扰的冷备连接框架下通讯连接的控制流程图。

图2是带复位的冷备连接框架下通讯连接的工作流程图。

图3是本发明的热备双连接框架下一条通讯连接的工作流程图。

图4是本发明的热备双连接框架下两条连接状态转换的示意图。

图5是本发明的通讯事务流程示意图。

图6是本发明的不复位无微扰的热备双连接框架的控制流流程的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

当前监控系统中的通讯软件，通常又称为通讯归约或通讯规约，大多采用冷备连接框架。也就是：正常运行时仅基于一个可用的通讯通道建立一条连接用于传输通讯数据；如果连接因发生通讯故障而失效，则关闭原有连接，切换到另一个通讯通道，建立一个新的连接，代替原有连接传输数据。

由于建立新连接的操作的时间开销比较大，这个过程存在较长的时延，因此往往会导致监控数据的丢失，这种情况一般称为微扰。这时，有两种应对的策略。

第一种，在不是很重要的应用环境中，可以无视丢失的监控数据，即容忍微扰，继续通讯过程，传输新的监控数据。如图1所示，是容忍微扰的冷备连接框架下，通讯连接的控制流程图。

这种策略简单直接，但是会导致短期的监控数据的丢失，对于电力监控或者轨道交通等关键的应用环境，可能会导致拉闸，停运等，甚至是更为严重的事故，所以微扰是不能容忍的。

因此，另一种策略是：在建立新连接后重新传输全部的数据从而重新实现接收设备和发送设备的数据同步，这一过程一般称为复位。

图2 是带复位的冷备连接框架下，通讯连接的工作流程图。

如果采用这一策略，在现代大型监控系统例如综合监控系统应用中，由于数据量比较大，复位意味着很大的通讯开销，同时也可能延误新产生监控数据的传输。特别是在网络状况不稳定的环境中，如果出现网络时断时续的情况，有可能使得连接频繁切换，以至于需要不断的建立新连接并进行复位，这就可能严重延误重要信号数据的正常传送，甚至出现通讯软件卡死，造成整个监控系统瘫痪。

为了避免这种情况，本申请提出一种不复位无微扰的热备双连接方法。

首先看一下热备双连接框架：

Ø 在系统通讯设备正常，也就是两条通讯通道都可用时，分别通过两条独立的通讯通道各建立一条有效的通讯连接。这两条通讯连接是同质的，都可以用于传输通讯数据。但使用其中一条连接传输数据，而另一条留作备用。

Ø 当原先的连接由于通讯故障等原因失效后，另一条连接迅速接替原有连接用于传输数据，这就使得数据可以立即通过另一条通讯通道传输，而不需要即时重新建立连接。由于在传输数据的过程中，重要数据一般是优先传输的，这就保证了重要数据的及时传送不会被延误。

Ø 原先因为通讯故障而断开的连接会被关闭，继而在原有通道上定时尝试重新建立连接，直至连接建立成功为止。这个过程与正在传输数据的有效连接无关，而建立连接的过程与数据传输并行进行，不会对同时进行的数据传输造成延迟。这就是热备双连接。

需要注意的是，当系统正常时，两条通讯通道同时都可用，这时会基于两条通道建立两条有效的连接。但是如果两条连接同时用于传输数据，那么由于网络的异构特性，就有可能造成数据重传、丢失或者乱序，为了避免这个问题，必须保证在任意时刻，最多只有一条通讯连接用于传输数据，而另一条连接如果有效，那么不允许同时传送数据，但是必须通过发送心跳报文等方式来维持连接的有效，以时刻备用。因此两条连接的状态转换必须遵从合理设定的规则。为了明确的描述连接的状态转换的规则，将通讯连接分为三种状态：

运行态，这个状态下通讯连接正常，用于传输通讯数据。

空闲态，这个状态下通讯连接正常，但仅传输心跳报文维持连接。

无效态，这个状态下连接尚未建立或者由于故障而失效，通讯连接无效，不能传输数据。

图3是热备双连接框架下，一条通讯连接的工作流程图。

为了保证在任何时刻最多只有一条连接用于传输通讯数据，对通讯连接状态的转换机制确定如下。

Ø 两条通讯连接都正常时，一条连接处于运行态，另一条连接处于空闲态。

Ø 两条连接如果同时处于空闲态，随机选择一条连接将其状态转换为运行态。

Ø 如果一条连接处于空闲态，另一条连接处于无效态，该连接将转换为运行态。

Ø 对于任意一条连接，如果在正常态或者空闲动态下发生通讯故障，连接失效，那么将转为无效态，并关闭原先的连接，尝试重新建立连接。

Ø 对于任意一条连接，一旦在无效态下通过重新建立连接成功的建立了新的有效连接，那么首先转换为空闲态。

如果热备双连接框架下的两条连接的状态转换完全遵循上述机制，就可以保证在任意时刻，最多只有一条连接处于运行态。图4是热备双连接框架下两条连接状态转换的示意图，其中实线表示稳定状态，虚线表示暂时状态。“点—折”线表示随机选择一条连接，需要注意的是：

虽然两条连接都处于空闲态的情况有可能出现，但是会迅速被发现并将其中一条连接的状态转换为运行态，因此这种状态只是一种持续时间极短的暂态；

一条连接从无效态恢复，只要另一条连接仍然处于有效态，恢复的连接将维持空闲态。采用这种惰性的转换方式，主要为了尽可能避免网络不稳定造成频繁切换的问题。

采用热备双连接框架，当传输数据的连接失效后，将立刻切换到备用连接来传输数据，不需要即时重新建立连接，从而避免了新建连接过程的长时延。但这并不足以保证无微扰，这主要是因为网络通讯故障的情况非常复杂，难以有效确定在故障发生时，已经成功传输的数据和尚未传输的数据，如果继续传输新数据，那么就可能丢失数据，但是如果再次传输已经传输过的数据，则可能导致数据的重复处理，特别是当通讯操作和数据处理操作交杂进行时，这种状况更是难以避免，唯一的方法就是重新传输全部数据，从而使得复位和由此带来的问题无法避免。

为了在不复位的情况下避免微扰，就需要能够确定哪些数据正常传输而哪些数据没有，要做到这一点，必须能够对当前的状态进行表征，因此，这里通过引入数据库的相关概念，对通讯程序的框架进行规范和限制。

首先，将一条连接的操作过程称为一条控制流，并将控制流访问的数据按作用分为三类:

本地数据，也就是控制流根据通讯收发的讯息和应用需求而进行处理的当前应用数据的集合。这类数据的处理不涉及数据传输过程。

连接状态数据，用于表征控制流的当前连接状态。一旦当前连接的状态发生变化，将更新连接状态数据。

通讯数据，这包括控制流依据本地数据状态生成的符合一定格式的待发送数据、接收到的待分析数据以及收发过程使用的一些暂存数据等，主要用于保障数据传输的正确和高效。

如果控制流对这三类数据的访问操作的顺序没有任何限制，访问过程相互交错并且掺杂在一块，那么一旦发生通讯故障，就没有办法清楚地区分哪些数据已经被访问过，哪些还没有，切换连接后是也无法确定哪些数据已经成功传输，哪些数据还没有而需要重新传输。为了解决这个问题，这里引入数据库领域的事务的概念。

事务是由一组操作组成的一个不成分割的原子过程，即该过程中的所有操作要么全部完成，要么一个都不发生。通过使用事务这个概念，可以对操作进行划分，并定义相应的状态。这里定义两种事物类型，

数据事务。数据事务完全由一组对本地数据的操作组成，其中不涉及任何通讯操作，也就是在一个数据事务中不允许访问任何通讯数据以及连接状态数据。

通讯事务。通讯事务由数据准备并发送——数据接受并分析——连接状态更新这几个步骤组成，图5是通讯事务的流程示意图。其中前两个步骤涉及一系列通讯数据操作，而第三个步骤存在连接状态数据的更新，同样，在一个通讯事务过程中不允许访问任何本地数据。

规定控制流的每一个轮次均由两个事务组成，首先是一个通讯事务，然后是一个数据事务。而控制流即为这种轮次的不断循环。如果一个轮次的通讯是正常的，那么当这一轮次全部完成，也就是通讯事务和数据事务依次正确完成时，控制流在通讯事务中成功的完成了上一个状态的数据的发送，而连接状态数据保持不变，并且通过完成数据事务而将本地数据更新到下一个状态。如果在通讯事务中出现了问题而无法有效传输数据，例如通讯故障导致连接失效，进而切换到备用连接，那么连接状态数据将随之做相应的更新，但在同一个轮次接下来的数据事务中不允许修改任何本地数据，本地数据将保持为前一个状态不变。这样，通过把通讯数据和非通讯数据隔离，并以事务为单位进行操作。保证了不管连接状态是否发生变化，本地数据要么处于上一个状态，要么更新为下一个状态，而不会处于更新中的一个中间状态。

基于事务的数据操作具有原子性，要么处于处理前状态，要么处于处理完状态，不会处于中间状态，这就使得可以对数据的状态进行标识，最简单的方式可以采用循环递增计数，当然也可以采用其它方式，只要保证每一轮次本地数据处理前和处理完的状态标识不同就可以了。每一轮次传输数据的同时将数据的状态标识携带传输，而收发双方只要比较各次传输来的数据携带的状态标识就可以确定是否有数据丢失或者数据重复。

在发送端适量保存刚发送的数据，在每次发送数据时可以将发送端数据状态同时附送，并在接收端记录，当通讯故障并切换到备用连接后，只要比较两端记录的状态，就可以知道哪些数据未传输成功，此时只要重新传输未传输成功的数据；或者发送端传输所有保存的数据，再由接收端丢弃切换前已成功传输的数据以避免重复处理。无论采用哪种方式都可以保证数据既不丢失，也不重复处理，有效避免微扰。由于通讯故障后不需要重新建立连接，仅是切换到备用连接，这是一个时间开销非常小的过程。因此，无论是发送端保存的刚发送的数据，还是切换连接后重新传输的数据，都非常有限，相比于复位过程，几乎可以忽略不计，因此不会造成不必要的巨大额外通讯开销，也不会阻碍切换后数据的传输。特别是在网络不稳定的情况下，会出现频繁切换通讯连接的状况，如果每次切换后都需要复位，那么频繁复位带了的通讯开销几乎是不可接受的，并且可能造成重要信息传输的严重延误，甚至导致系统瘫痪。本申请提出的这种不复位无微扰的热备双连接框架可以有效帮助避免这一状况，从而非常适用于网络状况不良的环境。图6是不复位无微扰的热备双连接框架的控制流流程的示意图。

本申请提出一种适用于轨道交通现代监控系统通讯软件的不复位无微扰的热备双连接框架。该框架同时在两个可用的通讯通道上建立两条互为热备的通讯连接，有效利用了冗余的硬件资源，并通过设定合理的连接切换规则，从而显著降低通讯故障时连接切换时的时延；同时，在该框架中通过引入数据库领域中事务的概念，将通讯数据和非通讯数据的操作完全隔离，并且设定合理的事务类型和操作流程，再通过在通讯中携带数据状态标识，使得连接切换后仅重传切换前未能成功传输的数据，从而实现在不复位的情况下仍有效保障无微扰，提高通讯效率。保证数据的及时传送，并且尤其适用于网络不稳定的环境。

以上实施例只是对于本发明的部分功能进行描述，但实施例和附图并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (1)

1.一种不复位无微扰的热备双连接方法，在系统通讯设备正常时，分别通过两条独立的通讯通道各建立一条有效的通讯连接，其中一条连接传输数据，而另一条留作备用；当原先的连接由于通讯故障原因失效后，另一条连接迅速接替原有连接用于传输数据，这就使得数据可以立即通过另一条通讯通道传输，而不需要即时重新建立连接，原先因为通讯故障而断开的连接会被关闭，继而在原有通道上定时尝试重新建立连接，直至连接建立成功为止，在系统通讯设备正常时，两条通讯连接通过状态转换来实现只有一条通讯连接用于传输数据，另一条通讯连接通过发送心跳报文方式来维持连接的有效，时刻备用；在系统通讯设备故障时，进行连接切换，所述状态转换是将通讯连接分为三种状态：运行态，这个状态下通讯连接正常，用于传输通讯数据；空闲态，这个状态下通讯连接正常，但仅传输心跳报文维持连接；无效态，这个状态下连接尚未建立或者由于故障而失效，通讯连接无效，不能传输数据，其特征在于：

将通讯数据和非通讯数据的操作隔离，并且设定合理的事务类型和操作流程，再通过在通讯中携带数据状态标识，从而使得连接切换后仅重传切换前未能成功传输的数据；

两条通讯连接都正常时，一条连接处于运行态，另一条连接处于空闲态；

两条连接如果同时处于空闲态，随机选择一条连接将其状态转换为运行态；

如果一条连接处于空闲态，另一条连接处于无效态，所述空闲态连接将转换为运行态；

对于任意一条连接，如果在运行态或者空闲态下发生通讯故障，连接失效，那么将转为无效态，并关闭原先的连接，尝试重新建立连接；

对于任意一条连接，一旦在无效态下通过重新建立连接成功的建立了新的有效连接，那么首先转换为空闲态；

在发送端适量保存刚发送的数据，在每次发送数据时可以将发送端数据状态同时附送，并在接收端记录，当通讯故障并切换到备用连接后，只要比较两端记录的状态，就可以知道哪些数据未传输成功，此时只要重新传输未传输成功的数据；或者发送端传输所有保存的数据，再由接收端丢弃切换前已成功传输的数据以避免重复处理；

一条连接的操作过程为一条控制流，控制流访问的数据有三种，

本地数据：控制流根据通讯收发的讯息和应用需求而进行处理的当前应用数据的集合，这类数据的处理不涉及数据传输过程；

连接状态数据：用于表征控制流的当前连接状态，一旦当前连接的状态发生变化，将更新连接状态数据；

通讯数据：包括控制流依据本地数据状态生成的符合一定格式的待发送数据、接收到的待分析数据以及收发过程使用的一些暂存数据；

事务是由一组操作组成的一个不能分割的原子过程，所述事务类型分两种：

数据事务：数据事务完全由一组对本地数据的操作组成，其中不涉及任何通讯操作，也就是在一个数据事务中不允许访问任何通讯数据以及连接状态数据；

通讯事务：通讯事务由数据准备并发送——数据接受并分析——连接状态更新这几个步骤组成，其中前两个步骤涉及一系列通讯数据操作，而第三个步骤存在连接状态数据的更新，同样，在一个通讯事务过程中不允许访问任何本地数据；

控制流的每一个轮次均由通讯事务和数据事务组成，如果一个轮次的通讯是正常的，控制流在通讯事务中成功的完成了上一个状态的数据的发送，而连接状态数据保持不变，并且通过完成数据事务而将本地数据更新到下一个状态；如果在通讯事务中出现了问题而无法有效传输数据，进而切换到备用连接，那么连接状态数据将随之做相应的更新，但在同一个轮次接下来的数据事务中不允许修改任何本地数据，本地数据将保持为前一个状态不变；

即通讯数据和非通讯数据隔离；

每一轮次传输数据的同时将数据的状态标识携带传输，而收发双方只要比较各次传输来的数据携带的状态标识就可以确定是否有数据丢失或者数据重复。