陳飛，張?zhí)旌?/p>

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京 210016)

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基于Zynq的TTP/C總線節(jié)點備份與再整合

陳飛，張?zhí)旌?/p>

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京 210016)

TTP/C總線節(jié)點的備份與故障節(jié)點的再整合是提高總線可靠性與實用性的有效方法。參考TTP/C總線協(xié)議，在自主設(shè)計的基于Zynq的TTP/C總線控制器上設(shè)計了一種節(jié)點備份與再整合的方法，保證節(jié)點故障后可以重新整合進入集群，或者啟用備份節(jié)點來保證集群的正常功能，最后通過試驗驗證了所設(shè)計的節(jié)點備份與再整合方法的有效性。

節(jié)點備份；再整合；Zynq；TTP/C

引 言

時間觸發(fā)架構(gòu)(TTA)是由歐洲委員會資助開發(fā)的分布式實時容錯系統(tǒng)架構(gòu)，大量研究表明，對高可靠性系統(tǒng)而言，TTA架構(gòu)具有更大的優(yōu)勢[1]。1993年，在TTA架構(gòu)的基礎(chǔ)上,TTP/C(時間觸發(fā)協(xié)議C類標(biāo)準(zhǔn))被首次提出，其在安全性、可用性和可組合性等方面具有嚴(yán)苛的要求，更加適合分布式實時系統(tǒng)[2-3]。

故障是總線不得不面對和處理的情形，TTP/C總線協(xié)議采用組成員協(xié)議(GMP)這種分布式多機容錯策略來快速探測和隔離故障節(jié)點,以維持整個集群的一致性，保證在故障模式下，集群中的每個正常節(jié)點都必須對其他節(jié)點的運行狀態(tài)有相同的判斷，以便采取和其他正常節(jié)點協(xié)調(diào)的容錯行動，同時故障節(jié)點也會檢測到自身已被集群踢出而進入凍結(jié)狀態(tài)[4-5]。

1 總線協(xié)議

圖1是TTP/C協(xié)議規(guī)定的分層結(jié)構(gòu)，協(xié)議控制器主要包含3層:協(xié)議服務(wù)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。協(xié)議服務(wù)層主要實現(xiàn)TTP/C總線集群啟動、故障節(jié)點再整合等高級功能。數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)數(shù)據(jù)組幀、CRC校驗、曼徹斯特編解碼、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊讓庸δ?。物理層是通信協(xié)議的最底層，為各個節(jié)點的數(shù)據(jù)鏈路層之間提供一條物理的比特流收發(fā)通道，TTP/C協(xié)議沒有明確規(guī)定物理層傳輸介質(zhì)，可以根據(jù)工作環(huán)境和傳輸帶寬選擇同軸電纜、雙絞線或者光纖。本文設(shè)計的節(jié)點備份與再整合位于協(xié)議服務(wù)層。

圖1 TTP/C協(xié)議的功能分層

如圖2所示，TTP/C總線控制器在運行過程中包含可能的6個狀態(tài)和15個狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑，其中啟動狀態(tài)只有預(yù)設(shè)的啟動節(jié)點才具備。表1為這6個狀態(tài)的特征描述，狀態(tài)5是節(jié)點正常運行的狀態(tài)，在這個狀態(tài)下的節(jié)點和集群中的其他正常節(jié)點處于時間同步和成員關(guān)系一致狀態(tài)，并在MDEL設(shè)定的時間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。表2列出了6個狀態(tài)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。

圖2 TTP/C總線控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

編 號狀 態(tài)描 述0凍結(jié)等待主機激活1初始化完成控制器參數(shù)初始化和MDEL的CRC校驗2偵聽監(jiān)聽傳輸通道上用于集群同步的I幀3啟動預(yù)設(shè)的啟動節(jié)點在總線上廣播I幀4被動已經(jīng)實現(xiàn)時間同步,等待獲取發(fā)送時間槽5運行已經(jīng)實現(xiàn)與集群的時間和成員關(guān)系同步,并獲取了發(fā)送時間槽

表2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述列表

TTP/C總線集群的正常節(jié)點大部分時間處在運行狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點檢測到內(nèi)部故障時,立即進入凍結(jié)狀態(tài)，等待再整合進入集群，如果整合次數(shù)超過給定值，說明節(jié)點故障無法修復(fù)，需啟動備份節(jié)點。對于備份節(jié)點，正確啟動后進入被動狀態(tài)，此時備份節(jié)點除了發(fā)送功能，其他完全正常，包括正常執(zhí)行容錯算法、接收其他節(jié)點的信息、進行時鐘同步等。備份節(jié)點在被動狀態(tài)時依據(jù)集群中其他節(jié)點的成員列表檢測被備份節(jié)點的工作狀態(tài)，當(dāng)被備份節(jié)點故障后等待其再整合結(jié)果，如果再整合失敗，則啟動備份節(jié)點,保證集群的正常功能。

2 節(jié)點備份與再整合的實現(xiàn)

2.1 故障節(jié)點的再整合

本文設(shè)計的故障節(jié)點再整合中，當(dāng)節(jié)點隱式確認(rèn)失效時，同樣認(rèn)為發(fā)生內(nèi)部故障進入凍結(jié)狀態(tài)，而不是進入被動狀態(tài)，等待獲取發(fā)送時間槽。

圖3 節(jié)點再整合流程

圖3所示是節(jié)點再整合流程，當(dāng)節(jié)點檢測到自身內(nèi)部故障時，進入凍結(jié)狀態(tài)，如果此時再整合次數(shù)未達到上限，節(jié)點可以嘗試進行再整合進入集群。此時節(jié)點默認(rèn)處于未啟動狀態(tài)，等待冷啟動幀重新啟動，正確啟動后讀取MDEL列表中的發(fā)送時間槽，時間到后,將自身加入成員列表并嘗試發(fā)送一個信息，隨后偵聽其他節(jié)點的信息，判斷自己是否重新進入集群，如果其他節(jié)點的成員列表包含自身，說明成功進入集群，否則再整合失敗，重新進行整合或者永久進入凍結(jié)狀態(tài)。

2.2 節(jié)點的備份

圖4 TTP/C總線備份 節(jié)點的運行流程

圖4所示是備份節(jié)點的運行流程。備份節(jié)點的啟動等功能與正常節(jié)點完全相同，不同的地方在于備份節(jié)點正常啟動后需長期處于被動狀態(tài)，時刻依據(jù)集群內(nèi)其他節(jié)點的成員列表信息判斷被備份節(jié)點的工作狀態(tài)，依據(jù)TTP/C總線協(xié)議單故障假設(shè)，在一個TDMA周期內(nèi)最多有一個節(jié)點故障，如果是被備份節(jié)點故障，則集群中其他所有正常節(jié)點的成員列表不包含被備份節(jié)點，否則集群中其他所有正常節(jié)點的成員列表必然包含被備份節(jié)點，因此備份節(jié)點依據(jù)集群內(nèi)其他節(jié)點的成員列表是否全部不包含來判斷被備份節(jié)點的工作狀態(tài)。如果集群內(nèi)其他節(jié)點的成員列表全部不包含被備份節(jié)點，則當(dāng)前被備份節(jié)點不在集群中，處于故障狀態(tài)。

備份節(jié)點在檢測到被備份節(jié)點故障后，等待其進行再整合過程，如果連續(xù)多次檢測到被備份節(jié)點始終處于故障狀態(tài)，說明其故障無法恢復(fù)，此時備份節(jié)點轉(zhuǎn)為正常節(jié)點，立即進入運行狀態(tài)接替對應(yīng)的故障節(jié)點，保持集群的正常功能。具體代碼如下：

if((node_error==1) && (backup==1)){

//backup為是否備份標(biāo)志位

//1表示當(dāng)前節(jié)點為備份節(jié)點，0表示節(jié)點目前為正常節(jié)點

//被備份節(jié)點發(fā)生故障，自身為備份節(jié)點

//backup_count為被備份節(jié)點故障檢測次數(shù)

backup_count++;

if(backup_count>=4){

//被備份節(jié)點故障檢測次數(shù)超過給定值，啟動備份節(jié)點

backup_count=4;

backup=2;

}

}

if(backup==2){

//被備份節(jié)點故障檢測次數(shù)超過給定值

……//初始化各類計數(shù)值以使節(jié)點進入運行狀態(tài)

mode=5;//mode為工作狀態(tài)標(biāo)志位，5表示運行狀態(tài)

backup=0;//當(dāng)前節(jié)點轉(zhuǎn)換為正常節(jié)點

}

3 試驗結(jié)果與分析

試驗集群包含4個節(jié)點，每個TDMA(靜態(tài)時分多路復(fù)用)周期分配4個時間段，并通過串口將本地成員列表和接收到的其他節(jié)點成員列表一起發(fā)送給串口助手進行顯示。成員列表采用一個8位無符號整型數(shù)表示，低4位從第0位開始,分別表示1～4號節(jié)點的狀態(tài)，1表示節(jié)點正常，0表示節(jié)點故障，高4位暫時未啟用，默認(rèn)為1。通信協(xié)議如下：

012～670x550xAA節(jié)點1～4的成員列表校驗

圖5所示是1號節(jié)點發(fā)送給串口助手的成員列表信息，由于1號節(jié)點只能在其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀之后更新其各節(jié)點的成員列表，這會導(dǎo)致串口助手中顯示的各節(jié)點成員列表存在滯后，才會出現(xiàn)圖5中各節(jié)點的成員列表不同的現(xiàn)象，但這并不會影響集群的正常運行。

圖5 TTP/C總線節(jié)點備份與再整合試驗結(jié)果

4號節(jié)點備份試驗結(jié)果中發(fā)生永久故障，第一個方框區(qū)域中4號節(jié)點發(fā)生故障，在之后的多個周期內(nèi)未能再整合進入集群，在第二個方框區(qū)域中備份節(jié)點成功啟動并進入集群，接替原4號節(jié)點的功能繼續(xù)運行。4號節(jié)點再整合試驗結(jié)果中發(fā)生瞬發(fā)故障，黃色區(qū)域中4號節(jié)點由一開始的故障狀態(tài)經(jīng)過3個周期后成功再整合進入集群，繼續(xù)正常運行。由上述試驗結(jié)果可知，當(dāng)發(fā)生瞬發(fā)故障后，節(jié)點可以成功再整合進入集群，而當(dāng)節(jié)點發(fā)生永久故障無法再整合進入集群時，可以成功啟動備份節(jié)點,繼續(xù)保證集群的正常運行。

結(jié) 語

[1] 魏婷,張喜民,陳益,等.一種基于TTP/C協(xié)議的容錯策略研究[J].航空計算技術(shù),2008,38(3):90-93.

[2] 趙罡,何鋒,王紅春,等.航空電子環(huán)境TTP/C總線應(yīng)用技術(shù)研究[J].航空計算技術(shù),2014,44(6):110-115.

[3] 張文豪,張?zhí)旌?陳飛,等.基于Zynq的TTP/C分布式控制系統(tǒng)智能節(jié)點設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2016,16(5):53-56.

[4] 劉冬冬,張?zhí)旌?陳建,等.TTP/C協(xié)議的關(guān)鍵特性研究[J].計算機測量與控制,2012,20(10):2769-2772.

[5] 劉雙與,郭麗娟,張激,等. TTP/C協(xié)議的一致性機制研究[J].計算機工程,2006,32(5):119-121.

陳飛(碩士研究生)，主要從事航空發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真；張?zhí)旌?教授)，研究方向為嵌入式控制系統(tǒng)、系統(tǒng)控制與仿真。

Backup and Integration for TTP/C Bus Based on Zynq

Chen Fei,Zhang Tianhong

(Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

The backup and integration are the effective methods to improve the reliability and practicability of the TTP/C bus.A method of backup and integration is designed on the self-designed TTP/C bus controller based on TTP/C bus protocol.The method can make the fault node rejoin the cluster or use the backup node to ensure the normal function of cluster.At last,the experiment results prove the validity of the designed method.

backup;integration;Zynq;TTP/C

V233.7

A

?士然

2016-06-02)