陳飛，張?zhí)旌?/p>

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

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基于Zynq的TTP/C總線節(jié)點(diǎn)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(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

TTP/C總線節(jié)點(diǎn)的備份與故障節(jié)點(diǎn)的再整合是提高總線可靠性與實(shí)用性的有效方法。參考TTP/C總線協(xié)議，在自主設(shè)計(jì)的基于Zynq的TTP/C總線控制器上設(shè)計(jì)了一種節(jié)點(diǎn)備份與再整合的方法，保證節(jié)點(diǎn)故障后可以重新整合進(jìn)入集群，或者啟用備份節(jié)點(diǎn)來(lái)保證集群的正常功能，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)備份與再整合方法的有效性。

節(jié)點(diǎn)備份；再整合；Zynq；TTP/C

引 言

時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)(TTA)是由歐洲委員會(huì)資助開(kāi)發(fā)的分布式實(shí)時(shí)容錯(cuò)系統(tǒng)架構(gòu)，大量研究表明，對(duì)高可靠性系統(tǒng)而言，TTA架構(gòu)具有更大的優(yōu)勢(shì)[1]。1993年，在TTA架構(gòu)的基礎(chǔ)上,TTP/C(時(shí)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(shí)時(shí)系統(tǒng)[2-3]。

故障是總線不得不面對(duì)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(jī)容錯(cuò)策略來(lái)快速探測(cè)和隔離故障節(jié)點(diǎn),以維持整個(gè)集群的一致性，保證在故障模式下，集群中的每個(gè)正常節(jié)點(diǎn)都必須對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)有相同的判斷，以便采取和其他正常節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)的容錯(cuò)行動(dòng)，同時(shí)故障節(jié)點(diǎn)也會(huì)檢測(cè)到自身已被集群踢出而進(jìn)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(shí)現(xiàn)TTP/C總線集群?jiǎn)?dòng)、故障節(jié)點(diǎn)再整合等高級(jí)功能。數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組幀、CRC校驗(yàn)、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(gè)節(jié)點(diǎn)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(méi)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(jì)的節(jié)點(diǎn)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(yùn)行過(guò)程中包含可能的6個(gè)狀態(tài)和15個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑，其中啟動(dòng)狀態(tài)只有預(yù)設(shè)的啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)才具備。表1為這6個(gè)狀態(tài)的特征描述，狀態(tài)5是節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行的狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)和集群中的其他正常節(jié)點(diǎn)處于時(shí)間同步和成員關(guān)系一致?tīng)顟B(tài)，并在MDEL設(shè)定的時(shí)間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。表2列出了6個(gè)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(hào)狀 態(tài)描 述0凍結(jié)等待主機(jī)激活1初始化完成控制器參數(shù)初始化和MDEL的CRC校驗(yàn)2偵聽(tīng)監(jiān)聽(tīng)傳輸通道上用于集群同步的I幀3啟動(dòng)預(yù)設(shè)的啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)在總線上廣播I幀4被動(dòng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,等待獲取發(fā)送時(shí)間槽5運(yùn)行已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與集群的時(shí)間和成員關(guān)系同步,并獲取了發(fā)送時(shí)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(diǎn)大部分時(shí)間處在運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到內(nèi)部故障時(shí),立即進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)，等待再整合進(jìn)入集群，如果整合次數(shù)超過(guò)給定值，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)故障無(wú)法修復(fù)，需啟動(dòng)備份節(jié)點(diǎn)。對(duì)于備份節(jié)點(diǎn)，正確啟動(dòng)后進(jìn)入被動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)備份節(jié)點(diǎn)除了發(fā)送功能，其他完全正常，包括正常執(zhí)行容錯(cuò)算法、接收其他節(jié)點(diǎn)的信息、進(jìn)行時(shí)鐘同步等。備份節(jié)點(diǎn)在被動(dòng)狀態(tài)時(shí)依據(jù)集群中其他節(jié)點(diǎn)的成員列表檢測(cè)被備份節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，當(dāng)被備份節(jié)點(diǎn)故障后等待其再整合結(jié)果，如果再整合失敗，則啟動(dòng)備份節(jié)點(diǎn),保證集群的正常功能。

2 節(jié)點(diǎn)備份與再整合的實(shí)現(xiàn)

2.1 故障節(jié)點(diǎn)的再整合

本文設(shè)計(jì)的故障節(jié)點(diǎn)再整合中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)隱式確認(rèn)失效時(shí)，同樣認(rèn)為發(fā)生內(nèi)部故障進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)，而不是進(jìn)入被動(dòng)狀態(tài)，等待獲取發(fā)送時(shí)間槽。

圖3 節(jié)點(diǎn)再整合流程

圖3所示是節(jié)點(diǎn)再整合流程，當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到自身內(nèi)部故障時(shí)，進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)，如果此時(shí)再整合次數(shù)未達(dá)到上限，節(jié)點(diǎn)可以嘗試進(jìn)行再整合進(jìn)入集群。此時(shí)節(jié)點(diǎn)默認(rèn)處于未啟動(dòng)狀態(tài)，等待冷啟動(dòng)幀重新啟動(dòng)，正確啟動(dòng)后讀取MDEL列表中的發(fā)送時(shí)間槽，時(shí)間到后,將自身加入成員列表并嘗試發(fā)送一個(gè)信息，隨后偵聽(tīng)其他節(jié)點(diǎn)的信息，判斷自己是否重新進(jìn)入集群，如果其他節(jié)點(diǎn)的成員列表包含自身，說(shuō)明成功進(jìn)入集群，否則再整合失敗，重新進(jìn)行整合或者永久進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)。

2.2 節(jié)點(diǎn)的備份

圖4 TTP/C總線備份 節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行流程

圖4所示是備份節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行流程。備份節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)等功能與正常節(jié)點(diǎn)完全相同，不同的地方在于備份節(jié)點(diǎn)正常啟動(dòng)后需長(zhǎng)期處于被動(dòng)狀態(tài)，時(shí)刻依據(jù)集群內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的成員列表信息判斷被備份節(jié)點(diǎn)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(gè)TDMA周期內(nèi)最多有一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障，如果是被備份節(jié)點(diǎn)故障，則集群中其他所有正常節(jié)點(diǎn)的成員列表不包含被備份節(jié)點(diǎn)，否則集群中其他所有正常節(jié)點(diǎn)的成員列表必然包含被備份節(jié)點(diǎn)，因此備份節(jié)點(diǎn)依據(jù)集群內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的成員列表是否全部不包含來(lái)判斷被備份節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。如果集群內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的成員列表全部不包含被備份節(jié)點(diǎn)，則當(dāng)前被備份節(jié)點(diǎn)不在集群中，處于故障狀態(tài)。

備份節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到被備份節(jié)點(diǎn)故障后，等待其進(jìn)行再整合過(guò)程，如果連續(xù)多次檢測(cè)到被備份節(jié)點(diǎn)始終處于故障狀態(tài)，說(shuō)明其故障無(wú)法恢復(fù)，此時(shí)備份節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為正常節(jié)點(diǎn)，立即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)接替對(duì)應(yīng)的故障節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)為備份節(jié)點(diǎn)，0表示節(jié)點(diǎn)目前為正常節(jié)點(diǎn)

//被備份節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，自身為備份節(jié)點(diǎn)

//backup_count為被備份節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)次數(shù)

backup_count++;

if(backup_count>=4){

//被備份節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)次數(shù)超過(guò)給定值，啟動(dòng)備份節(jié)點(diǎn)

backup_count=4;

backup=2;

}

}

if(backup==2){

//被備份節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)次數(shù)超過(guò)給定值

……//初始化各類計(jì)數(shù)值以使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)

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

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

}

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)集群包含4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)TDMA(靜態(tài)時(shí)分多路復(fù)用)周期分配4個(gè)時(shí)間段，并通過(guò)串口將本地成員列表和接收到的其他節(jié)點(diǎn)成員列表一起發(fā)送給串口助手進(jìn)行顯示。成員列表采用一個(gè)8位無(wú)符號(hào)整型數(shù)表示，低4位從第0位開(kāi)始,分別表示1～4號(hào)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，1表示節(jié)點(diǎn)正常，0表示節(jié)點(diǎn)故障，高4位暫時(shí)未啟用，默認(rèn)為1。通信協(xié)議如下：

012～670x550xAA節(jié)點(diǎn)1～4的成員列表校驗(yàn)

圖5所示是1號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送給串口助手的成員列表信息，由于1號(hào)節(jié)點(diǎn)只能在其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀之后更新其各節(jié)點(diǎn)的成員列表，這會(huì)導(dǎo)致串口助手中顯示的各節(jié)點(diǎn)成員列表存在滯后，才會(huì)出現(xiàn)圖5中各節(jié)點(diǎn)的成員列表不同的現(xiàn)象，但這并不會(huì)影響集群的正常運(yùn)行。

圖5 TTP/C總線節(jié)點(diǎn)備份與再整合試驗(yàn)結(jié)果

4號(hào)節(jié)點(diǎn)備份試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)生永久故障，第一個(gè)方框區(qū)域中4號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，在之后的多個(gè)周期內(nèi)未能再整合進(jìn)入集群，在第二個(gè)方框區(qū)域中備份節(jié)點(diǎn)成功啟動(dòng)并進(jìn)入集群，接替原4號(hào)節(jié)點(diǎn)的功能繼續(xù)運(yùn)行。4號(hào)節(jié)點(diǎn)再整合試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)生瞬發(fā)故障，黃色區(qū)域中4號(hào)節(jié)點(diǎn)由一開(kāi)始的故障狀態(tài)經(jīng)過(guò)3個(gè)周期后成功再整合進(jìn)入集群，繼續(xù)正常運(yùn)行。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)發(fā)生瞬發(fā)故障后，節(jié)點(diǎn)可以成功再整合進(jìn)入集群，而當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生永久故障無(wú)法再整合進(jìn)入集群時(shí)，可以成功啟動(dòng)備份節(jié)點(diǎn),繼續(xù)保證集群的正常運(yùn)行。

結(jié) 語(yǔ)

[1] 魏婷,張喜民,陳益,等.一種基于TTP/C協(xié)議的容錯(cuò)策略研究[J].航空計(jì)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(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)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(jì)算機(jī)測(cè)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(jī)制研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2006,32(5):119-121.

陳飛(碩士研究生)，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真；張?zhí)旌?教授)，研究方向?yàn)榍度胧娇刂葡到y(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

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2016-06-02)