劉 霞，姜元山，張光偉，王運付

（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，北京 100048）

0 引 言

軟件可靠性指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，軟件不引起系統(tǒng)故障的能力。軟件可靠性不但與軟件自身有關(guān)，也與系統(tǒng)輸入和系統(tǒng)使用有關(guān)。5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的軟件可靠性需要結(jié)合其系統(tǒng)及硬件的特點，進行領(lǐng)域針對性分析。

1 5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端面臨軟件可靠性問題

移動物聯(lián)網(wǎng)（基于蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用）作為新型基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在5G時代，已經(jīng)發(fā)展演化出很多基于5G空口接入能力的產(chǎn)品形態(tài)，如消費級物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等。對于消費級產(chǎn)品，一般為單用戶使用，對產(chǎn)品的運行可靠性等要求相對低。而行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署較多，分布分散，如果設(shè)備運行穩(wěn)定性差，將導(dǎo)致上站運維頻率升高，引入過高的運維成本，造成較差的客戶使用體驗。

本文重點分析5G行業(yè)終端運行可靠性方案，實現(xiàn)“業(yè)務(wù)盡可能恢復(fù)，設(shè)備盡可能運行”的目標(biāo)，以期控制5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端運維成本，提升客戶使用體驗。

2 基于5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端關(guān)鍵系統(tǒng)架構(gòu)元素的可靠性風(fēng)險識別

5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端典型系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，圖中展示了該類系統(tǒng)典型關(guān)鍵軟硬件架構(gòu)要素，針對關(guān)鍵架構(gòu)要素，進行基于硬件特殊性的軟件可靠性風(fēng)險分析，以把握產(chǎn)品可靠性要點，進行5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端針對性軟件可靠性分析及設(shè)計。表1即針對架構(gòu)關(guān)鍵要素的介紹及可靠性風(fēng)險分析結(jié)果。

圖1 5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)架構(gòu)

表1 5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端關(guān)鍵架構(gòu)要素介紹&可靠性風(fēng)險分析

3 5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端關(guān)鍵系統(tǒng)架構(gòu)要素的可靠性風(fēng)險消減

本節(jié)重點針對表1分析識別的關(guān)鍵架構(gòu)要素的可靠性風(fēng)險進行風(fēng)險消減設(shè)計。

3.1 “隨機退避”消減“并發(fā)接入風(fēng)暴”

在產(chǎn)品商用化過程中，可能出現(xiàn)區(qū)域大面積停電、斷網(wǎng)等極端情況。特別是大面積停電場景，當(dāng)同類設(shè)備有共用遠(yuǎn)程通信服務(wù)器時，可能出現(xiàn)區(qū)域內(nèi)海量同類設(shè)備同時上電開機，向遠(yuǎn)端發(fā)起業(yè)務(wù)連接，在遠(yuǎn)程通信服務(wù)器側(cè)出現(xiàn)短時間請求風(fēng)暴的現(xiàn)象，如果服務(wù)器處理不當(dāng)，將導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)終端側(cè)服務(wù)請求異常，造成脫管。

為避免該類問題，建議使用“隨機退避”機制。即系統(tǒng)上電開機，服務(wù)啟動后，隨機等待一定時間，建議在2 min內(nèi)隨機選取時間點位，以發(fā)起遠(yuǎn)程服務(wù)連接，緩解遠(yuǎn)程服務(wù)的業(yè)務(wù)并發(fā)壓力。

3.2 “進程守護”消減“服務(wù)異?！?/h3>

通過軟件工程化方法可以提升研發(fā)質(zhì)量，卻無法修復(fù)軟件缺陷，需要在軟件運行期進行可靠性保障。

3.3 軟件守護機制

行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端大部分采用嵌入式Linux系統(tǒng)，在Linux系統(tǒng)中，進程有幾種典型狀態(tài)。

由表2可知，一旦進程狀態(tài)為“Z”，即僵尸狀態(tài)，則表示服務(wù)異常。此時，內(nèi)核及服務(wù)本身均無法從異常中自行恢復(fù)。

表2 Linux進程狀態(tài)及服務(wù)影響分析

針對進程狀態(tài)異常問題，為實現(xiàn)局部小范圍恢復(fù)嘗試，常規(guī)軟件保護機制采用“守護進程”周期性（具體周期結(jié)合業(yè)務(wù)恢復(fù)的時間而定）檢測系統(tǒng)關(guān)鍵進程（結(jié)合業(yè)務(wù)特點進行范圍識別）的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，則由守護進程控制該進程進行恢復(fù)處理。

3.3.1 看門狗守護機制

“守護進程”也是軟件，即使通過工程化方法進行質(zhì)量保障，但仍可能存在缺陷。為保證系統(tǒng)在極端場景下嘗試恢復(fù)，一般采用“硬件看門狗”機制。由“守護進程”進行看門狗喂狗操作，當(dāng)守護進程異常時，喂狗異常，硬件看門狗超時，最終全系統(tǒng)重啟。通過系統(tǒng)重初始化，盡最大努力恢復(fù)業(yè)務(wù)。

3.3.2 進程優(yōu)先級控制機制

軟件喂狗需要消耗CPU資源，涉及CPU處理優(yōu)先級。

當(dāng)終端系統(tǒng)內(nèi)部CPU過載，導(dǎo)致進程響應(yīng)異常時，如果“守護進程”喂狗業(yè)務(wù)優(yōu)先級高，則無法有效識別其他業(yè)務(wù)異常。因而，對特定業(yè)務(wù)進程需要考慮其處理優(yōu)先級。

典型舉例如下：

（1）軟件喂狗進程：視系統(tǒng)資源冗余情況而定，如果資源冗余度低，則不建議配置過低優(yōu)先級；如果冗余度高，過載可能出現(xiàn)異常，建議配置較低優(yōu)先級。

（2）配置管理服務(wù)：不論遠(yuǎn)端或近端，均是用戶的管理接口，任何場景下均需保證其進程優(yōu)先級為高。

3.4 “主備系統(tǒng)”[13-14]消減“FLASH寫入異?！?/h3>

系統(tǒng)缺陷修復(fù)、特性擴展均需通過軟件鏡像更新實現(xiàn)，以使新版本在物聯(lián)網(wǎng)終端側(cè)生效。

對嵌入式終端而言，軟件鏡像一般保存在Nand或Nor FLASH。如果對當(dāng)前運行的軟件鏡像存儲分區(qū)進行寫入，一旦中斷，則可能導(dǎo)致終端運行異常?？煽康膫溥x升級方案建議如下：

（1）升級小系統(tǒng)雙備份+業(yè)務(wù)系統(tǒng)。升級小系統(tǒng)是僅在升級過程中運行的系統(tǒng)，對其功能進行大量剪裁，以限制FLASH資源消耗。

（2）業(yè)務(wù)系統(tǒng)雙備份。在該方案下，被寫入的分區(qū)即使在寫入過程中斷，終端依然可以啟動，保證業(yè)務(wù)的延續(xù)性。

3.5 “反復(fù)重建”[15-17]消減“通信異常”

為保證通信鏈路、對端通信服務(wù)恢復(fù)正常，及時建立端到端通信，在通信異常時需考慮支持重建機制。

3.5.1 5G Modem通道重建機制

5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端的5G Modem軟件部分一般由第三方供應(yīng)商提供，運行于獨立的5G硬件模塊或CPU中，其工作狀態(tài)等對路由軟件而言相當(dāng)于“黑盒”，路由軟件需進行5G Modem的工作狀態(tài)管理，如設(shè)備枚舉、控制撥號、狀態(tài)監(jiān)控等，以保證產(chǎn)品系統(tǒng)的通信狀態(tài)可控。

建議周期性監(jiān)控5G Modem的工作狀況，一旦出現(xiàn)異常，嘗試進行5G Modem通道重建。當(dāng)通道重建嘗試有限次仍無法恢復(fù)時，考慮系統(tǒng)重啟，重初始化全系統(tǒng)資源，盡力恢復(fù)系統(tǒng)運行。

3.5.2 業(yè)務(wù)端到端通信重建機制

具備聯(lián)網(wǎng)通信能力是5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端的基本業(yè)務(wù)述求。當(dāng)從終端側(cè)訪問另一側(cè)服務(wù)時，路徑中可能出現(xiàn)多級節(jié)點，中間節(jié)點、對端服務(wù)可能出現(xiàn)異常。

在路徑狀況不可預(yù)知的情況下，一旦通信鏈路發(fā)生異常，則需要進行反復(fù)測試，以盡力恢復(fù)通信鏈路。

4 結(jié) 語

本文闡述的5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端軟件可靠性問題、典型可靠性設(shè)計，均來自行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品的業(yè)務(wù)實踐。從業(yè)務(wù)經(jīng)驗的角度出發(fā)，識別行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端可靠性痛點，并結(jié)合商用實踐提取有效的消減措施，對5G行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端有實用借鑒意義。