一种基于光纤网络的综合航电系统备份方法
阅读说明：本技术 一种基于光纤网络的综合航电系统备份方法 (Optical fiber network-based comprehensive avionics system backup method ) 是由 李谦 袁盾 贾磊 刘康 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于计算机技术领域,具体涉及一种基于光纤网络的综合航电系统备份方法。该方法在以光纤为通讯网络的综合模块化航电系统架构下,利用双冗余热备份模式,提出主控模块备份、通用模块备份和光纤交换机备份等三种备份模式,解决了系统模块、光纤交换机的故障恢复问题,该方法可以快速、可靠的恢复系统模块的功能,降低了对系统功能的影响,提高了综合航电系统的备份恢复效率。(The invention belongs to the technical field of computers, and particularly relates to a comprehensive avionics system backup method based on an optical fiber network. According to the method, under the comprehensive modular avionics system architecture taking optical fibers as a communication network, a dual-redundancy hot backup mode is utilized, three backup modes of a main control module backup, a universal module backup, an optical fiber switch backup and the like are provided, the problem of fault recovery of a system module and an optical fiber switch is solved, the functions of the system module can be quickly and reliably recovered, the influence on the system functions is reduced, and the backup recovery efficiency of the comprehensive avionics system is improved.)
技术领域
本发明属于计算机技术领域，具体涉及一种基于光纤网络的综合航电系统备份方法。
背景技术
为了满足复杂的军事和民用需求，航空电子系统经历了漫长的发展过程，从分立式到联合式，从综合式到高度综合式。综合模块化航空电子系统(Integrated ModularAvionics，IMA)是航空电子系统结构综合化水平最高的阶段，已在美国的F-22、F-35军用飞机以及空客A380和波音787等民用飞机上使用。IMA采用模块化和通用化设计思想，将多个具备独立功能的机载设备作为整体进行考虑，所组成的系统软硬件高度耦合，系统的可复用性和可重构能力得到提升，同时系统的功耗、质量和体积得到明显降低。
随着IMA的不断发展，越来越多应用功能集成到IMA架构的系统中，因此，对系统的可靠性提出了迫切需求，在系统模块发生故障时，如何实现快速、可靠的恢复系统功能，实现对于各类资源的有效调度和冗余支持，是亟待解决的热点问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：为了克服上述问题，如何提供一种综合航电系统备份方法。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光纤网络的综合航电系统备份方法，所述综合航电系统中的模块包括：主控模块、通用模块、光纤交换机模块，并为每个模块配置了备用模块；各个主控模块、通用模块及其备用模块分别接到两台光纤交换机模块即光纤交换机模块1和光纤交换机模块2上；由此，将主控模块的备用模块定义为备用主控模块；将通用模块的备用模块定义为备用通用模块；所述光纤交换机模块1和光纤交换机模块2中，其中一个光纤交换机模块为另一光纤交换机模块的备用模块，将光纤交换机模块的备用模块定义为备用光纤交换机模块；
其中，主控模块用于监控各个模块的状态、管理控制各个模块的备份和配置各个模块的资源，通用模块用于根据任务需求提供通用和专用的计算服务；
在所述综合航电系统正常工作状态下，主控模块实时监控通用模块1到通用模块N以及光纤交换机模块1和光纤交换机模块2的状态；备用主控模块用于实时监控主控模块、通用模块1到通用模块N以及光纤交换机模块1和光纤交换机模块2的状态；
主控模块在工作过程中，同时向通用模块和备用通用模块发送消息，当接收消息时，只会收到通用模块的消息，处于备份状态的备用通用模块也只接收来自主控模块和其他通用模块消息；备用主控模块只会收到通用模块的消息，通用模块则会向其他通用模块和主控模块发送消息；
在综合航电系统中定义如下几种角色：MC表示系统的主控主角色，MCB表示系统的主控备用角色，DPT表示系统的通用模块主角色，DPT_B表示系统的通用模块备用角色，FCS表示系统的光纤交换机主角色，FCS_B表示系统的光纤交换机备用角色；由此，上述综合航电系统中的各个模块中，主控模块的角色是MC，备用主控模块的角色是MCB，通用模块1到通用模N的角色是DPT，备用通用模块1到备用通用模N的角色是DPT_B，光纤交换机模块的角色是FCS，备用光纤交换机模块的角色是FCS_B；
针对上述综合航电系统架构，所述方法提出了三种备份模式：
A、主控模块备份模式；
B、通用模块备份模式；
C、光纤交换机备份模式；
其中，主控模块备份模式工作流程如下：
步骤A1：系统正常启动后，主控模块向备用主控模块发送周期自检消息；
步骤A2：备用主控模块接收主控模块的周期自检消息，如果成功获取则继续接收周期自检消息，否则判断是否超过X次未接收到，如果不超过X次，则继续接收周期自检消息，否则转到步骤A3；
步骤A3：备用主控模块设置主控模块状态设置成离线状态，启动备份策略；
步骤A4：备用主控模块将自己的角色设置成MC，打开数据发送通道；此时，角色已设置为MC的备用主控模块，将其重新定义为主控模块；
步骤A5：此时的主控模块，即当前主控模块向其他通用模块发送消息，消息内容是当前主控模块的物理地址和角色；
步骤A6：通用模块根据接收到的当前主控模块物理地址和角色信息，将接收和发送通道设置成当前主控模块。
其中，所述主控模块备份模式工作流程中，当离线状态的主控模块通过重启或其他方式重新上线时，会检测当前系统中是否存在MC角色的主控模块，如果存在，则将自己的角色设置为MCB，即将该主控模块变更设置为备用主控模块，然后实时监控主控模块、通用模块1到通用模块N以及光纤交换机模块1和光纤交换机模块2的状态。
其中，所述通用模块备份模式工作流程如下：
步骤B1：系统正常启动后，通用模块向主控模块发送周期自检消息；
步骤B2：主控模块接收通用模块m的周期自检消息，如果成功获取到该消息则继续接收周期自检消息，否则判断是否超过X次未接收到，如果不超过X次，则继续接收周期自检消息，否则转到步骤B3；
步骤B3：主控模块将通用模块m状态设置成离线状态，启动备份策略；
步骤B4：主控模块向备用通用模块m发消息，通知其启动备份激活；
步骤B5：备用通用模块m接收到启动激活消息，将自己角色设置成DPT，打开发送通道，并通知主控模块已完成启动；此时，角色已设置为DPT的备用通用模块m，将其重新定义为通用模块m；
步骤B6：主控模块向其他通用模块发送消息，内容是通用模块m的物理地址和角色；其他通用模块需要与通用模块m通信时，只与系统当前角色为DPT的通用模块m发送和接收消息；
步骤B7：备用通用模块m完成备份切换工作，向主控模块发送周期自检消息。
其中，所述m的数值小于等于N。
其中，所述通用模块备份模式工作流程中，当离线状态的通用模块m通过重启或其他方式重新上线时，会检测当前系统中是否存在DPT角色的通用模块m，如果存在，则将自己的角色设置为DPT_B，即将该通用模块m变更设置为备用通用模块m，并将上线消息、物理地址和角色通知主控模块。
其中，所述光纤交换机备份模式工作流程如下：
当系统正常启动后，两台光纤交换机模块将同时工作，同时接收转发数据；在主控模块、备用主控模块、通用模块1到通用模块N、备用通用模块1到备用通用模块N内部会默认接收和处理光纤交换机模块1的数据以及接收光纤交换机模块2的数据；即，光纤交换机模块1的角色默认为FCS，光纤交换机模块2的角色默认为FCS_B；
当5个周期没有收到光纤交换机模块1的数据，会向光纤交换机模块1发送查询消息，如果查询返回成功，说明光纤交换机模块1工作正常，然后通知主控模块，内容是其他板卡的数据出了问题，由主控模块去处理其他模块的问题；如果查询失败，说明光纤交换机模块1工作不正常，则自动接收和处理光纤交换机模块2的数据，主控模块会将光纤交换机模块2的角色设置为FCS。
其中，所述光纤交换机备份模式工作流程包括如下步骤：
步骤C1：系统正常启动后，两台光纤交换机模块将同时工作，主控模块、通用模块通过光纤交换机模块1和光纤交换机模块2发送和接收数据；主控模块、通用模块默认只处理光纤交换机模块1发送的数据；
步骤C2：主控模块周期性查询光纤交换机模块1的数据传输情况，如果存在数据传输则继续周期性查询数据传输情况，否则判断是否超过Y次未有数据传输，如果不超过Y次，则继续周期性查询数据传输情况，否则转到步骤C3；
步骤C3：主控模块向光纤交换机模块1发送查询信息，如果收到查询成功消息，则判定光纤交换机模块1正常，排查其他通用模块的问题，否则判定是光纤交换机模块1出现了问题，主控模块将光纤交换机模块1状态设置成离线状态，启动光纤交换机备份策略；
步骤C4：主控模块向备用主控模块、通用模块和备用通用模块发送消息，通知其切换到光纤交换机模块2通道，并通过光纤交换机模块2接收和发送消息；
步骤C5：主控模块将光纤交换机模块2的角色设置为FCS，光纤交换机模块2完成备份切换工作。
其中，当离线状态的光纤交换机模块1通过重启或其他方式重新上线时，主控模块收到光纤交换机模块1的上线消息时，会检测当前系统中是否存在FCS角色的光纤交换机模块，如果存在，则将光纤交换机模块1的角色设置为FCS_B。
其中，所述系统均为综合航电系统。
其中，所述X次为三次，Y次为五次。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明的基于光纤网络的综合航电系统备份方法在以光纤为通讯网络的综合模块化航电系统架构下，利用双冗余热备份模式，提出主控模块备份、通用模块备份和光纤交换机备份等三种备份模式，解决了系统模块、光纤交换机的故障恢复问题，该方法可以快速、可靠的恢复系统模块的功能，降低了对系统功能的影响，提高了综合航电系统的备份恢复效率。
附图说明
图1为本发明综合航电系统架构图。
图2为本发明主控模块备份流程图。
图3为本发明通用模块备份流程图。
图4为本发明光纤交换机备份流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光纤网络的综合航电系统备份方法，所述综合航电系统的架构如附图1所示，其中，所述综合航电系统采用开放式的架构，数据传输采用光纤网络，在系统中部署的各个模块独立提供计算资源和数据输入输出服务，并部署不同功能的应用软件；所述综合航电系统中的模块包括：主控模块、通用模块、光纤交换机模块，并为每个模块配置了备用模块；各个主控模块、通用模块及其备用模块分别接到两台光纤交换机模块即光纤交换机模块1和光纤交换机模块2上；由此，将主控模块的备用模块定义为备用主控模块(即主控模块(备))；将通用模块的备用模块定义为备用通用模块(即通用模块(备))；所述光纤交换机模块1和光纤交换机模块2中，其中一个光纤交换机模块为另一光纤交换机模块的备用模块，将光纤交换机模块的备用模块定义为备用光纤交换机模块；
其中，主控模块用于监控各个模块的状态、管理控制各个模块的备份和配置各个模块的资源，通用模块用于根据任务需求提供通用和专用的计算服务；
在所述综合航电系统正常工作状态下，主控模块实时监控通用模块1到通用模块N以及光纤交换机模块1和光纤交换机模块2的状态；备用主控模块用于实时监控主控模块、通用模块1到通用模块N以及光纤交换机模块1和光纤交换机模块2的状态；
主控模块在工作过程中，同时向通用模块和备用通用模块发送消息，当接收消息时，只会收到通用模块的消息，处于备份状态的备用通用模块也只接收来自主控模块和其他通用模块消息；备用主控模块只会收到通用模块的消息，通用模块则会向其他通用模块和主控模块发送消息；
在综合航电系统中定义如下几种角色：MC表示系统的主控主角色，MCB表示系统的主控备用角色，DPT表示系统的通用模块主角色，DPT_B表示系统的通用模块备用角色，FCS表示系统的光纤交换机主角色，FCS_B表示系统的光纤交换机备用角色；在附图1中，由此，上述综合航电系统中的各个模块中，主控模块的角色是MC，备用主控模块的角色是MCB，通用模块1到通用模N的角色是DPT，备用通用模块1到备用通用模N的角色是DPT_B，光纤交换机模块的角色是FCS，备用光纤交换机模块的角色是FCS_B；
针对上述综合航电系统架构，所述方法提出了三种备份模式：
A、主控模块备份模式；
B、通用模块备份模式；
C、光纤交换机备份模式；
其中，主控模块备份模式工作流程如下：
步骤A1：系统正常启动后，主控模块向备用主控模块发送周期自检消息；
步骤A2：备用主控模块接收主控模块的周期自检消息，如果成功获取则继续接收周期自检消息，否则判断是否超过X次未接收到，如果不超过X次，则继续接收周期自检消息，否则转到步骤A3；
步骤A3：备用主控模块设置主控模块状态设置成离线状态，启动备份策略；
步骤A4：备用主控模块将自己的角色设置成MC，打开数据发送通道；此时，角色已设置为MC的备用主控模块，将其重新定义为主控模块；
步骤A5：此时的主控模块，即当前主控模块向其他通用模块发送消息，消息内容是当前主控模块的物理地址和角色；
步骤A6：通用模块根据接收到的当前主控模块物理地址和角色信息，将接收和发送通道设置成当前主控模块。
其中，所述主控模块备份模式工作流程中，当离线状态的主控模块通过重启或其他方式重新上线时，会检测当前系统中是否存在MC角色的主控模块，如果存在，则将自己的角色设置为MCB，即将该主控模块变更设置为备用主控模块，然后实时监控主控模块、通用模块1到通用模块N以及光纤交换机模块1和光纤交换机模块2的状态。
其中，所述通用模块备份模式工作流程如下：
步骤B1：系统正常启动后，通用模块向主控模块发送周期自检消息；
步骤B2：主控模块接收通用模块m的周期自检消息，如果成功获取到该消息则继续接收周期自检消息，否则判断是否超过X次未接收到，如果不超过X次，则继续接收周期自检消息，否则转到步骤B3；
步骤B3：主控模块将通用模块m状态设置成离线状态，启动备份策略；
步骤B4：主控模块向备用通用模块m发消息，通知其启动备份激活；
步骤B5：备用通用模块m接收到启动激活消息，将自己角色设置成DPT，打开发送通道，并通知主控模块已完成启动；此时，角色已设置为DPT的备用通用模块m，将其重新定义为通用模块m；
步骤B6：主控模块向其他通用模块发送消息，内容是通用模块m的物理地址和角色；其他通用模块需要与通用模块m通信时，只与系统当前角色为DPT的通用模块m发送和接收消息；
步骤B7：备用通用模块m完成备份切换工作，向主控模块发送周期自检消息。
其中，所述m的数值小于等于N。
其中，所述通用模块备份模式工作流程中，当离线状态的通用模块m通过重启或其他方式重新上线时，会检测当前系统中是否存在DPT角色的通用模块m，如果存在，则将自己的角色设置为DPT_B，即将该通用模块m变更设置为备用通用模块m，并将上线消息、物理地址和角色通知主控模块。
其中，所述光纤交换机备份模式工作流程如下：
当系统正常启动后，两台光纤交换机模块将同时工作，同时接收转发数据；在主控模块、备用主控模块、通用模块1到通用模块N、备用通用模块1到备用通用模块N内部会默认接收和处理光纤交换机模块1的数据以及接收光纤交换机模块2的数据；即，光纤交换机模块1的角色默认为FCS，光纤交换机模块2的角色默认为FCS_B；
当5个周期没有收到光纤交换机模块1的数据，会向光纤交换机模块1发送查询消息，如果查询返回成功，说明光纤交换机模块1工作正常，然后通知主控模块，内容是其他板卡的数据出了问题，由主控模块去处理其他模块的问题；如果查询失败，说明光纤交换机模块1工作不正常，则自动接收和处理光纤交换机模块2的数据，主控模块会将光纤交换机模块2的角色设置为FCS。
其中，所述光纤交换机备份模式工作流程包括如下步骤：
步骤C1：系统正常启动后，两台光纤交换机模块将同时工作，主控模块、通用模块通过光纤交换机模块1和光纤交换机模块2发送和接收数据；主控模块、通用模块默认只处理光纤交换机模块1发送的数据；
步骤C2：主控模块周期性查询光纤交换机模块1的数据传输情况，如果存在数据传输则继续周期性查询数据传输情况，否则判断是否超过Y次未有数据传输，如果不超过Y次，则继续周期性查询数据传输情况，否则转到步骤C3；
步骤C3：主控模块向光纤交换机模块1发送查询信息，如果收到查询成功消息，则判定光纤交换机模块1正常，排查其他通用模块的问题，否则判定是光纤交换机模块1出现了问题，主控模块将光纤交换机模块1状态设置成离线状态，启动光纤交换机备份策略；
步骤C4：主控模块向备用主控模块、通用模块和备用通用模块发送消息，通知其切换到光纤交换机模块2通道，并通过光纤交换机模块2接收和发送消息；
步骤C5：主控模块将光纤交换机模块2的角色设置为FCS，光纤交换机模块2完成备份切换工作。
其中，当离线状态的光纤交换机模块1通过重启或其他方式重新上线时，主控模块收到光纤交换机模块1的上线消息时，会检测当前系统中是否存在FCS角色的光纤交换机模块，如果存在，则将光纤交换机模块1的角色设置为FCS_B。
其中，所述系统均为综合航电系统。
其中，所述X次为三次，Y次为五次。
实施例1
本实施例所描述的综合航电系统架构如附图1所示，其中，综合航电系统采用开放式的架构，数据传输采用光纤网络，在系统中部署的各个模块独立提供计算资源和数据输入输出服务，并部署不同功能的应用软件。系统中的模块分为主控模块和通用模块，并为每个模块配置了备用模块，各个模块分别接到两台光纤交换机上。主控模块主要用于监控各个模块的状态、管理控制各个模块的备份和配置各个模块的资源，通用模块主要根据任务需求提供通用和专用的计算服务。
在系统正常工作状态下，主控模块实时监控通用模块1到通用模块N以及光纤交换机1和2的状态。主控模块(备)实时监控主控模块、通用模块1到通用模块N以及光纤交换机1和2的状态。
主控模块在工作过程中，会同时向通用模块和通用模块(备)发送消息，当接收消息时，只会收到通用模块的消息，处于备份状态的通用模块也只接收来自主控模块和其他通用模块消息。主控模块(备)只会收到通用模块的消息，通用模块则会向其他通用模块和主控模块发送消息。
在综合航电系统中定义如下几种角色，MC表示系统的主控角色，MCB表示系统的主控备份角色，DPT表示系统的通用模块主角色，DPT_B表示系统的通用模块备份角色，FCS表示系统的光纤交换机主角色，FCS_B表示系统的光纤交换机备份角色。在附图1中，主控模块角色是MC，主控模块(备)角色是MCB，通用模块1到N的角色是DPT，通用模块(备)1到N的角色是DPT_B，光纤交换机角色是FCS，光纤交换机(备)角色是FCS_B。
针对所描述的综合航电系统架构，本发明提出了三种备份模式：
1、主控模块备份模式
2、通用模块备份模式
3、光纤交换机备份模式
主控模块备份模式工作流程如下。
1)系统正常启动后，主控模块向主控模块(备)发送周期自检消息。
2)主控模块(备)接收主控模块的周期自检消息，如果成功获取则继续接收周期自检消息，否则判断是否超过三次未接收到，如果不超过三次，则继续接收周期自检消息，否则转到步骤3)。
3)主控模块(备)设置主控模块状态设置成离线状态，启动备份策略。
4)主控模块(备)将自己的角色设置成MC，打开数据发送通道。
5)主控模块(备)向其他通用模块发送消息，消息内容是主控模块(备)的物理地址和角色。
6)通用模块根据接收到的当前主控模块物理地址和角色信息，将接收和发送通道设置成当前主控模块。
当离线状态的主控模块通过重启或其他方式重新上线时，会检测当前系统中是否存在MC角色的主控模块，如果存在，则将自己的角色设置为MCB，实时监控主控模块、通用模块1到通用模块N以及光纤交换机1和2的状态。
通用模块备份模式工作流程如下。
1)系统正常启动后，通用模块向主控模块发送周期自检消息。
2)主控模块接收通用模块m的周期自检消息，如果成功获取到该消息则继续接收周期自检消息，否则判断是否超过三次未接收到，如果不超过三次，则继续接收周期自检消息，否则转到步骤3)。
3)主控模块将通用模块m状态设置成离线状态，启动备份策略。
4)主控模块向通用模块m(备)发消息，通知其启动备份激活。
5)通用模块m(备)接收到启动激活消息，将自己角色设置成DPT，打开发送通道，并通知主控模块已完成启动。
6)主控模块向其他通用模块消息，内容是通用模块m的物理地址和角色。其他通用模块需要与通用模块m通信时，只与系统当前的通用模块m发送和接收消息。
7)通用模块m(备)完成备份切换工作，向主控模块发送周期自检消息。
当离线状态的通用模块m通过重启或其他方式重新上线时，会检测当前系统中是否存在DPT角色的主控模块，如果存在，则将自己的角色设置为DPT_B，并将上线消息、物理地址和角色通知主控模块。
光纤交换机备份模式：
当系统正常启动后，两台光纤交换机将同时工作，同时接收转发数据。在主控模块、主控模块(备)、通用模块1到通用模块N、通用模块1(备)到通用模块N(备)内部会默认接收和处理光纤交换机1的数据以及接收光纤交换机2的数据，当5个周期没有收到光纤交换机1的数据，会向光纤交换机发送查询消息，如果查询返回成功，说明光纤交换机1工作正常，然后通知主控模块，内容是其他板卡的数据出了问题，由主控模块去处理其他模块的问题；如果查询失败，说明光纤交换机1工作不正常，则自动接收和处理光纤交换机2的数据，主控模块会将光纤交换机2的角色设置为FCS。
1)系统正常启动后，两台光纤交换机将同时工作，主控模块、通用模块通过光纤交换机1和光纤交换机2发送和接收数据，主控模块、通用模块默认只处理光纤交换机1发送的数据。
2)主控模块周期性查询光纤交换机1的数据传输情况，如果存在数据传输则继续周期性查询数据传输情况，否则判断是否超过五次未有数据传输，如果不超过五次，则继续周期性查询数据传输情况，否则转到步骤3)。
3)主控模块向光纤交换机1发送查询信息，如果收到查询成功消息，则判定光纤交换机1正常，排查其他通用模块的问题，否则是光纤交换机1出现了问题，主控模块将光纤交换机1状态设置成离线状态，启动光纤交换机备份策略。
4)主控模块向主控模块(备)、通用模块和通用模块(备)发消息，通知其切换到光纤交换机2通道，并通过光纤交换机2接收和发送消息。
5)主控模块将光纤交换机2的角色设置为FCS，光纤交换机2完成备份切换工作。
当离线状态的光纤交换机1通过重启或其他方式重新上线时，主控模块收到光纤交换机1的上线消息时，会检测当前系统中是否存在FCS角色的光纤交换机，如果存在，则将光纤交换机1的角色设置为FCS_B。
实施例2
本实施例提供一种基于光纤网络的综合航电系统备份方法，该方法以光纤网络为通信的综合航电系统架构为基础，该架构包括主控模块和通用模块，并为每个模块配置了备用模块，各个模块分别接到两台光纤交换机上。
其中，主控模块主要用于监控各个模块的状态、管理控制各个模块的备份和配置各个模块的资源，通用模块主要根据任务需求提供通用和专用的计算服务。
本发明提出了三种备份模式：主控模块备份模式、通用模块备份模式和光纤交换机备份模式，分别用于主控模块、通用模块和光纤交换机的备份恢复。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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