一种用于通信设备的主备倒换控制方法.pdf

本发明涉及通讯系统中设备的主备倒换方法，尤其是设备的1+1式的热备份方法；实现步骤是：a.采用Online信号表示主备板的在位；b.采用GOOD信号表示主备板是否正常工作；c.采用ACTIVE信号指示主备板的主备状态；d.备用时钟锁定主用时钟；e.主备板间通过网口备份数据；本发明采用以太网口进行通信，将网口用于主背板间通信，即不需要另外增加电路，也不需采用专门的通信协议。

1、  一种用于通信设备的主备倒换控制方法，其特征在于：采用如下步骤实现：
a、采用Online信号表示主备板的在位；
b、采用GOOD信号表示主备板是否正常工作；
c、采用ACTIVE信号指示主备板的主备状态；
d、备用时钟锁定主用时钟；
e、主备板间通过网口备份数据。

一种用于通信设备的主备倒换控制方法
技术领域：
本发明涉及通讯系统中设备的主备倒换方法，尤其是设备的1+1式的热备份方法。
背景技术：
现代通信设备如交换机、光传输设备、以太网交换机等对整机的可靠性往往有较高要求，这就要求设计人员精心设计，并选用优良的器件等等，而器件总有一定的失效率，系统也很难避免存在某些缺陷，但目前通信系统处理的信息量急剧膨胀，设备也越来越复杂，对设计要求尽善尽美，或者对器件的可靠性提出太高的要求，往往是不现实的，或者即使实现了，也会导致设备的价格无法承受。
另外一种提高可靠性的方法是采用冗余备份，当某块单板或某个电路出现问题时，其备用模块能够接替工作，从而保证整个系统的稳定工作，这样同样能提高整个系统的可靠性，而且代价并不高。一般系统设计中，通常会对关键部件如主控、时钟、交换、电源等做1+1冗余设计，这部分部件出现问题时，会导致整个系统出现故障。而对于线路部分，采用1∶n的设计，其性能、成本都能得到较好的均衡。
对于1+1冗余设计，还可分为两种方式，一是热备份，主备用板同时工作，其输出也是一样的，只是备用板并不真正输出信号，其输出是关闭的；或者是主备用同时输出，由各受控单板根据主备用指示信号，选择接收。另一种方式是冷备份，也就是备用板并不工作，只是在主用板出现故障时，才开始工作。热备份的方式性能更好，但设计上较复杂一些。在通信设备中，热备份方式更常见。
本发明的目的在于：提供一种用于通信设备的主备倒换控制方法
发明内容：
本发明采用如下步骤实现：
a、采用Online信号表示主备板的在位；
b、采用GOOD信号表示主备板是否正常工作；
c、采用ACTIVE信号指示主备板的主备状态；
d、备用时钟锁定主用时钟；
e、主备板间通过网口备份数据。
本设计具有如下优点：
1、控制、时钟、交换模块及其倒换功能集中到一块板上，提高了整机的集成度；
2、平滑倒换，对业务冲击小；
3、降低背板的设计复杂度。背板上的业务信号往往是高速信号，而且数量也不多；而对于时钟信号，考虑到信号质量的问题，也不宜采用共享信号线的方式。而控制信号如低速的CPU总线，地址、数据信号数量很多，采用双发选收的的方式是不合适的，那样会导致背板信号急剧增加；
4、避免了主备用竞争，或死锁的情况；
5、可靠性更高，即使主备板的CPU都不工作，也能保证业务和时钟的正常倒换；
6、实现简单，主备用板间没有复杂的握手协议；
7、主备用板间直接采用以太网口进行通信，简化系统设计。
实施方式：
本发明适用于将控制、交换、时钟集成在一块单板上的应用场合。以前的通信设备中，通常是将控制、交换和时钟分别放在不同的单板上，做成专门的主控板、交换板、时钟板等，但目前随着芯片的集成度越来越高，同时通信设备的端口密度也越来越大，将控制、交换和时钟这样核心的部分集成在一块板上在实现上是可行的，同时也可以节省槽位，从而提供更多的业务槽位，提高单机承载的业务容量。将各主要模块集中到一块板中，当然也会出现一些新问题需要考虑，首先是与背板连接的信号急剧增加；各模块集中到一块板上后，是否仍将各自独立运行，独自倒换，还是做为一个整体，这也需要考虑；同时，各模块的倒换特点也不完全一致。控制功能在倒换时可以暂时停止，对倒换时间的要求也不是很高，但配置的数据要保证主备板一致；而交换和时钟模块对倒换时间要求较高，如果时间较长，会导致业务的中断，这在通信设备中属于严重的故障，比如通话过程中有短暂的杂音，但电话仍可以打，那么用户可以接受；但如果通话突然中断，需要重新拨号，对用户来说，就是不可接受的。
本发明的交换部分的主备倒换采用双发选收的方式，具体来说，就是业务板发送两路完全相同的信号到主备交换板，而主备交换板各发送一路信号到业务板，业务板根据主备指示信号选择接收主用板的信号。因为交换板的配置相同，输入相同，所以业务板收到的信号也是相同的，当发生主备倒换时，只需在业务板上换一个数据源就可以了。
时钟部分的倒换方式和交换部分类似，各业务板提取的时钟或者外时钟源同时送到主备时钟，各业务板选择使用主备用时钟。但备用时钟并不是象主用时钟那样锁定某个外时钟，而是直接锁定主用时钟，并且选用的时钟芯片要有主备互锁功能，以保证主备用时钟具备固定的相位差，否则主备板输出的业务数据会出现随机的相位差，不利于平滑倒换。
控制部分的主备实现需要另外考虑，首先是控制的实时性要求不如交换和时钟的要求高，这一点在传输设备中比较明显，其业务基本上是固定不变的，暂时地失去控制不会影响业务的正常运行。本发明没有采用双发选收的方式，而是单发单收的方式，备用板并不直接和业务板发生联系。正常工作时，只有主用板在执行正常的操作，包括配置业务，查询各单板状态等，而备用板是无法直接和各业务板通信的，必须由主用板将收集到的信息转发给备用板。
本发明采用以太网口进行通信，目前大多数通信设备使用的CPU设计中，通常都提供以太网口，用于调试，连接网管后台等，将网口用于主背板间通信，即不需要另外增加电路，也不需采用专门的通信协议。
本发明采用如下步骤实现：
a、采用Online信号表示主备板的在位；
b、采用GOOD信号表示主备板是否正常工作；
c、采用ACTIVE信号指示主备板的主备状态；
d、备用时钟锁定主用时钟；
e、主备板间通过网口备份数据。
具体实现方法如下：
1、主备用的确定
当设备开机时，主备两块板同时上电开始工作，这时需要按一个固定方法确定主备用，避免出现主备用竞争方式。这里使用了三个信号，在位online，单板工作正常指示good，主备指示active，主备用槽位指示main。主备用的确定过程如下：
a)、首先将自己设为备用板，即active无效，并送出在位信号online，同时读取自己所属槽位；
b)、单板硬件自检，正常则送出GOOD信号，并进入下一步，否则本板维持为备用状态，并退出主备用确定过程；
c)、读取对板在位信号，如果对板不在位，则将本板设为主用板，送出active信号。
d)、如果对板在位，读取对板active信号，如果对板是主用状态，则本板维持在备用状态状态，退出主备确定过程；
e)、如果对板在位，并且也是备用，再读取对板的good信号，如果对板没有送出good，则本板送出active信号，进入主用状态；
f)、如果对板送出了good状态，则根据所插的槽位，如果自己是在主槽位，则将自己设为主用，否则保持备用状态。
其中主备用槽位的确定可以在背板上采用上拉和下拉预先分配好，可以防止在极端情况下，例如同时上电的时候，有可能同时出现两个主用或备用，或不停地从主用转到备用，又从备用转到主用的振荡现象。
Good信号在这里用于表示单板的硬件正常，备用板用good信号向主用板报告其硬件状态，如果两块板的CPU都不工作，两块板仍能通过good信号进行主备倒换。
上述方法的优点包括：主备用的确定可以完全由硬件实现，不需要软件参与，某些的单板，比如时钟板，不需要软件设置就能工作，那么，即使系统软件工作不正常，也能够进行正常的保护倒换。另外，主备用的确定比较简单，每个判断过程都很简单，不需要复杂的处理过程。同时，软件也可以根据需要，比如网管的命令等，进行强制倒换。
2、倒换保护
倒换原因包括4个来源：
a)、硬件自检，比如单板上的晶振，内部低压电源等，这部分器件的失效率较高，可以在电路中对这部分信号进行检测；电源的检测可以直接检测其有无，部分电源芯片也能提供告警信号。晶振的检测可以采用计数器的方式，同时也可以检测其频率的大致范围。
b)、业务芯片提供的告警信号；功能芯片在工作时会对信号流进行检测，比如CRC校验，搜索同步字等，当出现异常情况时，一般会产生中断输出，以提示告警，并提供寄存器便于CPU查询具体告警信息；
c)、单板上的CPU工作不正常，比如程序进入了死循环，这种问题的检测一般采用watchdog的方式。可以在硬件上采用一个计数器，由软件定期对其进行复位，如果软件不能及时复位这个计数器，计数器将会溢出，此时可以认为CPU工作不正常。
d)、软件强制倒换，包括通过网管下发倒换命令。上述三种方式并不能检测出所有问题，通过软件查询的方式可以得到更多的单板工作信息，同时通过和对板的通信，也能检测对方的工作情况。另外，提供软件倒换功能，也可以用于操作维护人员定位问题，同时，当单板需要进行更换时，比如升级，可以采用人工倒换，将业务暂时倒换到备用板上，从而不影响整机的正常工作。
上述的倒换原因中，硬件自检产生的倒换最快，对于电源的检测几乎是一出问题，立刻就会导致倒换，而后面几种与CPU的运行相关，相对要慢些，并且反应时间离散性也较大。
3、倒换过程
倒换过程需要三个控制信号：active、good、rst、enable，这里的enable用于使能控制信号的输出。
正常工作时，主用板将收集到的信息及系统配置情况定时通过网口送往备用板，备用板将此信息保存在单板上，以备将来使用。
需要说明的是，对于主用板，脱离主用状态有两种情况，一是good和active都失效，表明单板硬件出现问题；二是只有acitve失效，而good信号有效，第二种情况表明硬件正常，但软件检测到异常情况或软件本身运行不正常，此时也需要进行倒换。
正常工作时，主备用板检测对方的active和good信号，当主用板检测到备用板的good信号失效后，通过网口直接上报后台。当主用板检测到硬件故障后，则关闭good输出，如果检测到的是软件故障，则不关闭good输出，但两种情况都进入到倒换状态：主用板硬件首先强制关闭本板控制信号的输出，关闭enable信号，然后将active置为无效；
备用板一旦检测到主用板的active无效，也进入倒换状态，首先是将本板的active设为有效，并通过中断向软件通知倒换的发生，软件收到中断后，根据以前备份的数据接管系统的控制，首先将本板的时钟模块的工作模式改成和原主用板的模式一致，然后使能本板的enable信号，同时向网管上报系统进行了倒换。
主备用板的enable是互锁的，不可能同时有效，这样做的目的是防止主备用板的控制总线发生冲突，导致器件的损坏。
这里主备倒换的过程并不完全依赖于主用板对自身的检测，备用板通过以太网口和主用板进行通信，当主用板没有反应时，备用板还要和网管进行通信，如果和网管通信正常，而和主用板通信异常，则表明主用板已经出现问题，否则表明备用板本身的通信有问题，需要关闭备用板的good信号。备用板检测到主用板不正常，而主用板本身没有发起倒换，备用板可以通过rst信号对主用板进行复位，这将导致主用板重新进行初始化过程，在其初始化过程中，该板一直是处于备用状态，这时原备用板检测到对板active无效，从而自动进入倒换过程。