衛星通信系統主備網控中心設計

李嵩泉，蔣海玲

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.河北中煙工業有限責任公司，河北石家莊050081）

0 引言

在基于資源按需分配策略的衛星通信系統中，網控中心是實施各種應用策略并實現系統智能化、自動化運行的核心，其維護著通信網的各種應用資源，負責監視和控制各地球站內設備的工作狀態和參數，負責頻率、功率等可控信道資源的分配和回收[1－3]。為保證衛星通信系統不間斷的可靠運行，一般都配置多個網控中心，各網控中心之間通過預定義的策略分時或者協同完成網絡管理和控制工作。

1 網控中心備份方式

在衛星通信系統中，網控中心備份方式主要有冷備份、熱備份以及介于兩者之間的弱熱備份3種常用方式[4]。

冷備份是指網控中心設備獨立配置，之間沒有任何自動化信息交互的接口，數據的同步靠人工拷貝復制等手段完成。主用網控中心出現問題后，備用網控中心由人工干預啟動運行，重新對管理過程初始化。其特點是軟件復雜度和開發成本低，但由于網控中心間缺乏數據的實時同步，備用網控中心啟動時，原主用網控中心記錄的實時信息會丟失，整個衛星通信系統恢復時間較長，而且帶來通信業務中斷。

熱備份是指網控中心設備之間建立有自動化信息交互的接口，各網控中心設備之間一直保持著數據的實時同步。網控中心間通過握手信令等手段實時檢測工作狀態，并根據檢測到的狀態及預定策略自動進行角色切換。其特點是軟件復雜度及開發成本高，數據同步及切換控制策略復雜，但實時的數據同步保持了主備網控中心之間的數據一致性，從而使主備切換時不影響現有衛星通信系統的狀態，特別是不會中斷正在進行的通信業務，提高了系統可用度。

弱熱備份策略介于上述2種之間，在有些系統中被稱為溫備[5，6]，即主備網控中心之間具備自動化信息交互的接口，但該接口傳遞的數據只包括握手信息和各種與數據庫存儲相關的配置信息，而不包含入退網、資源分配回收等實時的運行變化過程信息，在主用網控中心出現異常時，備用網控中心能自動檢測并加載運行，接替主用網控中心的工作，但由于未記錄通信系統的實時狀態信息，因此會導致地球站重新入網和通信過程的中斷。

2 管理系統架構

該衛星通信系統主要由一個中央站和若干遠端地球站組成。中央站配置大量的業務信道設備、2臺網控中心計算機以及由網控中心控制的多路網絡管理信道;遠端站除配置少量業務信道設備外還配置了網控代理軟件[7]和一路網管信道設備[8]，網控中心通過網絡管理信道與遠端站的網控代理構成一個星形網絡管理系統[9，10]，網絡管理系統組成如圖1所示。

圖1 網絡管理系統組成示意圖

網控中心之間通過以太網連接，網控中心軟件主要由5部分組成，主備網控中心軟件組成相同。網控中心內及相互間的軟件組成關系如圖2所示。

圖2 網控中心軟件組成示意圖

鏈路控制層:主要負責網控中心主機與各網管信道設備之間的信息交互、網管信道狀態檢測、信令的可靠傳輸控制等功能。

資源控制層:主要負責對網控中心可調度的各種資源信息（地球站、信道設備、頻率、速率、功率等）按各種應用策略進行計算分析處理，主要包括地球站的入退網認證、信道設備的可用性（根據狀態監測可分析出信道設備的可用性）控制、電話及數據業務對資源占用的調度和回收等。

事物控制層:主要負責網控中心內各軟件單元間共享資源的調度、配置和存儲，協調網控中心內各軟件單元之間的數據同步。

主備角色控制層:主要負責網控中心狀態的監測、數據的同步轉發和控制，并負責控制所屬主機內其他軟件單元的角色切換。

操作終端層:提供網控中心軟件與網控中心維護人員之間進行信息交互的操作界面，用于各種參數的配置、網絡運行過程及狀態的展示等。

3 網控中心熱備份設計

在衛星通信系統運行過程中，主用網控中心負責對整個系統進行管理控制，包括網絡和地球站參數的配置、地球站的入退網控制、衛星信道資源配置和分配、網管信道的切換、鏈路性能的監視和調整、網絡運行狀態的監視以及故障管理等功能。

備用網控中心處于靜默值守狀態，保持與主用網控中心間的數據同步，并實時監視主用網控中心的運行狀態。在檢測到主用網控中心運行異常時，能夠根據預定策略升級為主用角色，接管網絡管理和控制功能，從而最大可能地保證衛星通信系統的業務不間斷運行。

備用網控中心同主用網控中心一樣，可實時接收來自各外圍地球站通過網管信道向網控中心發送的信令，但備用網控中心在鏈路控制層收到這些信令后，并不向上轉發到資源調度或者事物調度層進行處理，而只是將其作為收支路狀態檢測的參考。

網控中心計算機之間通過IP網絡連接在一起，為了靈活地增加或者剔除某網控中心主機及確保網絡規劃的變化不影響網控中心的運行，在網控中心之間采用組播協議進行信息交互。

主備網控中心的實現有2個重要的環節:一個是網控中心間的數據同步;另一個是主備切換策略[11]。

3.1 數據同步

數據同步是指備用網控中心從主用網控中心獲取當前網絡的運行及配置信息，以保持各網控中心記錄的一致性，根據數據類型來分主要包括以下3個方面:

（1）配置數據的同步

配置數據主要存儲在數據庫中，主要包括網絡參數、電話號碼、設備參數、用戶信息等保證網絡運行的各種預定義參數。這類信息對網絡運行有著至關重要的影響，必須保證主備網控中心間的一致，且實時性要求較高。該類型數據的同步方式有3種:①網控中心首次啟動并在確認自己為備用時，主動向主用網控中心發送申請，獲取這些信息;②操作員通過備用網控中心操作界面手動發起同步請求，獲取信息;③操作員通過主用網控中心操作界面發起的網絡參數配置變更命令后，主用網控中心主動向各備用網控中心發送同步更新命令。

（2）狀態數據的同步

狀態數據主要是指衛星通信系統運行過程中發生的各種實時過程狀態數據，主要包括地球站入退網過程、資源占用申請及釋放過程[11，12]以及通信系統運行過程中主用網控中心分析生成的各種異常信息等。這類數據變化往往較配置數據快，實時性和一致性要求較高，主用網控中心在狀態數據變化時，需要及時向備用網控中心同步信息，如圖3所示。

圖3 狀態數據同步流程

（3）日志數據的同步

日志數據主要指網絡運行時產生的各種事件記錄，包括:終端在線記錄、終端話音通信記錄、操作員操作記錄等。這類信息相對次要，也不需要實時性，可以定時進行數據同步。

3.2 主備切換策略

主備切換策略涉及網控中心初始角色確認和運行中主備角色切換兩個過程。這兩個過程都可以由操作員進行人工配置完成，主備角色由人工決定。本設計提供一種基于故障檢測和自動協商的主備角色切換策略。

在網控中心啟動運行初期，各個網控中心通過一定策略，自動協商獲知自己的角色和啟動順序，本設計中以網控中心所在計算機配置的IP地址（在同一個網段的IP網絡中，每臺計算機或其他網絡終端的IP地址是唯一的）作為角色協商的參考值，IP地址越小則優先級越高，IP地址越大則優先級越低。網控中心初始啟動后，首先以組播的方式向網絡上發送心跳信令，該信令中攜帶著本機的當前角色（在協商過程完成前都為:備用）、本機的IP地址等，各網控中心在接收到該信令后，存儲到當前網控中心的有序列表中，經過一定時間協商后，進行角色確定，優先級最高的切換為主用狀態，其他維持備用狀態。

在衛星通信系統運行過程中，當主用網控中心出現故障時，備用網控中心可根據一定策略切換為主用網控中心，這一過程的核心是主備切換準則。對于一個熱備份網絡控制系統，切換判據必須準確可信，因此不能采用單一條件作為判斷準則，而應定義兩個以上的切換條件。在本設計中，以主備網控中心間心跳狀態、網控中心傳輸通道狀態兩個方面來定義主備切換的判斷條件。備用網控中心將接收不到主用網控中心的握手信令作為主備切換的必要條件，但傳輸通道狀態正常是該準則可執行的充分條件。兩個條件的判斷流程如圖4所示。

圖4 主備切換判斷流程

（1）心跳檢測策略

備用網控中心（標識為B）在啟動后開啟心跳檢測定時器Thb，在本機網絡正常時，如果在超時時間內接收到心跳信息或者其他來自主用網控中心（標識為A）計算機的信令信息，則將超時計數器heartbeat_count清零;如果在超時時間內沒有收到任何信令信息，則將該計數器加1;若超時計數大于預先配置的閾值，則認為心跳中斷。

（2）傳輸通道檢測策略

所有在線的網控中心都實時檢測所在計算機的網絡連接狀態，判斷本機的網絡是否正常。備用網控中心在檢測到所在計算機網絡異常時，仍保持自己為備用狀態;主用網控中心在檢測到所在計算機網絡異常時，自動將自己轉換為備用狀態，并通知其他各軟件服務單元轉入靜默值守狀態。

備用網控中心不需檢測與主用網控中心之間的IP網絡是否正常，因為IP網絡的中斷一定會帶來心跳的中斷，完全可以與主用網控軟件異常帶來的結果歸為一類，不用單獨檢測。

4 結束語

網控中心承擔著衛星通信系統運行、維護工作，是保證各信道設備、通信鏈路以及系統有效運行的重要組成部分。介紹了一種網控中心熱備份的方法，給出了網控中心之間數據同步設計和主備切換的準則以及流程。

網控中心之間通過數據同步、自動檢測及協商等機制實現了主備角色的快速切換。網控中心的主備切換不影響網絡當前運行狀態和通信過程，實現了網控中心各種管理功能的連續性，保證了衛星通信系統的不間斷運行。可有效解決衛星通信網絡管理控制的可靠性需求。

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