基于云計算一體化測試發控系統設計與分析

張晨光，呂 明，劉巧珍

0 引 言

運載火箭測試發控系統是依據總體及各系統測試發控要求研制的系統，它用于對各系統功能和性能測量、進行模擬飛行測試、對各系統間接口協調性檢查，完成發射前測試和點火發射控制[1]。隨著中國航天工業的發展，測發控系統自動化及集成化程度、系統可靠性等得到不斷提高。作為新一代計算機及網絡技術之一的云計算技術已被趨于成熟并應用到各領域，其特有的在分布開放式共享資源上，按需獲取計算能力、存儲空間和信息服務，可大幅提高計算、存儲和數據分析能力，已改變了傳統以服務器和PC為中心應用模式。在測試和發射過程中，各系統（尤其是測量系統）需要處理和計算大量的測試信息；另一方面，目前地面測試發控系統服務器及計算機設備數量較多，類型配置繁雜，大部分計算機硬件資源未得到充分利用。因此為了滿足大量數據處理要求，并能充分利用計算機硬件資源，提高計算能力，需要研制基于云計算的一體化測試發控系統[1,2]。

1 云計算一體化測發控系統框架設計

云計算一體化測發控系統適用于現代運載火箭遠距離測試和發射控制模式，系統構建在高速傳輸前端與后端網絡平臺上，將后端服務器、工作站等計算機運算資源一體化設計，實現各系統遠距離測試發射控制需求。與傳統測發控系統比較，地面電源、控制輸出、箭地通信、配氣臺等前端設備，以及無線接收解調、應急等后端非計算機設備設計未變化，設計內容主要是服務器、計算機、網絡交換等設備。系統框架結構見圖1[3]。

圖1 基于云計算一體化測發控系統框架Fig.1 Schematic Diagram of Integrated Test Launch and Control System Based on Cloud Computing

2 基于云計算一體化測發控系統實現

2.1 基于云計算一體化設備實現

在基于云計算一體化設備設計過程中，取消各系統獨立的服務器和工作站，通過服務器組與磁盤陣列，采用虛擬化集成技術進行運算資源一體化設計，同時采用“桌面云”技術實現各系統瘦客戶機終端訪問服務[4,5]。

運算資源一體化設計是將多臺承載不同業務應用的服務器及工作站整合到一臺或幾臺服務器中，一般整合到兩臺服務器中，采取錯誤冗余技術（Fault Tolerance，FT）模式實現服務器冗余構架，采用機架式服務器與磁盤陣列，在可配置鏡像基礎上建立虛擬機，各種業務應用分別被封裝在獨立的虛擬機中，虛擬機上運行原有用戶控制系統、測量系統、動力測控系統、發射支持系統、總體網系統所需要的操作系統以及軟件。采用運算資源一體化設計，不僅能夠實現整體資源集中管控，而且云計算系統可根據實際需求對資源動態申請與釋放，對各系統的維護與升級將更加便利，進而實現集中高效應用設備資源，并且不影響業務應用處理效率[6,7]。

“桌面云”技術采用遠程桌面協議（Remote Desktop Protocol，RDP）協議和瘦客戶機實現。RDP協議是在遠程主機上應用程序通過編碼的“位圖流”控制，通過單播協議傳輸位圖至本地終端。此技術消耗較少CPU資源，采用RDP終端模式，通過虛擬計算環境提供的動態資源分配，終端服務器可以動態地適應接入瘦客戶機的數量，提高顯示需求的響應速度，應用程序無論其C/S或B/S架構、Java或.Net開發環境，均可在瘦客戶機在終端模式下運行。在實現過程中，各系統終端機為瘦客戶機，只需要配置顯示器、鼠標鍵盤以及網絡通信設備即可實現原來所有的操作，對各系統用戶而言，其操作沒有任何變化，可以實現用戶層面上的無縫轉移。基于云計算一體化模式設計如圖2所示。

圖2 基于云計算一體化設計示意Fig.2 Diagram of Cloud Computing Integration

2.2 系統可靠性設計

基于云計算一體化測發控系統需構建在高速可靠網絡通信設備上實現信息通信，因此網絡通信可靠性至關重要。網絡通信采用國產化華為集群交換機系統（Cluster Switch System，CSS）雙交換機冗余技術、快速生成樹協議（Rapid Spanning Tree Protocal，RSTP）線路冗余技術以及浮動靜態路由技術，在前端與后端網絡均采用雙交換機冗余構建，實現整個網絡交換機和線路冗余。CSS協議通過2×10GE帶寬將兩臺數據通信設備組合為單一的虛擬交換機，以CSS雙交換機冗余架構中的一臺為主虛擬交換機，另一臺為備虛擬交換機，當主虛擬交換機發生故障時，備虛擬交換機能瞬時承擔全部路由與交換任務，自動實現控制層面、數據層面的快速切換，從而構成高效可靠的雙交換機熱冗余信息通信，網絡通信冗余設計見圖3[8]。

基于云計算一體化測發控系統服務器冗余構架是核心部分，通過此構架實現數據在線自動遷移，目前應用較成熟有兩種：高可用性技術（High Available，HA）和錯誤冗余技術（Fault Tolerance，FT）。HA技術使用Cluster組，主機之間可以彼此互相支持，一旦有實體機器發生故障，在其他主機上運行虛擬機“重新啟動”并執行工作，但這種模式切換時間較長。FT技術是構架在VMware HA之上采用vLockstep技術映射出一個虛擬機在不同的實體機器上，通過VMkernel port載送同步信息，當主虛擬機出現問題時，副虛擬機立即執行任務，實現零停機要求，不會有數據遺失的問題產生，此模式切換時間較短，因此在設計過程中一般采用FT模式。

磁盤系統是數據的最終存儲單元，任何一塊硬盤的損壞都可能導致數據存取性能的嚴重下降，甚至是關鍵業務數據的完全丟失。使用磁盤陣列提供全部數據的統一存儲提高硬盤存儲效率，采用RAID-10+SPARE硬盤控制冗余技術和刀片服務器配置RAID-1固態盤技術，提供高的存儲可靠性和數據訪問性能。

3 可靠性與實時性分析

3.1 可靠性分析

在信息傳輸過程中，基于云計算一體化測發控系統采用虛擬機代替了原有的物理服務器和工作站，信息通信也由傳統的服務器、工作站之間信息流改變成虛擬機之間的信息流。在可靠性分析過程中，需覆蓋全部信息傳輸模式，選取信息鏈路最復雜的前端與后端通信進行建模與計算，為了進行比較首先分析傳統模式可靠性如圖4所示，根據可靠性模型可知，系統為并串系統。

式中cR，gR，jR，sR分別為傳統模式測發控系統、工作站、交換機、輸出設備的可靠性；t為一次連續工 作時間；tMTBF為平均無故障時間。

圖4 傳統模式測發控系統可靠性Fig.4 Reliability Diagram of Traditional Mode Test Launch and Control System

基于云計算一體化測發控系統采用瘦客戶機瀏覽終端方式，任意一臺瘦客戶機均能訪問虛擬機OS平臺上鏡像的后端各系統工作站，可靠性框圖見圖5。

圖5 基于云計算一體化測發控系統可靠性Fig.5 Reliability Diagram of Integrated Test Launch and Control System Based on Cloud Computing

式中yR，fR分別為基于云計算一體化測發控系統、服務器的可靠性。

由以上可靠性建模與分析可知，與傳統模式的測發控系統比較，基于云計算一體化測發控系統可靠性更高。

3.2 實時性分析

基于云計算一體化測發控系統采用虛擬機設計模式，由于系統實現構架原因，信息在傳輸過程中需多次經過網絡交換機，因此有必要分析信息傳輸的實時性。選取信息鏈路最復雜的后端發送指令信息到前端設備的信息通信模式進行分析，傳統模式信息傳輸實時性如圖 6所示，基于云計算一體化測發控系統實時性如圖7所示。

圖6 傳統模式測發控系統信息傳輸時延圖Fig.6 Information Transmission Delay of Test Launch and Control System in Traditional Mode

由圖6可知，傳統模式測發控系統信息傳輸時延Tc為

圖7 基于云計算一體化測發控系統信息傳輸時延Fig.7 Information Transmission Delay of Integrated Test Launch and Control System Based on Cloud Computing

由圖 7可知，基于云計算一體化測發控系統信息傳輸時延yT 為

與圖 6所示的傳統模式測發控系統傳輸時延進行比較，Ta+ Tb= T1，且圖6和圖7中的 T2+ T3+ T4均相同，因此基于云計算一體化測發控系統信息傳輸時延增加了 Tb。經過測試從瘦客戶機到云服務器（User Datagram Protocol，UDP）單播信息傳輸平均延時為 Tb=0.609 ms。

經過以上分析，與傳統模式測發控系統比較，基于云計算一體化測發控系統信息傳輸時延僅增加了不到1 ms，滿足測發控信息執行與處理要求。

4 結束語

基于云計算一體化測發控系統設計技術，部分內容已成功應用到長征三號甲運載火箭總體網的系統設計中，并執行了多次發射任務，系統工作正常穩定。系統成功應用優化運載火箭測發控系統設計模式，充分利用計算機硬件資源，提高了發射可靠性。應用成熟后能夠提高中國運載火箭測試與發射技術水平，并對后續型號測發控系統設計與研制具有重要借鑒意義。

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