雙機熱備軟件設計分析

摘 要：本文對雙機熱備軟件最基礎的功能要點及實現邏輯進行分析，設計并實現雙機熱備中雙主機方式（Active-Active方式）的熱備切換功能。為以后雙機熱備軟件的使用和后續復雜功能的研究提供了一些參考和開發思路。

關鍵詞：軟件開發；雙機熱備；網絡通信

中圖分類號：TP309文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）09-0056-05

Abstract：In this paper，the most basic function points and implementation logic of dual hot standby software are analyzed，and the hot standby switching function of Active-Active mode is designed and completed. It provides some reference and development ideas for the future use of the dual machine hot standby software and the subsequent complex function.

Keywords：software development；dual machine hot standby；network communication

0 引 言

雙機熱備指的是就是將中心服務器安裝成互為備份的兩臺服務器，并且在同一時間內只有一臺服務器運行。當其中運行著的一臺服務器出現故障無法啟動時，另一臺備用服務器會迅速的自動啟動并運行，從而保證整個網絡系統的正常運行。雙機熱備的工作機制實際上是為整個網絡系統的中心服務器提供了一種故障自動恢復能力。

1 雙機熱備拓撲結構分析

雙機熱備的拓撲結構，在簡單的示例上的連接如圖1所示，即把兩臺熱備服務器簡單的進行連接通信。

但是其實，在圖1上面縮減了以太網的存在，真實的拓撲圖如圖2所示。

在一些網絡設計的拓撲圖中，以太網確實是可以進行縮減，但是在雙機熱備的拓撲圖中，以太網有它的特殊存在意義。因此無論是兩臺服務器直接使用網線進行點對點互聯，還是通過路由進行互聯，只要使用了以太網進行連接，兩臺服務器要進行通信都必須通過“網關”來進行通信。

眾所周知，從一個房間走到另一個房間，必然要經過一扇門。同樣，從一個網絡向另一個網絡發送信息，也必須經過一道“關口”，這道關口就是網關。顧名思義，網關（Gateway）就是一個網絡連接到另一個網絡的“關口”，也就是網絡關卡。

在雙機熱備軟件設計上，網關對于判斷服務器是否在正常運行，有著很重要的邏輯意義。詳細的邏輯判斷在下文進行闡述。

2 雙機熱備服務器切換邏輯分析

在雙機熱備軟件運作的邏輯中，當主用服務處于非正常工作的時候，需要把備用服務啟動來替代主用服務器進行工作。而判斷服務器是否正常運行就是雙機熱備軟件開始運作的第一步。

每隔少許時間，備用服務器都會通過線路發送“心跳”來查看主用服務器的運行狀態，從而判斷是否需要啟動，如圖3所示。

但是該設計有個無法解決的邏輯判斷，就是無法判斷出主用服務器出現問題還是線路出現問題，如圖4和5所示。

所以當線路出現問題時，按照圖5中的邏輯判斷，便會啟動備用服務器。但是此時主用服務器還是在正常工作，啟用備用服務器就是一個嚴重的邏輯錯誤，在切換邏輯判斷上不能使用這個方法。

為了解決該問題，需要使用到上文的拓撲結構，也就是需要使用到“網關”來進行邏輯判斷，如圖6所示。

當備用服務器往主用服務器發送心跳時，心跳數據需要先經過以太網（網關），再到達主用服務器。如果心跳并未到達網關就已經停止，則說明備用服務器線路異常，主熱備功能失效，需要提醒設備的管理人員進行相應的處理。

而當心跳數據已經通過網關時，但是未能到達主用服務器，則能判斷主用服務器處于非正常工作狀態。產生這種問題的原因有可能是主用服務器線路斷開，也有可能是主用服務器已經死機，無法進行相應的功能。雖然無法具體定位到是線路問題還是主用服務器問題，但是無論哪個情況，復用服務器都需要啟動起來來替代主用服務器進行工作。

本節切換邏輯判斷總體流程如圖7所示。

3 雙機熱備恢復熱備功能邏輯分析

在雙機熱備功能中，主用服務器和備用服務器都有可能出現異常情況，導致熱備功能失效。當主用服務器或者備用服務器熱備功能出現異常后，設備人員修復設備完成后，軟件需要自動對熱備的恢復功能進行邏輯處理。

這種邏輯處理具體有兩種情況：一種為備用服務器產生異常，而主用服務器還在正常運作的情況。在這情況下，備用重新恢復熱備功能的時候不能影響主用服務器的正常運行，也不能把自己替代成主用服務器來處理。第二種情況為，主用服務器和備用服務器都由于某些特殊的原因先后出現異常，設備人員未能及時處理，兩臺服務器同時無法使用。在這情況下，先修復的服務器要判斷為主用服務器，后修復的服務器要判斷為備用服務器，當兩臺服務器正常時，主熱備功能恢復正常使用。

完成這個邏輯處理，需要兩個校驗數據，一個是主用服務器使用的標記信息（通常使用主用服務器的IP地址）；另外一個是主用服務器正常運行時，每一個時間心跳的最后時間的刷新紀錄。這兩個校驗數據通過發送心跳和心跳回饋的方式進行消息傳輸。

該功能邏輯判斷流程如圖8所示。

4 將服務器動態IP應用到雙機熱備的邏輯分析

在雙機熱備軟件的使用中，最為典型應用場景就是要求在主用服務器應用的情況下，無論切換的是服務器A還是服務器B，對外的訪問都是使用同一IP地址。要想在雙機熱備軟件上的實現這種功能，就必須做到當主用服務器切換到服務器A時，將動態IP地址添加到服務器A；當主用服務器切換到服務器B時，把服務器上面A的動態IP地址去除。

在圖9中，將切換邏輯，恢復邏輯，以及動態IP邏輯整合到一起，完成最基本的雙機熱備軟件功能。

根據圖9中的邏輯，記錄服務器A與服務器B中模擬進行切換的時間點以及服務器A與服務器B的狀態，如表1所示。

表1模擬演示了備用服務器B從失連到連接后的狀態，主用服務器A從失連到備用服務器B替代主用服務器的狀態，服務器A與服務器B同時無法正常工作后，先運行的服務器為主用服務器的狀態，運行結果正確，運行切換時間短，熱備功能效率高。

5 結 論

雙機熱備的需求看似簡單，但是也包含了好幾種的應用場景在里面，需要具體的去分析各個場景中的邏輯判斷的需要，也需要考慮服務器中各個參數的變化情況，以確保主用與備用的切換和判斷，切換后的自動恢復，以及服務器功能正常穩定的運行。

誠然，雙機熱備只是一種小功能產品，無法與一些大的項目做比較，但是在保障整個網絡系統的正常運行之中也是有它的一席之地。本文詳細的羅列了雙機熱備中各個功能要點的實現思路，以及如何把一個常見的動態IP功能整合到雙機熱備的功能中，為后續將更多的功能添加與開發提供了一些參考。

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作者簡介：狄添舜（1989-），男，漢族，廣東廣州人，軟件設計師，學士。研究方向：通信調度集群開發。