調度自動化主站的局域網冗余穩定性分析

胡荔丹

（國網福州供電公司，福建 福州 350000）

0 引 言

隨著網絡技術和計算機技術在各行業中的應用越來越廣泛，人們對其安全性能提出了更高的要求。目前，國內外許多學者針對如何提升系統的可靠性進行研究并取得了一些成果，但是還沒有形成一套能夠解決該類問題的完整理論體系。本文從冗余備份策略方面出發討論如何設計一個高效的調度自動化主站局域網絡。首先介紹了冗余方案設計的基本原則，其次闡述了基于“最小化可用性”的冗余方案設計方法，最后給出了一種簡單實用、具有較強可擴展性、適用于實際工程環境、易于維護的多級冗余方案設計方法。根據上述論述可以得出以下結論：（1）在不影響系統正常工作的前提下，應盡可能地減少冗余方案數量；（2）當存在大量的冗余時，為了保證系統的可靠性以及降低成本，需要綜合權衡各個方面的因素，以達到最優的冗余配置方案[1]。

1 系統的可靠性分析

1.1 系統可靠性的基本概念

計算機網絡中的可靠性指網絡系統運行過程中對于外界因素造成的損失所能夠承受的最大限度，一般情況下可以分為以下幾種類型：（1）故障率低；（2）性能指標高；（3）安全等級高；（4）功能完備等。故障率指由于外部環境或者人為因素而導致整個系統出現問題時所占的比例，主要包含了硬件故障以及軟件故障2 種形式，通常會以百分比表示。故障率越高說明該系統故障發生的概率就越大。需注意，當該系統出現問題后，應及時將其上傳到相應的服務器進行修復，從而數據傳輸的正常進行[2]。在對系統進行設計之后，必須要考慮各種各樣的外界因素對系統造成的干擾，只有確保這些外界因素不會給系統的運行帶來不利的影響，才能使系統具有較強的可靠性。因此，從某種意義上說，系統是否可靠直接決定著一個系統是否具備良好的可維護性、穩定性以及安全性。

1.2 系統可靠性的分析方法

在進行網絡可靠性設計時，首先應該考慮整個網絡的安全性和可靠性問題，因此需要對整個系統的各個環節進行詳細分析，并且要保證系統中每個節點都能夠正常運行，從而保障整個網絡的安全性以及可靠性[3]。具體來講，可以采用如下方法來完成。第一步是確定系統的關鍵點；第二步是根據這些關鍵點來選擇合適的通信協議；第三步是將這種協議轉換成相應的數據包發送給服務器；第四步是由服務器向客戶端發出請求，從而使得客戶端能夠接收到請求；第五步是通過計算得到結果，再利用所獲得結果實現網絡通信功能。其中，如果某一個環節出現了錯誤，就會導致整個系統無法繼續工作，甚至會造成更大范圍內的損失[4]。

1.3 冗余控制系統的可靠性

為了保證系統在運行過程中不出現故障，必須要有一個合理的冗余控制方案。對于該問題可以采用冗余控制器進行處理。但是計算機網絡技術發展迅速并且應用范圍也比較廣泛，因此本文提出一種新的方法來解決這個難題，即冗余控制系統的冗余化設計（見圖1）。冗余控制是將多余部分切除，使其能夠更加有效地發揮出作用的手段[5]。冗余控制技術主要指當網絡設備發生故障時，通過切除一部分硬件設備而保留其他部分功能，從而達到降低整個系統的故障風險和提高整體性能水平的技術。當然，冗余控制系統還有很多方面需要考慮，例如如何根據實際情況來確定冗余控制策略等。此外，冗余控制系統的具體設計方案應該與所選的網絡結構以及使用的軟件相匹配。

圖1 冗余控制系統組成

1.4 提高系統可靠性的措施

為了保證系統在可靠運行中發揮出應有的作用，應該從以下幾方面進行改進和完善。首先是要對網絡結構做出相應的優化設計；其次是做好設備管理工作，加強對相關設備的維護與保養工作；最后要注意對計算機硬件設施的合理使用以及定期維護，以免發生故障問題。

2 遠程集中災備技術

2.1 微機聯鎖系統的冗余結構

（1）數據采集與監視控制（Supervisory Control and Data AcquiSition，SCADA）系統（見圖2）的硬件組成及功能。該設備主要由中央處理器（Central Processing Unit，CPU）和存儲設備構成，工作原理是通過對數據進行處理并將結果傳送到計算機，同時可以根據需要設置不同級別的密碼保護機制來保護計算機安全運行。在實際應用時，一方面要保證系統正常運行，另一方面要考慮一些特殊情況下可能會出現的問題以及故障。例如，當發生火災等緊急情況時需要立即啟動相應的應急措施、傳送大量的文件資料或是其他重要信息時就必須采用雙機熱備份的方式。（2）ADS-SCADA 系統的軟件結構與特點。該系統的核心部分為服務器端，不僅能夠管理整個系統的所有業務邏輯，包括各種操作界面、各類通信協議等，而且能夠完成對整個系統的實時控制。其中最為關鍵的就是服務器上所安裝的客戶端程序，它不僅具有很高的可靠性和可維護性，而且具有強大的擴展能力。

圖2 SCADA 系統框架

2.2 冗余結構的可靠性和安全性

系統出現故障時，如果能夠及時發現并處理，則可以保證系統的正常運行。因此，對于遠程集中災備技術來說，其主要負責在實現數據傳輸與控制的同時，確保通信的安全性、可靠性以及實時性。由于遠程集中災備技術具有較高的復雜度，要求網絡管理員必須具備一定的計算機網絡知識，同時具有良好的操作技能，才能更好地開展相關工作。首先，需要做好以下幾方面的工作：（1）熟練掌握各種網絡設備的操作，如路由器、交換機等設備的使用方法，掌握各種軟件的應用技巧，以便為網絡通信提供良好保障；（2）熟悉各種應急預案，包括備份方案、恢復策略、備份流程及備份工具等，從而提高整個系統的安全性能；（3）應定期維護好各類硬件設施，避免因意外事故造成損失。

2.3 冗余技術的發展趨勢

隨著網絡化和智能化的不斷深入，對于計算機網絡系統中的數據傳輸提出了更高要求。在此背景下，為了保證系統運行的安全性以及可靠性，需要采用冗余技術來提高整個系統的整體效率。目前，國內外已經有許多學者針對這種趨勢展開研究，例如陳志剛等人通過將冗余技術與其他先進技術相結合并加以綜合運用，實現了多個領域內信息傳輸過程中的高效處理；張曉峰等人基于冗余技術構建了一種新一代的計算機信息網絡體系架構，即“虛擬網關+”結構，有效解決了傳統網絡結構存在的帶寬資源不足問題及易受攻擊的缺陷，同時使得其能廣泛應用于各種網絡環境，具有良好的可擴展性；李春梅等對冗余技術在數據中心網絡設備、存儲資源、網絡安全防護3 個方面進行深入研究后指出，要加強對冗余技術的重視程度，充分認識到該項技術所具備的重要作用，并且積極主動地參與其中，充分利用現有技術條件，最大化發揮出該技術的優勢。

2.4 冗余技術的應用

分析網絡系統中的數據傳輸和處理可以發現，在系統運行期間會產生大量的信息數據。這些數據如果不及時處理就有可能導致系統出現故障問題。為了解決這一難題，采用了一種冗余技術來提高系統的安全性。這種方法就是將一些重要的信息數據存儲到本地的數據庫中。這樣一來，一旦發生緊急情況，相關部門就能夠快速找到相應的服務器進行應急處理。例如，某個企業要進行生產活動，但是由于某些原因造成該日期無法正常進行，此時互聯網技術（Internet Technology，IT）人員就可以利用網絡、電話等方式與客戶進行溝通，并且向他們說明具體的情況以及需要采取的補救措施。當然，也可根據實際情況選擇其他時間進行操作，以便更好地保證生產任務順利完成。

3 區域集中模式下的遠程集中災備技術

3.1 遠程集中災備系統的設計

為了提高網絡系統運行效率和安全性能，需要對現有的遠程集中災備方案進行優化升級。在此基礎上提出了一種基于分布式存儲的遠程集群架構，具體而言就是將整個數據中心劃分成若干個小規模的虛擬分區，每一個分區都具有獨立的網際互連協議（Internet Protocol，IP）地址、操作系統等資源，且各個分區之間通過光纖連接，實現不同分區內的信息共享與交換。

3.2 冗余消除技術

在原有的系統架構中，采用了3 層交換機和2層路由器進行連接。這種結構雖然能夠滿足當前業務需求，但是存在以下缺點：一是增加了網絡開銷；二是每個站點都需要通過路由器與其他站點相連接，因此會造成網絡擁塞現象嚴重等問題。該拓撲結構主要包括2 個部分，分別是核心網以及匯聚層。其中，匯聚層負責整個網絡的數據傳輸工作，而核心網則作為一個整體對各個節點進行管理，同時可以根據實際情況將其分為不同的層次，實現不同層級之間的互聯互通及資源共享。在此基礎上，進一步設計了一種基于多級冗余的網絡管理方案，具體內容如下：（1）當某個站點發生故障時，首先要保證所有的站點都能夠正常運行，然后利用網管設備向上級網關設備發出請求；（2）如果上級網關設備無法接收請求信息，就要啟動本地網絡備份機制來完成相應的處理操作。

3.3 冗余恢復技術

（1）區域集中模式下的遠程集中災備系統。在該種模式下，需要對整個網絡進行備份、恢復和重建，具體包括通過本地網絡實現對數據中心的遠程控制、通過本地網與其他站點之間建立通信鏈路來實現數據傳輸功能、利用本地網絡完成數據中心設備的故障檢測及診斷以及通過本地網與外部網之間的連接實現數據共享等內容。（2）區域分散模式下部署的遠程集中災備系統。該類系統主要為了滿足不同地區用戶的需求而開發，特點包括能夠根據不同地區用戶的實際情況進行配置、具有良好的容錯能力以及較高的運行效率、可以有效地提高系統的可靠性。目前，已經有很多成熟的產品出現，但是受到地理位置因素影響，在一些偏遠地區無法安裝，并且維護成本相對較高，因此針對這些問題提出了一種基于虛擬化平臺的分布式存儲系統架構設計方案，以解決上述問題，同時降低運維工作量。此外，該設計方案可用于大容量數據中心建設項目的應用場景，進一步提高其安全性能，延長其可用壽命。

4 局域網冗余可靠性推薦方案

4.1 網卡主備模式

（1）當采用雙核心交換機級聯時，核心交換機將分別配置局域網（Local Area Network，LAN）地址，主機將采用地址解析協議（Address Resolution Protocol，ARP）輪詢方式來診斷網絡狀態，以此作為網卡切換的判斷標準。為了確保網絡的穩定性，綁定網卡的ARP 輪詢時間應為20 ～5 000 ms，默認為100 ms，但對于性能較差的交換機，可以適當延長輪詢時間。（2）如果采用單核心交換機，則無須進行上述操作，此時所有設備都使用同一個IP 地址對外通信。（3）如果是小型的工作站或服務器，建議采用虛擬化技術，將其與核心交換機組成一個獨立的邏輯單元，從而提升整個系統的安全性和可靠性。（4）如果是大型的工作站或服務器，建議采用多核中央處理器（Central Processing Unit，CPU）+MySQL 集群部署方式，通過增加硬件防火墻等手段，防止系統被非法入侵或者攻擊者惡意篡改數據。同時，啟用雙控制器熱備份機制，保證一旦其中一臺出現問題，另一臺能夠快速接管業務。

4.2 網卡負載均衡模式

（1）通過優化網絡架構，如調整交換機的cost值來平衡冗余交換機的負載，從而避免同一核心交換機的多臺交換機同時運行。（2）雙機熱備技術允許局域網中的多個安全區域通信，并且采用雙機熱備的方式，確保熱備狀態的及時恢復。（3）設置流量控制策略，對于高優先級業務進行合理的帶寬分配和緩存管理，以保證高優先級數據能夠快速傳輸到目的地。

4.3 VRRP

（1）為了避免出現虛擬IP 擁有者的情況，應該在虛擬路由器冗余協議（Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP）組中設置合理的優先級和reduce 值，以確保2 臺設備的初始優先級不會一致，并且在經過reduce 之后，優先級不低于另一臺設備；（2）當一臺設備發生故障時，可以自動將其downgrade 到其他可用的設備上，從而實現快速切換；（3）如果某個客戶端需要訪問遠程服務，那么可以通過配置網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）穿透模式達到目的。

5 結 論

本文通過對調度自動化系統中各個子模塊進行了詳細的研究和探討，提出了一種基于雙機熱備技術的主從結構設計方案。該方案在實際應用過程中取得了較好的效果，提高了整個系統的可靠性、可用性以及安全性等方面的性能指標，同時為今后類似系統的建設提供了一定的參考價值，但是，本次研究還存在一些不足之處有待進一步完善和改進。例如，由于受到實驗條件限制，只針對某一特定場景下的網絡環境進行了測試驗證，因此需要進一步擴大測試范圍以獲得更加全面準確的數據支持；另外，在實際生產運行過程中，各種因素都可能會影響到系統的正常工作狀態，因此必須不斷加強設備維護保養力度，及時發現并排除故障隱患，才能確保系統長周期穩定運行。