分布式信号源主控仲裁算法设计

胡琪

（第七一五研究所，杭州，310023）

1 基本框架介绍

多通道信号源是声呐发射机架构的重要分支。它可以将实时信号产生任务分配到多个处理器中完成，实现复杂的发射任务；还可以扩充发射通道，实现多通道发射任务。多通道信号源通常被设计成为“一个主控，多个节点”的结构，如图1所示。主控机与上位机通信，然后将工作参数下发给各个信号源节点，由各个节点单独完成功能。多通道信号源有时也被设计成如图2所示的结构，所有信号源节点采用相同的硬件设计，通过设定拨码等方式，在特定位置的信号源节点上实现主控功能，省去了主控硬件。

图1 多通道发射机框架（含专用主控硬件）

图2 多通道发射机框架（不含专用主控硬件）

无论是独立主控板或是承担主控功能的信号源板，在整个系统中都非常重要，一旦故障或下线，将严重影响设备正常功能。在图2框架的基础上，如果所有在线信号源节点都能被灵活的配置成主控节点，承担主控任务，就能有效降低失去主控的风险。本文设计了一种主控仲裁算法，使系统中主控机可以在线进行智能变更，每个在线的信号源节点都能承担主控任务，使系统中的主控始终保持在线[1,2]。

2 算法原理与设计

分布式信号源主要包含信号源节点和网络连接。仲裁算法是在网络连接基础上各个信号源节点之间的交互过程，为了实现节点间交互也需要对节点进行一些设计，所以软件设计从节点设计和算法设计两方面考虑。

2.1 节点设计

在整个网络中，每个信号源节点具有3个属性：信息版本号、节点地址、节点权限。节点信息是节点携带的可以共享给其它节点的信息，如工作参数、固件等。在本文的分布式网络中规定，节点信息只能由主控节点分发，所有信息都有对应版本号（如工作参数的接收时戳、固件的软件版本号等），主控节点需保证携带信息的版本号为全网最新。节点地址是每个节点区别于其它节点的唯一标识，因为所有节点可能采用同一固件，所以需要通过硬件或软件方式对每个节点进行区分（如硬件拨码、IP设置等）。节点权限是用来控制节点行为的标志。通过节点权限设置，可以将节点分为四类：主机、备用主机、从机、新机，各个权限下可以进行的操作如表1所示。节点权限可以控制所有节点的行为，减少网内通讯量，提升仲裁算法的效率。

表1 节点权限与操作对应表

2.2 仲裁算法设计

当多个节点同时存在时，根据 “信息版本号>节点地址” 的优先级规则进行节点排序，当信息版本号不同时，版本号高的节点排序靠前；当信息版本号相同时，节点地址小的节点排序靠前。仲裁过程是在一个特定初始状态下，通过几轮交互排序，确定网内唯一主机的过程。本设计中，主机还要推送新信息到从机，保持每个节点都携带最新信息。网络达到稳定状态：一个主机，多个备用主机。下面针对几种常见的初始状态说明此算法的运行方式。

（1）初始状态。系统中所有节点都是新机。新机以广播的方式发送节点交流报文（包含信息版本和节点地址两个属性），并接收其它节点的交流报文，确定自身在网络中的权限。各个节点根据节点排序被分级为主机、备用主机、从机。

（2）分级完成状态。当网络中分级完成后（唯一主机确定，没有新机），主机定时发送主机心跳报文，心跳报文中包含主机节点地址和主机信息版本号。从机接收到主机心跳报文后发出信息更新请求报文，主机对全网的从机进行信息更新。从机更新完毕后，权限变为新机，之后的过程等同于新机入网的过程。

（3）新机加入状态。当有新节点加入时，新节点向全网发布节点交流报文并接收主机心跳。所有已在网机与新机比对信息版本号，如果都低于新机的信息版本号，则全网降级为从机，新机升级为主机。如果新机信息版本号低于主机，则新机权限变为从机。如果新机信息版本号与主机相同，则进行节点排序确认新主机。

（4）主机退出状态。当现有主机节点退出后，主机心跳消失。所有备用主机节点开始发送交流报文，进行节点排序选出新主机节点。

（5）并网状态。当两个各自到达稳定状态的网络合并，两个主机互相交流心跳，最终确定唯一主机。如果两个网络信息版本有差异，版本较低的网络全网降级为从机并申请升级。

各个节点的权限转换关系如图3所示。节点与外界交互过程中，如果满足转换关系图上的转换关系时，节点权限会进行调整。

图3 权限转换关系图

权限转换条件：C1，新机参与节点排序，排名第一，变为主控；C2，主控与其它主控或新机信息版本相同，但节点排序非第一，变为备用主控；C3，主机下线后，备用主控重新节点排序，排名第一，变为主控；C4，主控与其它主控或新机信息版本不同，节点排序非第一，变为备用主控；C5，新机与主控节点排序，排名非第一，信息版本不同，变为从机；C6，从机进行信息更新后，变为新机；C7，新机与主控节点排序，排名非第一，信息版本相同，变为备用主机。

3 功能验证

本文选择进行功能验证的硬件平台核心是TI公司的F28M35芯片，它包含ARM Cotex-M3+C2000双核，ARM核中带一个百兆EMac模块，可满足组网的需求，C2000则是工业中常用的控制芯片，可以用来产生PWM信号[3]。通过GPIO输入2位拨码区别节点IP，并接到交换机实现一个4节点组网，如图4所示（根据各节点IP末位，以下简称41、42、43、44节点）。预先给41号节点烧写1.1版本程序，其它节点为1.0版本程序，所有节点在组播地址230.9..9.1中进行交流。开机后用计算机抓包监控所有组播的UDP报文，得到结果如图5所示。报文各帧的含义解析见表2。

图4 节点连接关系图

图5 测试环境抓包

表2 报文对应表

4 结论

本文针对联网架构的信号源设计了一种主控仲裁算法，节点间通过信息交互实现主控权限仲裁转移。经过软硬件开发和抓包实验，验证了在各种初始条件下，系统最终都能够收敛到单主控状态。该算法能将设备对单一主控硬件依赖性的风险分散到所有节点上，即使现有主控下线也不会影响整体功能。该方法既可为系统设计提供参考，也可广泛用于具有类似分布式架构的系统，提升系统的可靠性。