调度自动化主站的局域网冗余稳定性分析

胡荔丹

（国网福州供电公司，福建 福州 350000）

0 引 言

随着网络技术和计算机技术在各行业中的应用越来越广泛，人们对其安全性能提出了更高的要求。目前，国内外许多学者针对如何提升系统的可靠性进行研究并取得了一些成果，但是还没有形成一套能够解决该类问题的完整理论体系。本文从冗余备份策略方面出发讨论如何设计一个高效的调度自动化主站局域网络。首先介绍了冗余方案设计的基本原则，其次阐述了基于“最小化可用性”的冗余方案设计方法，最后给出了一种简单实用、具有较强可扩展性、适用于实际工程环境、易于维护的多级冗余方案设计方法。根据上述论述可以得出以下结论：（1）在不影响系统正常工作的前提下，应尽可能地减少冗余方案数量；（2）当存在大量的冗余时，为了保证系统的可靠性以及降低成本，需要综合权衡各个方面的因素，以达到最优的冗余配置方案[1]。

1 系统的可靠性分析

1.1 系统可靠性的基本概念

计算机网络中的可靠性指网络系统运行过程中对于外界因素造成的损失所能够承受的最大限度，一般情况下可以分为以下几种类型：（1）故障率低；（2）性能指标高；（3）安全等级高；（4）功能完备等。故障率指由于外部环境或者人为因素而导致整个系统出现问题时所占的比例，主要包含了硬件故障以及软件故障2 种形式，通常会以百分比表示。故障率越高说明该系统故障发生的概率就越大。需注意，当该系统出现问题后，应及时将其上传到相应的服务器进行修复，从而数据传输的正常进行[2]。在对系统进行设计之后，必须要考虑各种各样的外界因素对系统造成的干扰，只有确保这些外界因素不会给系统的运行带来不利的影响，才能使系统具有较强的可靠性。因此，从某种意义上说，系统是否可靠直接决定着一个系统是否具备良好的可维护性、稳定性以及安全性。

1.2 系统可靠性的分析方法

在进行网络可靠性设计时，首先应该考虑整个网络的安全性和可靠性问题，因此需要对整个系统的各个环节进行详细分析，并且要保证系统中每个节点都能够正常运行，从而保障整个网络的安全性以及可靠性[3]。具体来讲，可以采用如下方法来完成。第一步是确定系统的关键点；第二步是根据这些关键点来选择合适的通信协议；第三步是将这种协议转换成相应的数据包发送给服务器；第四步是由服务器向客户端发出请求，从而使得客户端能够接收到请求；第五步是通过计算得到结果，再利用所获得结果实现网络通信功能。其中，如果某一个环节出现了错误，就会导致整个系统无法继续工作，甚至会造成更大范围内的损失[4]。

1.3 冗余控制系统的可靠性

为了保证系统在运行过程中不出现故障，必须要有一个合理的冗余控制方案。对于该问题可以采用冗余控制器进行处理。但是计算机网络技术发展迅速并且应用范围也比较广泛，因此本文提出一种新的方法来解决这个难题，即冗余控制系统的冗余化设计（见图1）。冗余控制是将多余部分切除，使其能够更加有效地发挥出作用的手段[5]。冗余控制技术主要指当网络设备发生故障时，通过切除一部分硬件设备而保留其他部分功能，从而达到降低整个系统的故障风险和提高整体性能水平的技术。当然，冗余控制系统还有很多方面需要考虑，例如如何根据实际情况来确定冗余控制策略等。此外，冗余控制系统的具体设计方案应该与所选的网络结构以及使用的软件相匹配。

图1 冗余控制系统组成

1.4 提高系统可靠性的措施

为了保证系统在可靠运行中发挥出应有的作用，应该从以下几方面进行改进和完善。首先是要对网络结构做出相应的优化设计；其次是做好设备管理工作，加强对相关设备的维护与保养工作；最后要注意对计算机硬件设施的合理使用以及定期维护，以免发生故障问题。

2 远程集中灾备技术

2.1 微机联锁系统的冗余结构

（1）数据采集与监视控制（Supervisory Control and Data AcquiSition，SCADA）系统（见图2）的硬件组成及功能。该设备主要由中央处理器（Central Processing Unit，CPU）和存储设备构成，工作原理是通过对数据进行处理并将结果传送到计算机，同时可以根据需要设置不同级别的密码保护机制来保护计算机安全运行。在实际应用时，一方面要保证系统正常运行，另一方面要考虑一些特殊情况下可能会出现的问题以及故障。例如，当发生火灾等紧急情况时需要立即启动相应的应急措施、传送大量的文件资料或是其他重要信息时就必须采用双机热备份的方式。（2）ADS-SCADA 系统的软件结构与特点。该系统的核心部分为服务器端，不仅能够管理整个系统的所有业务逻辑，包括各种操作界面、各类通信协议等，而且能够完成对整个系统的实时控制。其中最为关键的就是服务器上所安装的客户端程序，它不仅具有很高的可靠性和可维护性，而且具有强大的扩展能力。

图2 SCADA 系统框架

2.2 冗余结构的可靠性和安全性

系统出现故障时，如果能够及时发现并处理，则可以保证系统的正常运行。因此，对于远程集中灾备技术来说，其主要负责在实现数据传输与控制的同时，确保通信的安全性、可靠性以及实时性。由于远程集中灾备技术具有较高的复杂度，要求网络管理员必须具备一定的计算机网络知识，同时具有良好的操作技能，才能更好地开展相关工作。首先，需要做好以下几方面的工作：（1）熟练掌握各种网络设备的操作，如路由器、交换机等设备的使用方法，掌握各种软件的应用技巧，以便为网络通信提供良好保障；（2）熟悉各种应急预案，包括备份方案、恢复策略、备份流程及备份工具等，从而提高整个系统的安全性能；（3）应定期维护好各类硬件设施，避免因意外事故造成损失。

2.3 冗余技术的发展趋势

随着网络化和智能化的不断深入，对于计算机网络系统中的数据传输提出了更高要求。在此背景下，为了保证系统运行的安全性以及可靠性，需要采用冗余技术来提高整个系统的整体效率。目前，国内外已经有许多学者针对这种趋势展开研究，例如陈志刚等人通过将冗余技术与其他先进技术相结合并加以综合运用，实现了多个领域内信息传输过程中的高效处理；张晓峰等人基于冗余技术构建了一种新一代的计算机信息网络体系架构，即“虚拟网关+”结构，有效解决了传统网络结构存在的带宽资源不足问题及易受攻击的缺陷，同时使得其能广泛应用于各种网络环境，具有良好的可扩展性；李春梅等对冗余技术在数据中心网络设备、存储资源、网络安全防护3 个方面进行深入研究后指出，要加强对冗余技术的重视程度，充分认识到该项技术所具备的重要作用，并且积极主动地参与其中，充分利用现有技术条件，最大化发挥出该技术的优势。

2.4 冗余技术的应用

分析网络系统中的数据传输和处理可以发现，在系统运行期间会产生大量的信息数据。这些数据如果不及时处理就有可能导致系统出现故障问题。为了解决这一难题，采用了一种冗余技术来提高系统的安全性。这种方法就是将一些重要的信息数据存储到本地的数据库中。这样一来，一旦发生紧急情况，相关部门就能够快速找到相应的服务器进行应急处理。例如，某个企业要进行生产活动，但是由于某些原因造成该日期无法正常进行，此时互联网技术（Internet Technology，IT）人员就可以利用网络、电话等方式与客户进行沟通，并且向他们说明具体的情况以及需要采取的补救措施。当然，也可根据实际情况选择其他时间进行操作，以便更好地保证生产任务顺利完成。

3 区域集中模式下的远程集中灾备技术

3.1 远程集中灾备系统的设计

为了提高网络系统运行效率和安全性能，需要对现有的远程集中灾备方案进行优化升级。在此基础上提出了一种基于分布式存储的远程集群架构，具体而言就是将整个数据中心划分成若干个小规模的虚拟分区，每一个分区都具有独立的网际互连协议（Internet Protocol，IP）地址、操作系统等资源，且各个分区之间通过光纤连接，实现不同分区内的信息共享与交换。

3.2 冗余消除技术

在原有的系统架构中，采用了3 层交换机和2层路由器进行连接。这种结构虽然能够满足当前业务需求，但是存在以下缺点：一是增加了网络开销；二是每个站点都需要通过路由器与其他站点相连接，因此会造成网络拥塞现象严重等问题。该拓扑结构主要包括2 个部分，分别是核心网以及汇聚层。其中，汇聚层负责整个网络的数据传输工作，而核心网则作为一个整体对各个节点进行管理，同时可以根据实际情况将其分为不同的层次，实现不同层级之间的互联互通及资源共享。在此基础上，进一步设计了一种基于多级冗余的网络管理方案，具体内容如下：（1）当某个站点发生故障时，首先要保证所有的站点都能够正常运行，然后利用网管设备向上级网关设备发出请求；（2）如果上级网关设备无法接收请求信息，就要启动本地网络备份机制来完成相应的处理操作。

3.3 冗余恢复技术

（1）区域集中模式下的远程集中灾备系统。在该种模式下，需要对整个网络进行备份、恢复和重建，具体包括通过本地网络实现对数据中心的远程控制、通过本地网与其他站点之间建立通信链路来实现数据传输功能、利用本地网络完成数据中心设备的故障检测及诊断以及通过本地网与外部网之间的连接实现数据共享等内容。（2）区域分散模式下部署的远程集中灾备系统。该类系统主要为了满足不同地区用户的需求而开发，特点包括能够根据不同地区用户的实际情况进行配置、具有良好的容错能力以及较高的运行效率、可以有效地提高系统的可靠性。目前，已经有很多成熟的产品出现，但是受到地理位置因素影响，在一些偏远地区无法安装，并且维护成本相对较高，因此针对这些问题提出了一种基于虚拟化平台的分布式存储系统架构设计方案，以解决上述问题，同时降低运维工作量。此外，该设计方案可用于大容量数据中心建设项目的应用场景，进一步提高其安全性能，延长其可用寿命。

4 局域网冗余可靠性推荐方案

4.1 网卡主备模式

（1）当采用双核心交换机级联时，核心交换机将分别配置局域网（Local Area Network，LAN）地址，主机将采用地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）轮询方式来诊断网络状态，以此作为网卡切换的判断标准。为了确保网络的稳定性，绑定网卡的ARP 轮询时间应为20 ～5 000 ms，默认为100 ms，但对于性能较差的交换机，可以适当延长轮询时间。（2）如果采用单核心交换机，则无须进行上述操作，此时所有设备都使用同一个IP 地址对外通信。（3）如果是小型的工作站或服务器，建议采用虚拟化技术，将其与核心交换机组成一个独立的逻辑单元，从而提升整个系统的安全性和可靠性。（4）如果是大型的工作站或服务器，建议采用多核中央处理器（Central Processing Unit，CPU）+MySQL 集群部署方式，通过增加硬件防火墙等手段，防止系统被非法入侵或者攻击者恶意篡改数据。同时，启用双控制器热备份机制，保证一旦其中一台出现问题，另一台能够快速接管业务。

4.2 网卡负载均衡模式

（1）通过优化网络架构，如调整交换机的cost值来平衡冗余交换机的负载，从而避免同一核心交换机的多台交换机同时运行。（2）双机热备技术允许局域网中的多个安全区域通信，并且采用双机热备的方式，确保热备状态的及时恢复。（3）设置流量控制策略，对于高优先级业务进行合理的带宽分配和缓存管理，以保证高优先级数据能够快速传输到目的地。

4.3 VRRP

（1）为了避免出现虚拟IP 拥有者的情况，应该在虚拟路由器冗余协议（Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP）组中设置合理的优先级和reduce 值，以确保2 台设备的初始优先级不会一致，并且在经过reduce 之后，优先级不低于另一台设备；（2）当一台设备发生故障时，可以自动将其downgrade 到其他可用的设备上，从而实现快速切换；（3）如果某个客户端需要访问远程服务，那么可以通过配置网络地址转换（Network Address Translation，NAT）穿透模式达到目的。

5 结 论

本文通过对调度自动化系统中各个子模块进行了详细的研究和探讨，提出了一种基于双机热备技术的主从结构设计方案。该方案在实际应用过程中取得了较好的效果，提高了整个系统的可靠性、可用性以及安全性等方面的性能指标，同时为今后类似系统的建设提供了一定的参考价值，但是，本次研究还存在一些不足之处有待进一步完善和改进。例如，由于受到实验条件限制，只针对某一特定场景下的网络环境进行了测试验证，因此需要进一步扩大测试范围以获得更加全面准确的数据支持；另外，在实际生产运行过程中，各种因素都可能会影响到系统的正常工作状态，因此必须不断加强设备维护保养力度，及时发现并排除故障隐患，才能确保系统长周期稳定运行。