分布式信號源主控仲裁算法設(shè)計(jì)

胡琪

（第七一五研究所，杭州，310023）

1 基本框架介紹

多通道信號源是聲吶發(fā)射機(jī)架構(gòu)的重要分支。它可以將實(shí)時(shí)信號產(chǎn)生任務(wù)分配到多個(gè)處理器中完成，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的發(fā)射任務(wù)；還可以擴(kuò)充發(fā)射通道，實(shí)現(xiàn)多通道發(fā)射任務(wù)。多通道信號源通常被設(shè)計(jì)成為“一個(gè)主控，多個(gè)節(jié)點(diǎn)”的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主控機(jī)與上位機(jī)通信，然后將工作參數(shù)下發(fā)給各個(gè)信號源節(jié)點(diǎn)，由各個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)完成功能。多通道信號源有時(shí)也被設(shè)計(jì)成如圖2所示的結(jié)構(gòu)，所有信號源節(jié)點(diǎn)采用相同的硬件設(shè)計(jì)，通過設(shè)定撥碼等方式，在特定位置的信號源節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)主控功能，省去了主控硬件。

圖1 多通道發(fā)射機(jī)框架（含專用主控硬件）

圖2 多通道發(fā)射機(jī)框架（不含專用主控硬件）

無論是獨(dú)立主控板或是承擔(dān)主控功能的信號源板，在整個(gè)系統(tǒng)中都非常重要，一旦故障或下線，將嚴(yán)重影響設(shè)備正常功能。在圖2框架的基礎(chǔ)上，如果所有在線信號源節(jié)點(diǎn)都能被靈活的配置成主控節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)主控任務(wù)，就能有效降低失去主控的風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種主控仲裁算法，使系統(tǒng)中主控機(jī)可以在線進(jìn)行智能變更，每個(gè)在線的信號源節(jié)點(diǎn)都能承擔(dān)主控任務(wù)，使系統(tǒng)中的主控始終保持在線[1,2]。

2 算法原理與設(shè)計(jì)

分布式信號源主要包含信號源節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)連接。仲裁算法是在網(wǎng)絡(luò)連接基礎(chǔ)上各個(gè)信號源節(jié)點(diǎn)之間的交互過程，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間交互也需要對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一些設(shè)計(jì)，所以軟件設(shè)計(jì)從節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)兩方面考慮。

2.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)信號源節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)屬性：信息版本號、節(jié)點(diǎn)地址、節(jié)點(diǎn)權(quán)限。節(jié)點(diǎn)信息是節(jié)點(diǎn)攜帶的可以共享給其它節(jié)點(diǎn)的信息，如工作參數(shù)、固件等。在本文的分布式網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定，節(jié)點(diǎn)信息只能由主控節(jié)點(diǎn)分發(fā)，所有信息都有對應(yīng)版本號（如工作參數(shù)的接收時(shí)戳、固件的軟件版本號等），主控節(jié)點(diǎn)需保證攜帶信息的版本號為全網(wǎng)最新。節(jié)點(diǎn)地址是每個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)別于其它節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識，因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)可能采用同一固件，所以需要通過硬件或軟件方式對每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分（如硬件撥碼、IP設(shè)置等）。節(jié)點(diǎn)權(quán)限是用來控制節(jié)點(diǎn)行為的標(biāo)志。通過節(jié)點(diǎn)權(quán)限設(shè)置，可以將節(jié)點(diǎn)分為四類：主機(jī)、備用主機(jī)、從機(jī)、新機(jī)，各個(gè)權(quán)限下可以進(jìn)行的操作如表1所示。節(jié)點(diǎn)權(quán)限可以控制所有節(jié)點(diǎn)的行為，減少網(wǎng)內(nèi)通訊量，提升仲裁算法的效率。

表1 節(jié)點(diǎn)權(quán)限與操作對應(yīng)表

2.2 仲裁算法設(shè)計(jì)

當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)存在時(shí)，根據(jù) “信息版本號>節(jié)點(diǎn)地址” 的優(yōu)先級規(guī)則進(jìn)行節(jié)點(diǎn)排序，當(dāng)信息版本號不同時(shí)，版本號高的節(jié)點(diǎn)排序靠前；當(dāng)信息版本號相同時(shí)，節(jié)點(diǎn)地址小的節(jié)點(diǎn)排序靠前。仲裁過程是在一個(gè)特定初始狀態(tài)下，通過幾輪交互排序，確定網(wǎng)內(nèi)唯一主機(jī)的過程。本設(shè)計(jì)中，主機(jī)還要推送新信息到從機(jī)，保持每個(gè)節(jié)點(diǎn)都攜帶最新信息。網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)：一個(gè)主機(jī)，多個(gè)備用主機(jī)。下面針對幾種常見的初始狀態(tài)說明此算法的運(yùn)行方式。

（1）初始狀態(tài)。系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)都是新機(jī)。新機(jī)以廣播的方式發(fā)送節(jié)點(diǎn)交流報(bào)文（包含信息版本和節(jié)點(diǎn)地址兩個(gè)屬性），并接收其它節(jié)點(diǎn)的交流報(bào)文，確定自身在網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)限。各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)排序被分級為主機(jī)、備用主機(jī)、從機(jī)。

（2）分級完成狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中分級完成后（唯一主機(jī)確定，沒有新機(jī)），主機(jī)定時(shí)發(fā)送主機(jī)心跳報(bào)文，心跳報(bào)文中包含主機(jī)節(jié)點(diǎn)地址和主機(jī)信息版本號。從機(jī)接收到主機(jī)心跳報(bào)文后發(fā)出信息更新請求報(bào)文，主機(jī)對全網(wǎng)的從機(jī)進(jìn)行信息更新。從機(jī)更新完畢后，權(quán)限變?yōu)樾聶C(jī)，之后的過程等同于新機(jī)入網(wǎng)的過程。

（3）新機(jī)加入狀態(tài)。當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，新節(jié)點(diǎn)向全網(wǎng)發(fā)布節(jié)點(diǎn)交流報(bào)文并接收主機(jī)心跳。所有已在網(wǎng)機(jī)與新機(jī)比對信息版本號，如果都低于新機(jī)的信息版本號，則全網(wǎng)降級為從機(jī)，新機(jī)升級為主機(jī)。如果新機(jī)信息版本號低于主機(jī)，則新機(jī)權(quán)限變?yōu)閺臋C(jī)。如果新機(jī)信息版本號與主機(jī)相同，則進(jìn)行節(jié)點(diǎn)排序確認(rèn)新主機(jī)。

（4）主機(jī)退出狀態(tài)。當(dāng)現(xiàn)有主機(jī)節(jié)點(diǎn)退出后，主機(jī)心跳消失。所有備用主機(jī)節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送交流報(bào)文，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)排序選出新主機(jī)節(jié)點(diǎn)。

（5）并網(wǎng)狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)各自到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)合并，兩個(gè)主機(jī)互相交流心跳，最終確定唯一主機(jī)。如果兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息版本有差異，版本較低的網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)降級為從機(jī)并申請升級。

各個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)限轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。節(jié)點(diǎn)與外界交互過程中，如果滿足轉(zhuǎn)換關(guān)系圖上的轉(zhuǎn)換關(guān)系時(shí)，節(jié)點(diǎn)權(quán)限會進(jìn)行調(diào)整。

圖3 權(quán)限轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

權(quán)限轉(zhuǎn)換條件：C1，新機(jī)參與節(jié)點(diǎn)排序，排名第一，變?yōu)橹骺?；C2，主控與其它主控或新機(jī)信息版本相同，但節(jié)點(diǎn)排序非第一，變?yōu)閭溆弥骺?；C3，主機(jī)下線后，備用主控重新節(jié)點(diǎn)排序，排名第一，變?yōu)橹骺?；C4，主控與其它主控或新機(jī)信息版本不同，節(jié)點(diǎn)排序非第一，變?yōu)閭溆弥骺?；C5，新機(jī)與主控節(jié)點(diǎn)排序，排名非第一，信息版本不同，變?yōu)閺臋C(jī)；C6，從機(jī)進(jìn)行信息更新后，變?yōu)樾聶C(jī)；C7，新機(jī)與主控節(jié)點(diǎn)排序，排名非第一，信息版本相同，變?yōu)閭溆弥鳈C(jī)。

3 功能驗(yàn)證

本文選擇進(jìn)行功能驗(yàn)證的硬件平臺核心是TI公司的F28M35芯片，它包含ARM Cotex-M3+C2000雙核，ARM核中帶一個(gè)百兆EMac模塊，可滿足組網(wǎng)的需求，C2000則是工業(yè)中常用的控制芯片，可以用來產(chǎn)生PWM信號[3]。通過GPIO輸入2位撥碼區(qū)別節(jié)點(diǎn)IP，并接到交換機(jī)實(shí)現(xiàn)一個(gè)4節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，如圖4所示（根據(jù)各節(jié)點(diǎn)IP末位，以下簡稱41、42、43、44節(jié)點(diǎn)）。預(yù)先給41號節(jié)點(diǎn)燒寫1.1版本程序，其它節(jié)點(diǎn)為1.0版本程序，所有節(jié)點(diǎn)在組播地址230.9..9.1中進(jìn)行交流。開機(jī)后用計(jì)算機(jī)抓包監(jiān)控所有組播的UDP報(bào)文，得到結(jié)果如圖5所示。報(bào)文各幀的含義解析見表2。

圖4 節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系圖

圖5 測試環(huán)境抓包

表2 報(bào)文對應(yīng)表

4 結(jié)論

本文針對聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的信號源設(shè)計(jì)了一種主控仲裁算法，節(jié)點(diǎn)間通過信息交互實(shí)現(xiàn)主控權(quán)限仲裁轉(zhuǎn)移。經(jīng)過軟硬件開發(fā)和抓包實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在各種初始條件下，系統(tǒng)最終都能夠收斂到單主控狀態(tài)。該算法能將設(shè)備對單一主控硬件依賴性的風(fēng)險(xiǎn)分散到所有節(jié)點(diǎn)上，即使現(xiàn)有主控下線也不會影響整體功能。該方法既可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，也可廣泛用于具有類似分布式架構(gòu)的系統(tǒng)，提升系統(tǒng)的可靠性。