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技術 多重系システム

出願人 株式会社日立製作所株式会社日立産業制御ソリューションズ
発明者 加賀屋俊一遅野井英樹日向一弘武林剛於曽能信行
出願日 2005年8月26日 (14年7ヶ月経過) 出願番号 2005-245319
公開日 2007年3月8日 (13年0ヶ月経過) 公開番号 2007-058708
状態 特許登録済
技術分野 ハードウェアの冗長性 計算機・データ通信
主要キーワード 系切換え 二重構成 マスク不可能割込み 再発防止策 拡張管 多重系システム 汎用通信プロトコル スロットコネクタ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (9)

課題

汎用ネットワーク汎用計算機などの汎用技術を利用し、計算機間ネットワーク負荷にかかわらず、障害相互監視し迅速に復旧できる高信頼多重系システム短期間で安価に構築する。

解決手段

複数計算機の相互監視のために、汎用LAN1・102、LAN2・103という2つの独立した経路を用いる。ネットワークドライバも、それぞれの経路102,103に対応させて2つに分離する。内部バスバス上の電文流量が固定されCPUの制御に用いる管理バス120と、電文量が変動しCPUとの通信に用いる拡張バス121に分離する。系切換え制御(LXP)ボード116のドライバは、割込み処理118をしないで、ポーリング方式により障害情報信号送受信する。系切換え制御(LXP)ボード116は、他系からのCPU再起動(リセット)機能,他系からのCPU停止機能,自系のCPU停止機能を備えている。

概要

背景

鉄道運行管理,電力系統制御,プラント制御などの高信頼性が要求される用途では、稼働系計算機障害が発生した場合に、その稼働系計算機の処理を引き継ぐ待機系計算機を備えた多重系システムが用いられている。

従来の計算機システムでは、専用ネットワーク専用機能拡張ボードとを用いて、多重系システムを構築してきた。

専用機能拡張ボードを搭載した計算機を用いる多重系システムにおいて、障害発生時に障害が発生した稼働系計算機が、本来の処理を停止して障害情報を保存し、待機系計算機が自律的に処理を引き継ぐ方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。

また、保守作業者が計算機の設定場所まで出向かなくても、ネットワークを介して障害を検出し、障害が発生した第1計算機からの復旧処理要求電文を受信した第2計算機によって復旧処理制御回路がCPUを復旧処理し、障害から復旧する方法も提案されている(例えば、特許文献2参照)。

WO99/26138号公報(第6〜11頁 図1,図2)
特開2003−67219号公報(第3〜5頁 図1〜図4)

概要

汎用ネットワーク汎用計算機などの汎用技術を利用し、計算機間のネットワークの負荷にかかわらず、障害を相互監視し迅速に復旧できる高信頼多重系システムを短期間で安価に構築する。複数計算機の相互監視のために、汎用LAN1・102、LAN2・103という2つの独立した経路を用いる。ネットワークドライバも、それぞれの経路102,103に対応させて2つに分離する。内部バスバス上の電文流量が固定されCPUの制御に用いる管理バス120と、電文量が変動しCPUとの通信に用いる拡張バス121に分離する。系切換え制御(LXP)ボード116のドライバは、割込み処理118をしないで、ポーリング方式により障害情報信号送受信する。系切換え制御(LXP)ボード116は、他系からのCPU再起動(リセット)機能,他系からのCPU停止機能,自系のCPU停止機能を備えている。

目的

本発明の課題は、汎用ネットワークや汎用計算機などの汎用技術を利用し、計算機間のネットワークの負荷にかかわらず、障害を相互監視し迅速に復旧できる高信頼多重系システムを短期間で安価に構築することである。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
2件

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請求項1

複数の計算機稼働系または待機系として組み合わされて相互監視し稼働系計算機の障害発生時に当該計算機が実行している処理を待機系計算機引き継ぐ多重系システムにおいて、前記複数の計算機が相互監視するための通信経路は、他系監視プログラム他計算機と主に生存通知電文送受信するLAN制御装置を含む汎用ネットワークと、他系監視プログラムが他計算機と主に系切換えに関連する情報を送受信する系切換え制御(LXP)ボードを含む汎用ネットワークとからなり、互いに独立した二重構成であることを特徴とする多重系システム。

請求項2

請求項1に記載の多重系システムにおいて、前記複数の計算機を相互監視するために独立した2つの汎用ネットワークを制御するネットワークドライバ(ネットワーク制御プログラム)が、それぞれの経路に対応してインタフェース層および汎用通信プロトコル層を経由して他系監視プログラムと通信する汎用ドライバと、他系監視プログラムと直接通信する系切換え制御(LXP)ドライバとに分離していることを特徴とする多重系システム。

請求項3

請求項1または2に記載の多重系システムにおいて、系切換え制御(LXP)ボードを接続する内部バスが、バス上の電文流量が固定されCPUの制御に用いる管理バスと、バス上の電文量が変動しCPUとの通信に用いる拡張バスとに分離されていることを特徴とする多重系システム。

請求項4

請求項1ないし3のいずれか一項に記載の多重系システムにおいて、前記系切換え制御(LXP)ボードが、他系からの電文がCPU再起動(リセット)要求電文かCPU停止要求電文かを判断する電文比較回路と、CPU再起動(リセット)要求である場合はCPUに割込み信号を出力し、CPU停止要求である場合はCPUにCPU停止信号を出力する再起動(リセット)制御装置とを搭載していることを特徴とする多重系システム。

請求項5

請求項2ないし4のいずれか一項に記載の多重系システムにおいて、前記系切換え制御(LXP)ドライバが、割込み処理をすることなく、系切換え制御(LXP)ボードに対して送信要求または処理要求がないかを定期的にポーリングし、障害情報信号のみを送受信するポーリングプログラムを含むことを特徴とする多重系システム。

請求項6

請求項1ないし5のいずれか一項に記載の多重系システムの再起動(リセット)/停止方法において、障害発生を検出した計算機が、障害系にCPU再起動(リセット)要求電文を送信し、CPU再起動(リセット)要求電文を受信した障害系の系切換え制御(LXP)ボードが、OSに対してマスク不可能割込み信号を発生させ、マスク不可能割込み信号に応じて当該時点におけるメインメモリの内容をディスク装置に保存するメモリダンプを開始し、メモリダンプ終了後にシステム停止または再起動(リセット)を実行し、マスク不可能割込み信号によっても障害系がメモリダンプを実行しないデッドロック状態では、障害発生を検出した計算機が、障害系にCPU停止要求電文を送信し、CPU停止要求電文を受信した障害系の系切換え制御(LXP)ボードが、障害系をCPU停止状態とすることを特徴とする多重系システムの再起動(リセット)/停止方法。

技術分野

0001

本発明は、汎用ネットワークに接続された複数の汎用計算機稼働系および待機系として組み合わせた多重系システム係り、特に、障害が発生した計算機復旧および障害情報収集処理と計算機の相互監視のための構成に関する。

背景技術

0002

鉄道運行管理,電力系統制御,プラント制御などの高信頼性が要求される用途では、稼働系計算機に障害が発生した場合に、その稼働系計算機の処理を引き継ぐ待機系計算機を備えた多重系システムが用いられている。

0003

従来の計算機システムでは、専用ネットワーク専用機能拡張ボードとを用いて、多重系システムを構築してきた。

0004

専用機能拡張ボードを搭載した計算機を用いる多重系システムにおいて、障害発生時に障害が発生した稼働系計算機が、本来の処理を停止して障害情報を保存し、待機系計算機が自律的に処理を引き継ぐ方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。

0005

また、保守作業者が計算機の設定場所まで出向かなくても、ネットワークを介して障害を検出し、障害が発生した第1計算機からの復旧処理要求電文を受信した第2計算機によって復旧処理制御回路がCPUを復旧処理し、障害から復旧する方法も提案されている(例えば、特許文献2参照)。

0006

WO99/26138号公報(第6〜11頁図1図2)
特開2003−67219号公報(第3〜5頁図1図4)

発明が解決しようとする課題

0007

特許文献1の多重系システムにおいては、障害検出や復旧処理に、専用ネットワークと専用機能拡張ボードとが必要なので、ソフトウェアも含めて開発にそれなりの期間を要し、システム構築コストが高くなってしまう。

0008

特許文献2に記載の計算機は、1つのネットワークによって接続されているので、他周辺機器から大量の電文が到達してネットワーク負荷が大きくなったときに、正常動作の計算機1から送信されるべき生存通知電文を所定のタイミングで送信できない場合があり、計算機2が障害と判断し、正常動作の計算機1を再起動(リセット)してしまうという問題がある。

0009

本発明の課題は、汎用ネットワークや汎用計算機などの汎用技術を利用し、計算機間のネットワークの負荷にかかわらず、障害を相互監視し迅速に復旧できる高信頼多重系システムを短期間で安価に構築することである。

課題を解決するための手段

0010

本発明は、上記課題を解決するために、以下に示す5つの手段を用いる。
(1)ネットワークの二重化
複数の計算機が相互監視するための通信経路は、互いに独立した2つの汎用ネットワークからなる二重構成とする。
(2)ネットワークドライバの二重化
複数の計算機を相互監視するために独立した2つのネットワークを制御するネットワークドライバ(ネットワーク制御プログラム)も、それぞれの経路に対応するように2つに分離する。
(3)内部バスの二重化
内部バスを管理バス拡張バスとに分離し、二重化する。
(4)系切換え制御(LXP)ドライバポーリング
分離された系切換え制御(LXP)ドライバは、割込み処理をすることなく、系切換え制御(LXP)ボードに対して送信要求または処理要求がないかを定期的にポーリングし、他周辺機器からの電文量の影響を受けないで、障害情報信号のみを送受信する。
(5)CPU再起動(リセット)/停止
障害発生が発生すると、それを検出した計算機が、障害系にCPU再起動(リセット)要求電文を送信する。CPU再起動(リセット)要求電文を受信した障害系の系切換え制御(LXP)ボードが、OSに対してマスク不可能割込み信号を発生させる。マスク不可能割込み信号に応じて当該時点におけるメインメモリの内容をディスク装置に保存するメモリダンプを開始する。メモリダンプ終了後にシステム停止または再起動(リセット)を実行する。

0011

マスク不可能割込み信号によっても障害系がメモリダンプを実行しないデッドロック状態では、障害発生を検出した計算機が、障害系にCPU停止要求電文を送信する。CPU停止要求電文を受信した障害系の系切換え制御(LXP)ボードが、障害系をCPU停止状態とする。

発明の効果

0012

本発明によれば、通信経路,ネットワークドライバ,内部バスを二重化しているので、一個所の故障がシステム全停止になってしまうことを回避し、障害が発生した際には事後の障害解析が可能となる。その解析結果を復旧措置再発防止策などに活用すると、システムの信頼性を高めることができる。

発明を実施するための最良の形態

0013

次に、図1図8を参照して、本発明による多重系システムの実施例を説明する。

0014

図1は、本発明による多重系システムの一実施例の系統構成を示すブロック図である。

0015

図1の多重系システムは、説明を単純にするために、2台の計算機を含む二重系システムとしてある。本発明の多重系システムは、3台以上の計算機で構成してもよい。

0016

図1は、稼働系計算機100と、待機系計算機101を示している。系切換えをすると、稼働系計算機100は、待機系計算機となり、待機系計算機101は、稼働系計算機として動作する。

0017

各計算機100,101は、CPU110と、メインメモリ111と、入出力制御装置(I/O)112とを備えている。入出力制御装置(I/O)112には、ディスク装置113,管理バス120,拡張バス121が接続されている。本実施例の入出力制御装置(I/O)112には、拡張管バス122により、LAN制御装置114も接続されている。

0018

拡張バス121には、計算機の機能を拡張する回路が接続される。一般的には、回路が実装された拡張ボードをスロットコネクタに挿入すると、拡張バス121に接続できる。ただし、一部の機能は、計算機本体内に実装され、拡張バスに内部で直接接続されている場合もある。

0019

本実施例の計算機100,101は、拡張ボードとして、LANボード115と、系切換え制御(LXP)ボード116とを備える。系切換え制御(LXP)ボード116は、管理バス120を介しても、入出力制御装置(I/O)112に接続されている。

0020

計算機100内のLAN制御装置114は、汎用ネットワークであるLAN1・102に接続され、このLAN1・102に接続された計算機101内のLAN制御装置114と通信する。ここでは、主に生存通知電文を送受信する。汎用ネットワークLAN1・102としては、広く普及しているEthernetなどがある。

0021

LANボード115は、汎用ネットワーク104,105に接続され、この汎用ネットワーク104,105に接続された他の計算機などと通信する。

0022

系切換え制御(LXP)ボード116は、計算機の系切換え制御(LXP)のための機能拡張ボードであり、汎用ネットワークであるLAN2・103を介して接続される。系切換え制御(LXP)ボード116は、計算機100,101相互間で、相手計算機生存監視し、系切換えに必要な強制割込み,動作停止,計算機再起動(リセット)の各指示電文を送信し、各指示電文受信時には自計算機でその指示内容を実行する。

0023

図2は、メインメモリ111内に格納しているソフトウェア117の階層構造の一例を示す図である。

0024

稼働系計算機100のメインメモリ111には、OS130,アプリケーション131,管理プログラム132,他系監視プログラム133が読み出され、アプリケーション131,管理プログラム132,他系監視プログラム133が、OS130上で実行される。待機系計算機101のソフトウェアの構成も、同様であり、こちらのアプリケーション131は、待機系として動いている。

0025

管理プログラム132は、稼働系計算機と待機系計算機とを切換えプログラムである。管理プログラム132は、系切換え制御(LXP)ボード116に対して電文送受信を要求し、動作を指示し、他系監視プログラム133に対して生存通知電文の送受信を要求する。

0026

他系監視プログラム133は、LAN制御装置114を使い、LAN1・102を介して、他計算機と生存通知電文を送受信する。電文送受信は、汎用通信プロトコルを使って実行する。他系監視プログラム133は、汎用通信プロトコルでデータを送受信するために予め決められたアドレスすなわちポートで、他計算機からの接続を待ち、接続された場合には電文を受信して本プログラム内で内容を保持し、管理プログラム132からの読み出し要求に対して保持している内容を返す。他系監視プログラム133は、管理プログラム132からの生存確認電文送信要求を受け、二重系を構成している他計算機上の管理プログラム132が待機しているポートに電文を送信する。

0027

割込み処理プログラム118は、CPU110に対してマスク不可能割込み(Non-Maskable InterruptNMI)信号が入力されたときに起動され、障害が発生してNMI信号が入力されたときに、障害情報の保存などの処理を実行する。

0028

汎用ネットワーク104,105のための汎用のEthernetドライバ141は、I/F層144およびUser Datagram Protocol/Internet ProtocolUDP/IP層を介して、他系監視プログラム133と通信する。

0029

本発明の特徴は、汎用ネットワークであるLAN2・103を介して接続される切換え制御(LXP)ボード116の動作を、同じく汎用ネットワーク104,105に接続されるLANボード115系の動作から分離するために、専用のLXPドライバを備えたことである。

0030

その他に、管理バス120を駆動する管理バス用ドライバ143も備えている。

0031

図3は、系切換え制御(LXP)ボード116の内部構成の一例を示すブロック図である。

0032

系切換え制御(LXP)ボード116は、ネットワークインタフェース200と、再起動(リセット)制御装置201と、電文比較回路202とからなり、管理バス120および拡張バス121に接続されている。

0033

系切換え制御(LXP)ボード116は、LAN2・103を介して他系と信号211を送受信する。電文比較回路202は、他系からCPU再起動(リセット)要求電文を受信すると、CPU再起動(リセット)要求であると判断し、再起動(リセット)制御装置201が、拡張バス121を介して、CPU110に割込み信号208を出力する。

0034

その後、電文比較回路202は、他系からCPU停止要求電文を受信すると、CPU停止要求であると判断し、再起動(リセット)制御装置201が、CPU停止信号209を送信し、自系のCPUを停止させる。また、管理バス120経由で自系のCPU再起動(リセット)信号210を受信した再起動(リセット)制御装置201は、CPU停止信号209を送信し、自系のCPUを停止させる。

0035

続いて、5つの解決手段を詳細に説明する。
(1)ネットワークの二重化
計算機間で相互に監視する際に、それぞれが汎用ネットワークであるLAN1・102、LAN2・103という物理的に独立した2つの経路を用いる。

0036

LAN1・102は、計算機100,計算機101のLAN制御装置114に接続される。LAN2・103は、計算機100,計算機101の系切換え制御ボード116に接続され、拡張バス121を介して、入出力装置112に接続されている。LAN1・102とLAN2・103とは、接続先バス線が異なるので、片系のネットワークに障害が発生した場合でも、相手を監視でき、全体の信頼性が高められる。
(2)ネットワークドライバの二重化
汎用ネットワークの二重化に伴い、OS130内の汎用ドライバについても二重化する。OS130内の汎用ドライバは、通常の汎用ドライバ(Ethernetドライバ)141と系切換え制御(LXP)ドライバ142とに二重化する。

0037

LAN1102,LAN2・103は、ともに汎用ネットワークなので、通常の汎用ドライバ141では、インタフェース層144,汎用通信プロトコル層145などの共通部分があり、スプリットブレイン状態が発生する。

0038

これに対して、系切換え制御(LXP)ドライバ142は、インタフェース層144,汎用通信プロトコル層145を経由せずに、他系監視プログラム133と直接通信し、スプリットブレイン状態を回避している。

0039

図4は、LAN2がスプリットブレイン状態を回避する様子を示すタイムチャートである。

0040

LAN1・102が高負荷状態152となり、相互の計算機の状態を把握できない状態(スプリットブレイン状態)151で、計算機101の他系監視プログラム133から送信された生存通知電文150が、計算機100内のLAN1・102に達したときに、他にLAN1・102を介して通信している周辺機器からの電文に埋もれ、計算機100内の他系監視プログラム133に達するまでに非常に長い時間がかかってしまう。

0041

一方、LAN2・103から送信された生存通知電文150は、OS130内のインタフェース層144と汎用通信プロトコル層145を介さずに、他系監視プログラム133と直接接続できるので、LAN1・102が高負荷状態でも、障害監視できる。
(3)内部バスの分離
内部バスを管理バス120と拡張バス121とに分離する。1つの計算機の内部で、系切換え制御ボード116は、CPU110の制御に管理バス120を用い、CPU110との通信に拡張バス121を用いる。拡張バス121は、SCSIボード等の機能拡張ボードと通信するので、バス上の電文量が変動する。これに対して、管理バス120は、バス上の電文流量が固定であるため、CPU110の再起動要求実行時などに障害要因が少ない。また、相互の障害監視に用いると、相手系に発生した障害を検知できる。
(4)系切換え制御(LXP)ドライバのポーリング
系切換え制御(LXP)ドライバ142は、割込み処理プログラム118を使用せずに、ポーリングによって送受信する。

0042

図5は、割込みの処理手順を示すフローチャート、および、割込みが多発したときのキューを示す図である。

0043

割込みを使用した場合、FIFO方式でデータが送られるので、他の拡張バス上の拡張ボードから割込みが多発すると、系切換え制御(LXP)ドライバ142に生存通知電文が届かない場合がある。

0044

図6は、ポーリングの処理手順を示すフローチャート、および、ポーリング時のキューを示す図である。

0045

本発明においては、ポーリングを用いて、生存通知電文が届かないという問題を回避している。系切換え制御(LXP)ドライバ142は、電文を100ms間隔で受信し、送られてくる電文を受信周期の半分の50ms間隔で常に読み出しに行くので、生存通知電文が埋もれるということがない。
(5)CPU再起動(リセット)/停止機能
系切換え制御(LXP)ボード116は、他系からのCPU再起動(リセット)機能,他系からのCPU停止機能,自系のCPU停止機能を備えている。
a.他系からのCPU再起動(リセット)/停止機能
図7は、他系監視プログラムにより、障害情報を収集して、CPUを停止する処理手順を示すタイムチャートである。

0046

他系監視プログラム133は、系切換え制御(LXP)ボード116をCPU再起動(リセット)要求許可状態とする。他系監視プログラム133による二重系オンライン状態において、障害発生計算機169からの生存通知電文161が正常動作計算機170に届かなくなると、正常動作計算機170からのCPU再起動(リセット)要求164を受信する。

0047

障害発生計算機169の系切換え制御(LXP)ボード116は、受信データがCPU再起動(リセット)要求と認識すると、NMI信号171を発生させる。

0048

NMI信号171を受け付けた他系監視プログラム133は、障害情報収集165を実行する。正常動作計算機170からのCPU再起動(リセット)164またはCPU停止要求167を無視166する。

0049

障害情報を収集し終えると、障害発生計算機は停止168する。
b.他系からのCPU再起動(リセット)/停止機能
図8は、他系監視プログラムにより、障害情報を収集しないで、CPUを停止する処理手順を示すタイムチャートである。

0050

他系監視プログラム133は、系切換え制御(LXP)ボード116をCPU再起動(リセット)要求許可状態とする。他系監視プログラム133による二重系オンライン状態において、障害発生計算機169からの生存通知電文161が正常動作計算機170に届かなくなると、正常動作計算機170からのCPU再起動(リセット)要求164を受信する。

0051

障害発生計算機169の系切換え制御(LXP)ボード116は、受信データがCPU再起動(リセット)要求と認識すると、NMI信号171を発生させる。

0052

NMI信号171を受け付けた他系監視プログラム133は、マスク不可能割込み信号によっても障害系がメモリダンプを実行しないデッドロック状態172が続くと、正常動作計算機170からのCPU再起動(リセット)164またはCPU停止要求167を無視173し続け、障害情報を収集することなく、障害発生計算機を停止174する。

0053

これ以降、障害発生計算機169は、CPU停止状態となる。
c.自系のCPU停止機能
再起動(リセット)制御装置201は、自系のCPU停止要求信号を受信すると、拡張バス121に対して障害通知信号を発生させ、NMI割込みを発生させる。

0054

以降、障害情報収集終了後の再起動(リセット)まで、他系からのCPU再起動(リセット)/CPU停止要求は、無視する。

図面の簡単な説明

0055

本発明による多重系システムの一実施例の系統構成を示すブロック図である。
メインメモリ111内に格納しているソフトウェア117の階層構造の一例を示す図である。
系切換え制御(LXP)ボード116の内部構成の一例を示すブロック図である。
LAN2がスプリットブレイン状態を回避する様子を示すタイムチャートである。
割込みの処理手順を示すフローチャート、および、割込みが多発したときのキューを示す図である。
ポーリングの処理手順を示すフローチャート、および、ポーリング時のキューを示す図である。
他系監視プログラムにより、障害情報を収集して、CPUを停止するする処理手順を示すタイムチャートである。
他系監視プログラムにより、障害情報を収集しないで、CPUを停止する処理手順を示すタイムチャートである。

符号の説明

0056

100,101計算機
102 LAN1
103 LAN2
104,105汎用ネットワーク
111メインメモリ
112入出力制御装置(I/O)
113ディスク装置
114LAN制御装置
115LANボード
116系切換え制御(LXP)ボード
117ソフトウェア
118割込処理プログラム
120管理バス
121拡張バス
122拡張管理バス
130 OS
131アプリケーション
132管理プログラム
133他系監視プログラム
141 Ethernetドライバ
142 LXPドライバ
143 管理バス用ドライバ
144 I/F層
145UDP/IP層
150生存通知電文
151スプリットブレイン状態
152高負荷状態(輻輳状態)
200ネットワークインタフェース
201再起動(リセット)制御装置
202電文比較回路
209 CPUリセット停止信号

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