Petri机制控制理论在计费系统应用级容灾中的应用

doi:10.3969/j.issn.1000-0801.2011.07.026

摘要/Abstract

摘要：

快速、可靠的容灾切换控制是实现高等级容灾的基本保证，同时也是容灾系统实现上的一个难点。Petri机制作为一种描述基于实时状态的并发控制模型，已经在多个领域得到了广泛应用，但在国内电信行业的应用尚属空白。基于其图形建模的直观性和分析理论的严谨性，Petri网能够很好地表达和验证容灾切换过程中多个系统间复杂的控制逻辑。通过将Petri网原理和Petri机制中间件首次成功引入中国电信的信息系统，改变了以往以手工操作为主的容灾切换模式，将计费系统应用级容灾的灾难恢复时间指标（RTO）提高了一个数量级，实现了国内电信行业最佳的业务连续性指标，也使中国电信的应用级容灾走在了电信行业的最前列。

关键词: Petri网, 计费, 容灾, 中间件

Abstract:

Fast and stable switch-over is one of the key elements of any high performance disaster recovery system.But it is not an easy task because of the complexity and unpredictability during the switch-over process,especially when there are several systems which may exchange data between them.Petri net has been widely used in system control based on real-time status in many industries,but not in China's telecommunication industry.In order to improve the disaster recovery performance of China Telecom's billing systems,for the first time,a middleware based on Petri net is introduced and the best RTO in China's Telecommunication industry is achieved.

Key words: Petri net, billing, disaster recovery, middleware

卜小明. Petri机制控制理论在计费系统应用级容灾中的应用[J]. 电信科学, 2011, 27(7): 109-116.

Xiaoming Bu. Application of Petri Net in the Control of Telecom Billing System Disaster Recovery[J]. Telecommunications Science, 2011, 27(7): 109-116.

图/表 9

图1

表1

Petri网对容灾切换的适用性分析"

Petri网的相关概念和性质	对容灾切换的适用性
经典Petri网：库所（place）用圆表示，库所中包含（非负）整数个标记，称为令牌（token），用圆点表示；Petri 网的状态由令牌在库所的分布表示；变迁用竖线或方框表示，代表某种处理	容灾双中心有多种子状态，系统状态是所有子状态值的组合。对一个业务系统，包含以下3种子状态：系统运行状态（online、offline、maintenance）、容灾主备状态（北京主、上海主）、容灾模式（同步、跟随），则系统状态有：｛北京online，上海Online，北京主，同步｝
	｛北京online，上海Online，北京主，跟随｝
	｛北京online，上海Offline，北京主，跟随｝…
	容灾切换的每一个操作命令相当于一个变迁
经典 Petri 网：对于一个变迁，如果它的每个输入库所（input place）都拥有令牌，则该变迁为“可点火的”（enabled）	执行操作是有前提的，如应在系统offline时执行启动命令，把系统启动到online；在系统是online时，不应当执行启动命令；
	有些操作需要在某个状态组合下才能执行，如“切换到北京主”的操作，要求必须在“上海主”、双中心“业务系统maintenance”、“同步消息队列为空”的条件下才能执行，否则会导致切换后数据不一致、系统无法正常运行
经典Petri 网：变迁“点火”（fire）后，其所有输入库所的令牌被消耗一个，同时向所有的输出库所（output place）中增加一个令牌	操作执行之后，系统状态将发生变换，如执行启动命令，系统会从offline（操作前的状态）启动到online（操作后的状态）
经典Petri 网：如果两个变迁共享输入库所，当这两个变迁同时具备点火条件，且共享的输入库所只有一个令牌时，某个变迁点火将剥夺另一个变迁点火的机会	如在双中心同步运行时，系统进入单点运行和双中心跟随运行都是可以的；但系统一旦选择了进入单点运行，则不能再直接切换到双中心跟随状态
着色Petri网^[10]：对库所和令牌赋予颜色属性，如果一个变迁有多个输出库所，点火后检查所生成令牌的颜色，只有与令牌颜色相同的输出库所里才产生令牌	有些操作执行后，可能设置多个状态之一，如启动命令如果执行成功，则系统会到online，执行失败则仍在offline
时间Petri网^[11]：一个变迁具备点火条件后，还需要满足一定的时间条件，如延时一定时间后，才能点火	容灾切换可分为“手动档”和“自动档”模式。“手动档”表示人工单步操作，每一步都可选择执行任何一个“可点火”的变迁；“自动档”表示每个变迁点火之后，由Petri网中间件自动选择后续的“可点火”变迁并执行点火。为提高变迁执行的可靠性，自动档下每个变迁都要延时一下再点火下一变迁
Petri 网分层^[11]：变迁可以是另一个Petri 网模型，即变迁精化；库所也可以是另一个Petri模型，即库所精化	某个切换操作可能包含多个命令，如同步切跟随，就需要分别执行北京和上海两个系统的容灾模式切换命令
可达性：从某个初始状态（令牌在库所中的某种分布）出发不断进行变迁点火，对模型运行可能到达的状态进行研究	从双中心同步运行状态（正常生产）开始进行切换，研究可能发生的所有场景中系统状态的变换情况。如§2.3所述，对于中国电信全国计费容灾双中心来说，可能的状态组合数量极大，完全不能通过人工分析得到
有界性（安全性）：从某个初始状态出发不断进行变迁点火，某个库所中令牌数量永远是有限的（如果这个上限为1，则为安全的），则称这个库所是有界的；如果所有库所均有界（安全），则称这个Petri网为有界的（安全的）	业务系统的状态只能是“是”和“否”两种。对应到Petri网，库所中最多只能包含一个令牌。对于容灾切换控制来说，Petri网模型应该是安全的
弱活性：从某个初始状态出发，无论变迁序列如何，不会出现没有任何变迁可以点火的情况	容灾切换控制要求无死锁，也就是说，即使某一步操作失败，也要继续控制业务系统继续或回退到一个稳定的系统状态，死锁意味着无法恢复到双中心同步运行的初始状态
一级活：从某个初始状态出发，对于系统中任何一个变迁，均存在具备点火条件的机会	如果容灾切换的Petri网模型不满足一级活，则说明其中某个或某些操作的设计是没有意义的，因为它永远也不会得以执行

表1

图2

图3

表2

图4

图5

图6

表3

参考文献 12

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库所	含义
同步	主、备中心在正常同步运行；这是正常生产状态
跟随	主中心独立生产，备中心在追赶中；这是从故障中恢复的中间状态
单点	主中心独立生产，备中心停止；这是故障状态
停止	主、备中心都停止

一级Petri网库所	二级Petri网状态
同步	业务系统均为online，仲裁平台均为on，同步，清仓状态没有限制
跟随	业务系统均为online，仲裁平台均为on，跟随，清仓状态没有限制
单点	主业务系统online／备业务系统offline，主仲裁平台on／备仲裁平台off，跟随，清仓状态不可能为接近清仓
停止	业务系统均为maintenance，仲裁平台均为off，仲裁模式（同步／跟随）没有限制，idx已清仓

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