矩阵KVM与延长切换设备在空管行业的应用

阮冠宁

（民航中南空管局空管设备应用技术开放实验室，广东 广州 510000）

0 引 言

根据广州白云机场3期塔台建设规划，为了使管制员有更好的工作环境，管制席位采用人机分离方式，将各个席位的终端主机下沉，建设部署1套基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine，KVM）矩阵系统，含双机热备份主机、扩展器、控制模块等，实现系统席位跨多平台的显示器共享[1]。

1 空管塔台延长切换设备应用背景

按照塔台管制现场运行设备配置要求，管制席位基本配置为监视类设备、通信类设备、辅助类设备，平均每个管制席位配置3～6个显示屏、多个系统席位终端以及多个键鼠套装。管制现场多个系统终端同时运行会产生较大的噪声，导致环境温度上升，不利于设备工作。此外，过多的显示器、主机会影响到席位桌空间布局，不利于后期设备的添加，影响管制员使用[2]。

2 延长切换设备种类

2.1 矩阵KVM

为了有效管控服务器，实现多人同时对多台服务器进行管理，矩阵KVM切换器应运而生。矩阵KVM需与KVM发射器和KVM接收器配合使用，通过设置相关配置采用主备机运行模式，实现人机分离、管制业务资源的快速有效组织和调用。矩阵KVM均需提供直观的监控管理工具，具备声光告警、日志记录、Excel文件导出以及历史查询等功能[3]。常见的KVM矩阵设备如图1所示。

图1 KVM矩阵设备

2.2 KVM发射器

KVM发射器用于终端设备的音视频输入输出、USB2.0以及RS232串口等的接入，提供2路光纤分别连接到主、备矩阵或对端KVM接收器。根据具体要求提供特定的接口板卡，支持双路供电[4]。

2.3 KVM接收器

KVM接收器用于将KVM发射器接入信号延伸到远端的信号输出、控制设备（显示器、打印机等），提供2路光纤分别连接到主、备矩阵或对端KVM接收器。根据具体要求提供特定的接口板卡，支持双路供电[5]。

3 矩阵KVM的应用优点

矩阵KVM集智能化、模块化、可扩充性于一体，KVM解决方案可以让多位用户在任何地点、任何时间访问数以千计的服务器和网络设备，同时具备日志记录、多层次用户权限安全管理等功能[6-10]。通过人机分离的操作模式，在监控室就可以很方便地管理机房设备。KVM集中管理达到跨平台的硬件级水平，能够有效克服普遍管理软件不能跨平台、占用服务器进程等缺点。通过应用矩阵KVM可以免除不必要的外围设备，为新增加的服务器等设备主机腾出大量的空间，同时避免因设备搬迁而造成的服务停顿。由1套KVM组成的控制台便可登录所有的设备主机，不同人员可以通过不同的控制台管理各自的设备主机，互不干扰。通过操作模式的选择，有利于多个管理人员协同工作，方便排除故障和系统演示。矩阵KVM不仅大大降低了机房线架布线的复杂性，而且有利于机房的整齐规划，基于强大的用户管理功能，提升了机房整体的分析和管理水平。

矩阵KVM切换器至用户终端通过网络连接，在带宽得到保证的情况下，可以实现1个控制中心管理多个机房的目标。集中、安全地管理服务器，不必担心进出机房所带来的不安全因素，在操控室便能对机房的设备主机进行集中管理，确保了机房的安全。主机的切换独立于网络，不会占用网络资源，具有远程维护的扩展功能。KVM设备可级联扩展，轻松扩容到几百个连接端口，满足各类机房的远程操控需求。对于广州白云机场3期塔台中的机房，使用KVM系统可以节省机房空间，便于操作与管理。

4 延长切换设备配置方案

4.1 小矩阵切换器互为主备配置

该方案计划采用8口或16口的小型矩阵作为核心设备，每个席位单独使用矩阵核心设备，席位之间互不干扰。

该方案优点包括：（1）能够实现主备系统的切换，当主用矩阵故障时，信号切换至备用矩阵，保证业务不中断；（2）KVM矩阵值班人员可通过网管实时监控，了解矩阵状态和各系统主机信号的输入输出状态；（3）所有KVM矩阵主机配置一致、备件配置一致，矩阵的备件可直接替换矩阵主机；（4）可使用KVM矩阵滑屏功能，减少管制现场的键鼠套装数量；（5）KVM主备矩阵负责1个管制席位，在日常配置与管理中只对1个管制席位进行设置，不会对其他席位产生影响。

该方案缺点包括：（1）当任意系统主机故障时，需要值班人员更换冷备主机才能恢复业务，造成业务中断时间过长；（2）该架构无法直接将备机接入系统，无法保证备机系统软件为最新版本，导致更换后无法马上提供服务。

4.2 主用小矩阵和备用大矩阵

采用主用小矩阵（8口或16口）和备用大矩阵（160口）的方式部署，各个席位由单独的小型矩阵设备提供保障，同时通过1个大型矩阵连接各个设备构成热备形式，正常运行情况下小型矩阵作为主用。

该方案优点包括：（1）通过主用小矩阵能够实现各席位的区域化独立管理；（2）主用小矩阵和备用大矩阵均能实现主备系统的切换；（3）分布式部署方式灵活，每个席位各自管理操作，业务没有交叉影响，当席位光纤KVM矩阵出现故障时会自动切换到大矩阵系统；（4）管理席位可以实现集中调度控制，可以切换管理任何席位的主机信号；（5）实现席位之间的信息共享，协同操作，允许多个席位的屏幕同步显示共享内容信息；（6）备用大矩阵可接入多台备用终端，实现终端热备，如果系统主用终端故障，值班人员只需通过网管将信号切换至备用终端即可快速恢复业务；（7）可减少季度维护工作量，当系统软件升级维护时，备用终端可实时更新。

该方案缺点包括：矩阵的备件需要储备多种，建设成本较高；因备用矩阵为大矩阵，所有终端均接入，在配置时需特别注意避免因配置问题导致显示和控制指向出错，影响塔台席位的指挥。

4.3 主用小矩阵和备用点对点

采用半冗余方式，即主用链路采用小型矩阵，备用线路使用点对点设备直连。小矩阵完成单个席位多个系统的延伸，点对点设备不经过矩阵完成主机与外设的直连延伸。

该方案优点包括：（1）能够实现主备系统的切换，当主用矩阵故障时，信号可切换至直连光纤，保证业务不中断；（2）可使用KVM矩阵滑屏功能，减少管制现场键鼠套装的数量；（3）KVM矩阵负责1个管制席位，在日常配置与管理中只对1个管制席位进行设置，不会对其他席位产生影响；（4）建设成本较低。

该方案缺点包括：（1）当任意系统主机故障时，需值班人员更换冷备主机才能恢复业务，造成业务中断时间过长；（2）无法将备机接入系统，备机可能因备件处于测试周期未使用，无法保证系统软件为最新版本，导致更换后无法马上提供服务；（3）当KVM矩阵故障后，将无法使用矩阵提供的功能，包括主备自动化系统切换、滑屏功能、监控功能等；（4）当KVM矩阵故障后，需要管制员协助完成显示器视频源的选择操作。

4.4 点对点连接外加切换器

采用点对点方式将主机延长至管制现场，在管制现场再安装切换器用于信号切换，此方案不使用矩阵设备。

该方案优点包括：（1）建设成本低；（2）节省塔台空间。

该方案缺点包括：（1）当任意系统主机故障时，需值班人员更换冷备主机才能恢复业务，造成业务中断时间过长；（2）如果要减少键鼠套装数量，需增加中间设备，故障点也随之增加；（3）如果要监控所有的发送器和接收器，需要在每个发送器和接收器上增加监控网线，会造成成本过高；（4）塔台只能显示在用系统，当备用系统终端视频异常或设备故障时无法及时发现；（5）当主备系统切换时，需要通过选择视频输入源或视频切换器进行切换。

5 延长系统传输线路配置与运维

2路光缆上的管制席位分别对应KVM发送器接收器或双路光纤，在一路光缆中断的情况下，另一路光缆可以提供保障，不影响管制服务。建议每个席位的光纤数按最多10对配置，在设备端按需将光纤接入KVM矩阵。光纤场内传输需配置2路不同路由的光缆，分别对应发送接收器双路光纤，在一路光缆中断的情况下，另一路光缆可以提供保障，不影响管制服务。为保障管制席位操作流畅无卡顿，建议距离不超过10 km。若超过10 km，则需配置高功率光纤KVM设备。矩阵和接入端/管控端均为双路交流电源输入设备，2路电源输入应分别引自不同的不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）输出总线。在具有UPS单总线的情况下，应接入不同的输出回路。

在设备在线运行的情况下，通过监控平台对系统性能和各主要工作模块的运行参数统一进行监测、记录和评估。在光纤中断的情况下，能通过监控平台监控到具体哪个光纤中断，并且自动切换。设置配有超级用户和普通用户，由超级用户设置普通用户的权限。若备用光纤采用点对点模式，也需对其进行监控。

6 结 论

通过整合设备主机双机切换设备、外设延长设备以及矩阵KVM，实现了多路视频信号和操控信号的远距离无损传输。设备主机从空间上与操作人员隔离，保证了主机运行、数据安全管理、设备集中巡视等多方面的要求。