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-- 發布時間：2010-11-17 10:41:19
-- VxWorks環境下雙冗余以太網卡技術在底層驅動中的實現
引 言
隨著以太網的穩定性、抗干擾性和帶寬問題的逐步改善，以太網正在大規模進入工業控制領域。用于工業過程控制、通信、航天器和導航系統中的網絡對可靠性及其響應故障的快速性要求極高。當前，冗余設計作為一種提高設備可靠性的有效方法，已經得到了廣泛的應用。對于網絡系統中的單個節點，常常需要對網卡進行雙冗余備份，即每個節點都采用2塊網卡(或2個網口)，中間用集線器或交換機互連，當正常通信的網卡或線路出現故障時，該節點能自動地切換到備份網卡進行通信。圖1為冗余網絡的一種典型聯接形式。
具有雙冗余網卡的節點雖然有2塊網卡，2條通道，但對于高層應用系統來說，仍呈現單網卡的特征。具體來講，2塊網卡共有1個物理地址，1個IP地址。根據TCP/IP參考模型，TCP/IP協議族可以分為應用層、傳輸層、網絡層和鏈路層4層，冗余網卡技術可以在其中各個層面中實現。
VxWorks、MUX與網卡驅動程序
嵌入式實時操作系統VxWorks的網絡協議棧與網絡設備驅動的接口有2種：一種是標準的BSD4.4Driver，它將Driver和協議緊密關聯在一起，不利于多協議的支持；另一種標準是VxWorks特有的，它將Driver和協議棧隔離開，使二者通過一個稱為MUX的薄層相連，使得網絡服務免受特定的網絡接口驅動程序的影響，達到Driver獨立于具體協議的目的，從而實現多協議的支持，三者間的關系如圖2所示。
目前版本的MUX支持2種網絡驅動程序接口模式：增強型網絡驅動程序接口( END)和網絡協議工具包(NPT)驅動程序接口。現以END型網卡驅動為例介紹如何在VxWorks5.4下的NE2000兼容網卡驅動程序中實現雙網卡冗余設計。正常情況下，協議驅動程序通過MUX層提供的NIC的句柄來提交請求，這個句柄是調用EndLoaD()獲得的；然后MUX層調用網卡驅動程序中的接口函數，實現高層協議驅動程序的請求。
在應用層實現雙冗余網卡技術的分析
在系統中對網卡進行雙冗余備份，即1塊網卡在正常工作時使用，另1塊網卡作為備份。備份用的網卡處于激活狀態。在正常通信的網卡出現故障或系統需要時，備份用的網卡能實時地、自動地切換到繼續工作。顯然，這就要求2塊網卡只能使用同1個物理地址和同1個IP地址。從應用程序的角度看，只會看見1塊網卡在工作，不關心是哪塊網卡在工作及如何切換。
理論上講，冗余網卡技術可以在OSI各層中實現，而且越在底層實現，檢測和切換的速度越快，效果應該越好。其他利用應用層實現雙冗余網卡的主要方法是在程序中發起任務，以查詢的方式不斷對當前工作網卡的工作狀態進行判斷，當判斷出當前使用的網卡處于非正常狀態的時候，將刪除當前網卡的路由，在主機列表中刪除當前主機名，并解除網卡與協議的綁定；然后進行備份網卡的配置：為備份網卡綁定協議，設置子網掩碼和IP地址。用此種方法實際測試，測試中使裝有雙網卡的主機不斷向外發送廣播報文，同時用網絡分析軟件接收。測得2個網口的切換時間平均為120ms，在切換期間有很多廣播報文丟失。可見在應用層實現雙網卡冗余備份技術，網卡切換速度慢，不利于網絡的可靠性和實時性。
在驅動程序中的實現
在VxWorks系統中，相同類型的網卡使用同一個驅動程序，網卡之間由驅動程序提供的句柄來區別。MUX調用NIC驅動程序的接口函數時，都會把網卡的句柄傳入函數中。這就為在驅動程序中實現雙網卡冗余備份提供了基礎。因此要實現網卡的雙冗余備份，最理想的辦法是在NIC驅動程序中實現。
數據結構
網卡驅動程序中最關鍵的數據結構是有關網卡特性的數據結構。每種網卡都有它自己的特性，包括它的單元號、中斷向量、I/O基址、物理地址等。
系統啟動時，在網卡驅動的裝載函數中ne2000EndLoad( )中，會為設備初始化1個數據結構，并分配一個指針指向這個結構。這時定義2個全局指針：
NE2000END-DEVICE * pDrvCtrl-0；
NE2000END-DEVICE * pDrvCtrl-1；
在網卡初始化時把這2個指針分別指向2塊網卡的數據結構，通過這2個指針的定義，在MUX調用NIC驅動程序的接口函數時，可以根據網卡的好壞或系統的需要來選擇pDrvCtrl-0或pDrvCtrl-1，以調整工作網卡。
發送和接收處理
在上層驅動程序通過MUX調用NIC驅動程序的發送函數時，會傳入網卡的句柄，指定要使用的網卡。通常情況下，驅動程序會根據該句柄向相應網卡發出指令，把報文發出去。在雙網卡冗余備份驅動程序中，根據需要來指定發送數據要使用的網卡，而不一定使用MUX指定的網卡。如先讀2塊網卡的Link信號寄存器，判斷網絡連線的通斷，再決定使用哪一塊網卡來發送數據。
在接收報文的時候，通常是在中斷中進行處理。因為以太網在物理層上的特點，2塊網卡都能收到報文，不同的是只有與高層協議綁定的網卡收到的數據才能向上傳遞。在雙網卡冗余備份驅動程序中，不是由MUX指定的網卡句柄來向上傳送數據，而是根據當前網卡的工作狀態向上層傳送數據，即使數據是從另一塊網卡上接收來的或另一塊網卡沒有和高層協議綁定。
單物理地址的處理
通常每塊網卡有1個全世界范圍內唯一的物理地址，它保存在網卡的PROM中。網卡初始化時，要從PROM中讀出物理地址，把它存放在適當的寄存器和數據結構中。
要使2塊網卡能相互備份，它們必須有相同的物理地址和IP地址。在雙網卡冗余備份驅動程序中，可以用其中1塊網卡的物理地址。方法有2種：在驅動程序初始化時只讀1塊網卡的PROM中的物理地址；或者在網卡驅動程序中的ne2000EnetAddrGet()函數中作修改，完全可以給網卡設定任意的物理地址(只要避免了同一網絡中的沖突)。
單IP地址處理
至于2塊網卡采用相同的IP地址，可以這樣實現：在安裝2塊網卡時，只讓1塊網卡有IP地址，另1塊網卡沒有IP地址。因為給網卡綁定IP地址是在IP協議所在的網絡層實現的，所以在網絡層以下切換網卡對上層來說是完全透明的。應用程序自始自終只看見1塊網卡在工作。圖3是從應用程序的角度看雙網卡備份的示意圖。
效果分析
通過對比實驗，在應用層實現雙網卡冗余備份的平均網卡切換時間是120ms，在驅動層實現雙網卡冗余備份的平均網卡切換時間是5ms，相對于在應用層或其他高層中實現，效率較高，大大縮短雙網卡的切換時間，從而降低切換時網絡通信丟包的機率。
結束語
分析了VxWorks系統的網絡結構模型，提出了在系統底層驅動中實現雙網卡冗余備份功能的設想，并進行了設計實現，同時對在驅動程序中實現與在應用層中實現2種方法進行了對比，證明了在驅動程序中不但能夠很好地實現雙網卡冗余備份功能，而且提高了以太網的實時性和可靠性，在工業以太網蓬勃發展的今天，具有一定的實用意義。