VxWorks環(huán)境下雙冗余以太網(wǎng)卡技術(shù)在底層驅(qū)動中的實現(xiàn)

引　言

　　隨著以太網(wǎng)的穩(wěn)定性、抗干擾性和帶寬問題的逐步改善，以太網(wǎng)正在大規(guī)模進入工業(yè)控制領(lǐng)域。

用于工業(yè)過程控制、通信、航天器和導(dǎo)航系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)對可靠性及其響應(yīng)故障的快速性要求極高。當(dāng)前，冗余設(shè)計作為一種提高設(shè)備可靠性的有效方法，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。對于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的單個節(jié)點，常常需要對網(wǎng)卡進行雙冗余備份，即每個節(jié)點都采用2塊網(wǎng)卡(或2個網(wǎng)口)，中間用集線器或交換機互連，當(dāng)正常通信的網(wǎng)卡或線路出現(xiàn)故障時，該節(jié)點能自動地切換到備份網(wǎng)卡進行通信。圖1為冗余網(wǎng)絡(luò)的一種典型聯(lián)接形式。

　　具有雙冗余網(wǎng)卡的節(jié)點雖然有2塊網(wǎng)卡，2條通道，但對于高層應(yīng)用系統(tǒng)來說，仍呈現(xiàn)單網(wǎng)卡的特征。具體來講，2塊網(wǎng)卡共有1個物理地址，1個IP地址。根據(jù)TCP/IP參考模型，TCP/IP協(xié)議族可以分為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層4層，冗余網(wǎng)卡技術(shù)可以在其中各個層面中實現(xiàn)。

VxWorks、MUX與網(wǎng)卡驅(qū)動程序

　　嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的接口有2種：一種是標(biāo)準(zhǔn)的BSD4.4Driver，它將Driver和協(xié)議緊密關(guān)聯(lián)在一起，不利于多協(xié)議的支持；另一種標(biāo)準(zhǔn)是VxWorks特有的，它將Driver和協(xié)議棧隔離開，使二者通過一個稱為MUX的薄層相連，使得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)免受特定的網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動程序的影響，達(dá)到Driver獨立于具體協(xié)議的目的，從而實現(xiàn)多協(xié)議的支持，三者間的關(guān)系如圖2所示。

　　目前版本的MUX支持2種網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序接口模式：增強型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序接口( END)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工具包(NPT)驅(qū)動程序接口?，F(xiàn)以END型網(wǎng)卡驅(qū)動為例介紹如何在VxWorks5.4下的NE2000兼容網(wǎng)卡驅(qū)動程序中實現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余設(shè)計。正常情況下，協(xié)議驅(qū)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(diào)用EndLoaD()獲得的；然后MUX層調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動程序中的接口函數(shù)，實現(xiàn)高層協(xié)議驅(qū)動程序的請求。

在應(yīng)用層實現(xiàn)雙冗余網(wǎng)卡技術(shù)的分析

　　在系統(tǒng)中對網(wǎng)卡進行雙冗余備份，即1塊網(wǎng)卡在正常工作時使用，另1塊網(wǎng)卡作為備份。備份用的網(wǎng)卡處于激活狀態(tài)。在正常通信的網(wǎng)卡出現(xiàn)故障或系統(tǒng)需要時，備份用的網(wǎng)卡能實時地、自動地切換到繼續(xù)工作。顯然，這就要求2塊網(wǎng)卡只能使用同1個物理地址和同1個IP地址。從應(yīng)用程序的角度看，只會看見1塊網(wǎng)卡在工作，不關(guān)心是哪塊網(wǎng)卡在工作及如何切換。

　　理論上講，冗余網(wǎng)卡技術(shù)可以在OSI各層中實現(xiàn)，而且越在底層實現(xiàn)，檢測和切換的速度越快，效果應(yīng)該越好。其他利用應(yīng)用層實現(xiàn)雙冗余網(wǎng)卡的主要方法是在程序中發(fā)起任務(wù)，以查詢的方式不斷對當(dāng)前工作網(wǎng)卡的工作狀態(tài)進行判斷，當(dāng)判斷出當(dāng)前使用的網(wǎng)卡處于非正常狀態(tài)的時候，將刪除當(dāng)前網(wǎng)卡的路由，在主機列表中刪除當(dāng)前主機名，并解除網(wǎng)卡與協(xié)議的綁定；然后進行備份網(wǎng)卡的配置：為備份網(wǎng)卡綁定協(xié)議，設(shè)置子網(wǎng)掩碼和IP地址。用此種方法實際測試，測試中使裝有雙網(wǎng)卡的主機不斷向外發(fā)送廣播報文，同時用網(wǎng)絡(luò)分析軟件接收。測得2個網(wǎng)口的切換時間平均為120ms，在切換期間有很多廣播報文丟失?？梢娫趹?yīng)用層實現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余備份技術(shù)，網(wǎng)卡切換速度慢，不利于網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性。

在驅(qū)動程序中的實現(xiàn)

　　在VxWorks系統(tǒng)中，相同類型的網(wǎng)卡使用同一個驅(qū)動程序，網(wǎng)卡之間由驅(qū)動程序提供的句柄來區(qū)別。MUX調(diào)用NIC驅(qū)動程序的接口函數(shù)時，都會把網(wǎng)卡的句柄傳入函數(shù)中。這就為在驅(qū)動程序中實現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余備份提供了基礎(chǔ)。因此要實現(xiàn)網(wǎng)卡的雙冗余備份，最理想的辦法是在NIC驅(qū)動程序中實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)卡驅(qū)動程序中最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是有關(guān)網(wǎng)卡特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每種網(wǎng)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(tǒng)啟動時，在網(wǎng)卡驅(qū)動的裝載函數(shù)中ne2000EndLoad( )中，會為設(shè)備初始化1個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并分配一個指針指向這個結(jié)構(gòu)。這時定義2個全局指針：

　　NE2000END-DEVICE * pDrvCtrl-0；
　　NE2000END-DEVICE * pDrvCtrl-1；

　　在網(wǎng)卡初始化時把這2個指針分別指向2塊網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過這2個指針的定義，在MUX調(diào)用NIC驅(qū)動程序的接口函數(shù)時，可以根據(jù)網(wǎng)卡的好壞或系統(tǒng)的需要來選擇pDrvCtrl-0或pDrvCtrl-1，以調(diào)整工作網(wǎng)卡。

發(fā)送和接收處理

　　在上層驅(qū)動程序通過MUX調(diào)用NIC驅(qū)動程序的發(fā)送函數(shù)時，會傳入網(wǎng)卡的句柄，指定要使用的網(wǎng)卡。通常情況下，驅(qū)動程序會根據(jù)該句柄向相應(yīng)網(wǎng)卡發(fā)出指令，把報文發(fā)出去。在雙網(wǎng)卡冗余備份驅(qū)動程序中，根據(jù)需要來指定發(fā)送數(shù)據(jù)要使用的網(wǎng)卡，而不一定使用MUX指定的網(wǎng)卡。如先讀2塊網(wǎng)卡的Link信號寄存器，判斷網(wǎng)絡(luò)連線的通斷，再決定使用哪一塊網(wǎng)卡來發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　在接收報文的時候，通常是在中斷中進行處理。因為以太網(wǎng)在物理層上的特點，2塊網(wǎng)卡都能收到報文，不同的是只有與高層協(xié)議綁定的網(wǎng)卡收到的數(shù)據(jù)才能向上傳遞。在雙網(wǎng)卡冗余備份驅(qū)動程序中，不是由MUX指定的網(wǎng)卡句柄來向上傳送數(shù)據(jù)，而是根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)卡的工作狀態(tài)向上層傳送數(shù)據(jù)，即使數(shù)據(jù)是從另一塊網(wǎng)卡上接收來的或另一塊網(wǎng)卡沒有和高層協(xié)議綁定。

單物理地址的處理

　　通常每塊網(wǎng)卡有1個全世界范圍內(nèi)唯一的物理地址，它保存在網(wǎng)卡的PROM中。網(wǎng)卡初始化時，要從PROM中讀出物理地址，把它存放在適當(dāng)?shù)募拇嫫骱蛿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

　　要使2塊網(wǎng)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(wǎng)卡冗余備份驅(qū)動程序中，可以用其中1塊網(wǎng)卡的物理地址。方法有2種：在驅(qū)動程序初始化時只讀1塊網(wǎng)卡的PROM中的物理地址；或者在網(wǎng)卡驅(qū)動程序中的ne2000EnetAddrGet()函數(shù)中作修改，完全可以給網(wǎng)卡設(shè)定任意的物理地址(只要避免了同一網(wǎng)絡(luò)中的沖突)。

單IP地址處理

　　至于2塊網(wǎng)卡采用相同的IP地址，可以這樣實現(xiàn)：在安裝2塊網(wǎng)卡時，只讓1塊網(wǎng)卡有IP地址，另1塊網(wǎng)卡沒有IP地址。因為給網(wǎng)卡綁定IP地址是在IP協(xié)議所在的網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)的，所以在網(wǎng)絡(luò)層以下切換網(wǎng)卡對上層來說是完全透明的。應(yīng)用程序自始自終只看見1塊網(wǎng)卡在工作。圖3是從應(yīng)用程序的角度看雙網(wǎng)卡備份的示意圖。

效果分析

　　通過對比實驗，在應(yīng)用層實現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余備份的平均網(wǎng)卡切換時間是120ms，在驅(qū)動層實現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余備份的平均網(wǎng)卡切換時間是5ms，相對于在應(yīng)用層或其他高層中實現(xiàn)，效率較高，大大縮短雙網(wǎng)卡的切換時間，從而降低切換時網(wǎng)絡(luò)通信丟包的機率。

結(jié)束語

　　分析了VxWorks系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，提出了在系統(tǒng)底層驅(qū)動中實現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余備份功能的設(shè)想，并進行了設(shè)計實現(xiàn)，同時對在驅(qū)動程序中實現(xiàn)與在應(yīng)用層中實現(xiàn)2種方法進行了對比，證明了在驅(qū)動程序中不但能夠很好地實現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余備份功能，而且提高了以太網(wǎng)的實時性和可靠性，在工業(yè)以太網(wǎng)蓬勃發(fā)展的今天，具有一定的實用意義。