基于VxWorks的雙端口網(wǎng)卡智能雙冗余驅(qū)動

隨著網(wǎng)絡技術(shù)的成熟，具有價格低廉、連接方便等優(yōu)點的以太網(wǎng)已成為各種控制系統(tǒng)接口互連的主要媒介。它作為一種通用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，在全球計算機網(wǎng)絡領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應用。隨著現(xiàn)代艦船信息化程度的不斷提高，以太網(wǎng)技術(shù)也開始應用于現(xiàn)代艦船信息系統(tǒng)中，不但要求信息傳輸速度快，抗干擾能力強，還要求網(wǎng)絡具有高穩(wěn)定性和高可靠性，在網(wǎng)絡局部故障或受損時，全系統(tǒng)不至于癱瘓失效。

冗余設(shè)計作為一種提高系統(tǒng)可靠性的有效方法，已經(jīng)得到了廣泛的應用。對于網(wǎng)絡系統(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)點都采用兩個網(wǎng)絡接口，中間用兩個集線器或交換機互連，當正常通信的網(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。

目前大多數(shù)操作系統(tǒng)(如Windows、Unix、Linux等)都支持多網(wǎng)卡，但均非冗余設(shè)計，每塊網(wǎng)卡都有獨立的物理地址和IP地址，以獨立的形式供應用系統(tǒng)使用。要實現(xiàn)真正的智能雙冗余網(wǎng)絡系統(tǒng)，必須自行設(shè)計專用的網(wǎng)絡驅(qū)動程序，以透明的形式提交高層應用系統(tǒng)使用，使系統(tǒng)感覺不到雙網(wǎng)卡的存在。本文使用盛博公司PC104結(jié)構(gòu)SCM/DETH型10M雙端口以太網(wǎng)卡，設(shè)計實現(xiàn)了基于VxWorks的智能雙冗余網(wǎng)絡驅(qū)動。

1 VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡驅(qū)動原理

1.1 VxWorks系統(tǒng)簡介

VxWorks操作系統(tǒng)是美國風河公司(Wind River System)推出的一款運行在目標機上的高性能、可裁減的嵌入式強實時操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)包括了進程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡協(xié)議及系統(tǒng)應用等幾個部分，只占用了很小的存儲空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能以較高的效率運行。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中。

VxWorks主要有以下特點：
(1)具有高度可剪裁的操作系統(tǒng)微內(nèi)核Wind；
(2)具有比較優(yōu)秀的網(wǎng)絡處理能力，適用于多種物理介質(zhì)的TCP/IP協(xié)議族支持；
(3)具有極其豐富的BSP，支持多處理器系統(tǒng)，最多可以支持20個CPU；
(4)具有友好的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，便于操作、配置和應用程序的開發(fā)調(diào)試；
(5)具有較好的兼容性，支持POSIX1003.1b；
(6)支持多種開發(fā)和運行環(huán)境。支持C語言、C++語言以及JAVA虛擬機。

1.2 VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡驅(qū)動原理

VxWorks中支持兩種類型的網(wǎng)絡設(shè)備驅(qū)動程序——BSD4.3網(wǎng)絡驅(qū)動程序和可裁減的增強型網(wǎng)絡堆棧SENS(Scalable Enhanced Networks Stack)。BSD4.3標準提供了網(wǎng)絡設(shè)備驅(qū)動程序與IP協(xié)議的緊密結(jié)合，而SENS協(xié)議棧提供了可替換的網(wǎng)絡設(shè)備驅(qū)動程序，即增強型網(wǎng)絡驅(qū)動程序END(Enhanced Networks Driver)。

SENS模型包含三個部分：協(xié)議驅(qū)動程序、多元接口層(MUX)和END型網(wǎng)絡驅(qū)動。它獨立于硬件設(shè)備接口，將網(wǎng)絡設(shè)備驅(qū)動程序細化，使開發(fā)者可以專注于驅(qū)動程序(END驅(qū)動)本身的開發(fā)。本文設(shè)計實現(xiàn)的智能雙冗余驅(qū)動即是一個符合SENS模型標準的END型網(wǎng)絡驅(qū)動。在END型網(wǎng)絡驅(qū)動中主要實現(xiàn)網(wǎng)卡設(shè)備的裝載，網(wǎng)絡芯片的初始化，網(wǎng)絡報文接收及發(fā)送等功能。在系統(tǒng)啟動后，操作系統(tǒng)通過網(wǎng)卡加載函數(shù)調(diào)用到END型網(wǎng)絡驅(qū)動，在加載過程中完成網(wǎng)絡芯片的初始化、內(nèi)存池的分配、網(wǎng)卡設(shè)備控制結(jié)構(gòu)的填寫等操作，最后通過指針傳遞的方式將網(wǎng)卡設(shè)備控制結(jié)構(gòu)和13個網(wǎng)卡操縱函數(shù)提交給MUX層，供上層系統(tǒng)操作網(wǎng)卡工作時使用。

2 智能雙冗余驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

2.1 智能雙冗余驅(qū)動實現(xiàn)原理

智能雙冗余驅(qū)動的實現(xiàn)原理如圖1所示，虛線框內(nèi)為智能雙冗余驅(qū)動。在VxWorks系統(tǒng)啟動時，首先要遍歷配置文件confignet.h中的網(wǎng)卡設(shè)備表endDevTbl[ ]，設(shè)備表中包含雙端口網(wǎng)卡上兩個網(wǎng)卡的地址及中斷等配置參數(shù)；然后，系統(tǒng)會調(diào)用sysDethEnd.c中的sysDethEndLoad(…)函數(shù)，將兩個網(wǎng)卡的配置參數(shù)以函數(shù)入口參數(shù)的形式傳遞給智能雙冗余驅(qū)動的裝載函數(shù)dethEndLoad(…)；裝載函數(shù)為每個網(wǎng)卡設(shè)備創(chuàng)建一個控制結(jié)構(gòu)，對入口配置參數(shù)進行解析，并為每個網(wǎng)卡設(shè)備分配一塊內(nèi)存空間，用系統(tǒng)的配置要求初始化兩個網(wǎng)卡，同時填寫好網(wǎng)卡設(shè)備的控制結(jié)構(gòu)；最后，智能雙冗余驅(qū)動將主通道網(wǎng)卡設(shè)備的控制結(jié)構(gòu)指針提交給MUX層，并發(fā)起網(wǎng)絡故障診斷定時器任務和網(wǎng)絡故障診斷任務。

網(wǎng)絡故障診斷定時器任務配合網(wǎng)絡故障診斷任務執(zhí)行，使用看門狗定時器Watchdog timer完成1ms定時，每定時1次釋放1次二進制信號量sem_netDiagnose；網(wǎng)絡故障診斷任務循環(huán)等待接收信號量sem_netDiagnose，取到信號量后立即判斷主通道網(wǎng)卡設(shè)備的端口狀態(tài)(連接/非連接)，當端口處于連接狀態(tài)時，任務循環(huán)等待下次信號量，當端口處于非連接狀態(tài)時，網(wǎng)絡故障診斷任務交換主通道與備用通道的控制結(jié)構(gòu)內(nèi)容，備用通道網(wǎng)卡設(shè)備變?yōu)橹魍ǖ谰W(wǎng)卡設(shè)備開始工作，但對于上層應用來說，網(wǎng)卡的控制結(jié)構(gòu)并沒有改變。

2.2 網(wǎng)卡設(shè)備控制結(jié)構(gòu)

在智能雙冗余網(wǎng)卡驅(qū)動中使用一個控制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)控制一塊網(wǎng)卡設(shè)備，控制結(jié)構(gòu)中包含網(wǎng)卡的中斷向量、I/O基址、總線類型、介質(zhì)類型、物理地址等特性信息。這些信息有的在網(wǎng)卡設(shè)備表endDevTbl[ ]中，在系統(tǒng)啟動過程中作為驅(qū)動裝載函數(shù)的參數(shù)傳遞到驅(qū)動中；有的保存在網(wǎng)卡的PROM中，在網(wǎng)卡驅(qū)動程序初始化時，將這些特性參數(shù)寫入網(wǎng)卡控制結(jié)構(gòu)。

智能雙冗余網(wǎng)卡驅(qū)動中定義了一個控制單網(wǎng)卡設(shè)備的控制結(jié)構(gòu)，如下所示：
typedef struct ne2000_device
{
……
intunit；/*網(wǎng)卡單元號*/
intilevel；/*中斷優(yōu)先級*/
intbyteAccess；/*字節(jié)存儲模式*/
ULONGbase；/*基地址*/
intoffset；/*內(nèi)存對齊偏移量*/
volatile ULONGimask；/*中斷屏蔽碼*/
UCHARenetAddr[6]；/*網(wǎng)卡物理地址*/
……
} DETHEND_DEVICE；

驅(qū)動中創(chuàng)建了兩個網(wǎng)卡設(shè)備控制結(jié)構(gòu)分別控制兩塊網(wǎng)卡。上層應用通過操作網(wǎng)卡控制結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)對網(wǎng)卡的各種操作。

2.3 網(wǎng)絡通信故障診斷方法

要實現(xiàn)網(wǎng)絡端口的智能切換，實現(xiàn)網(wǎng)卡間冗余備份的功能，首要前提就是需要診斷出當前工作的網(wǎng)卡是否網(wǎng)絡通信故障。任何一種網(wǎng)絡芯片都提供連接狀態(tài)自動診斷功能，通過在網(wǎng)絡芯片的某個寄存器的相應位置0或置1來表示該網(wǎng)卡連接正常還是連接錯誤。它所檢測的依據(jù)是網(wǎng)卡是否連通，也就是從本機網(wǎng)絡端口到網(wǎng)線另一端的網(wǎng)絡端口整個通路是否連通，它能檢測出網(wǎng)線斷開、網(wǎng)絡接口松動及故障等錯誤。

本文使用的SEM/DETH雙端口以太網(wǎng)卡采用兩塊RTL8019AS網(wǎng)絡芯片，該網(wǎng)絡芯片的寄存器組采用分頁存儲方式，共分為4頁，都映射到16個I/O地址空間上。其中，第3頁CONFIG0寄存器的B2位表示網(wǎng)卡連接狀態(tài)自動診斷結(jié)果，當該位為1時表示連接錯誤，為0時表示連接正常。智能雙冗余驅(qū)動的網(wǎng)絡故障診斷任務判斷網(wǎng)卡連接狀態(tài)的代碼如下：

setting=sysInByte(pDrvCtrl->base)； /*讀取命令寄存器狀態(tài)*/
sysOutByte(pDrvCtrl->base，(0xc0|setting))；/*選擇第3頁寄存器組*/
if(sysInByte(pDrvCtrl->base+CONFIG0_REG) & 0x04)/*網(wǎng)絡連接錯誤*/
{ …… }

2.4 單物理地址實現(xiàn)

要使兩塊網(wǎng)卡實現(xiàn)智能雙冗余備份，它們必須有相同的物理地址和IP地址。否則，當由其中一個網(wǎng)卡切換到另一個網(wǎng)卡上時，如果IP地址發(fā)生變化，系統(tǒng)將無法正常接收、發(fā)送數(shù)據(jù)；如果IP地址不發(fā)生變化而僅僅物理地址發(fā)生變化，雖然網(wǎng)卡切換后，系統(tǒng)仍可以正常接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，但由于物理地址發(fā)生變化，將引起協(xié)議棧中ARP綁定表的變化，重新對應ARP綁定表中IP地址與網(wǎng)卡物理地址的關(guān)系，則延長了兩個網(wǎng)卡之間的切換時間。

系統(tǒng)的IP地址存在于系統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)議棧中，在系統(tǒng)啟動后與網(wǎng)卡進行綁定。由于本文設(shè)計實現(xiàn)的智能雙冗余驅(qū)動對于應用系統(tǒng)和協(xié)議棧來說呈現(xiàn)單網(wǎng)卡的特征，網(wǎng)卡之間的切換只在驅(qū)動程序中完成，所以，當發(fā)生網(wǎng)卡切換時，系統(tǒng)的IP地址并不發(fā)生變化。

對于網(wǎng)卡的物理地址來說，通常每塊網(wǎng)卡有一個全世界范圍內(nèi)惟一的物理地址，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?shù)募拇嫫骱蛿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，對外來說，寄存器和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)值就是這塊網(wǎng)卡的物理地址。在智能雙冗余驅(qū)動程序中，當驅(qū)動程序初始化時只讀取一塊網(wǎng)卡PROM中的物理地址，然后把這個地址寫入兩塊網(wǎng)卡的對應物理地址寄存器和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變量pDrvCtrl中，這樣，兩塊網(wǎng)卡對外就具有統(tǒng)一的物理地址了。因為驅(qū)動程序自始至終只有一塊網(wǎng)卡處于激活狀態(tài)，另一塊作為備份，因此不會發(fā)生同一個網(wǎng)絡上兩個物理地址相同出現(xiàn)沖突這種現(xiàn)象。

3 性能測試

3.1 測試方法

針對本文設(shè)計、實現(xiàn)的雙端口網(wǎng)卡智能雙冗余驅(qū)動進行性能測試。將智能雙冗余驅(qū)動編譯到VxWorks操作系統(tǒng)中，使用帶有SEM/DETH雙端口以太網(wǎng)卡的計算機做目標機，使用兩根網(wǎng)線把目標機連接到交換機上。目標機應用程序以40次/秒的速率向外發(fā)送UDP廣播報文。采用普通PC機作為主機系統(tǒng)，運行Windows2000操作系統(tǒng)，使用sniffer Pro工具進行網(wǎng)絡監(jiān)控。

3.2 測試結(jié)果及分析

測試結(jié)果如圖2所示，橫坐標代表報文數(shù)，縱坐標代表主機接收到的目標機UDP廣播報文中兩個連續(xù)UDP報文之間的間隔時間(單位為秒)。由圖2可以看到，由于目標機正常工作狀態(tài)下是以40次/秒的速率廣播發(fā)送UDP網(wǎng)絡報文的，所以每兩個報文之間的時間間隔大部分為25ms左右。在圖2中出現(xiàn)了8次主機接收到的廣播報文時間間隔為100ms左右的情況，這是由于在目標機端進行了8次網(wǎng)卡切換，在網(wǎng)卡切換過程中出現(xiàn)了報文丟失現(xiàn)象。

由測試結(jié)果看，本文設(shè)計實現(xiàn)的智能雙冗余驅(qū)動能夠很好地實現(xiàn)雙端口網(wǎng)卡冗余備份的功能，在檢測到主通道網(wǎng)卡設(shè)備連接錯誤時可以切換到備用通道繼續(xù)進行網(wǎng)絡通信，并且可以在兩塊網(wǎng)卡之間循環(huán)切換；同時，該驅(qū)動對上層用戶透明，呈現(xiàn)單網(wǎng)卡的特性，完全在驅(qū)動中實現(xiàn)網(wǎng)卡間的冗余備份。

本文設(shè)計實現(xiàn)了一個基于VxWorks的雙端口網(wǎng)卡智能雙冗余驅(qū)動，在驅(qū)動中實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信故障診斷和網(wǎng)卡間智能切換功能，對上層應用呈現(xiàn)單網(wǎng)卡特性。通過對設(shè)計實現(xiàn)的智能雙冗余驅(qū)動進行性能測試，驗證了設(shè)計的正確性和有效性，但通過測試結(jié)果也可以看到，在網(wǎng)卡切換過程中還存在切換時間較長的問題，有待進一步研究。