VxWorks環(huán)境下雙冗余以太網(wǎng)卡技術(shù)在底層驅(qū)動(dòng)中的實(shí)現(xiàn)

引　言

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

用于工業(yè)過(guò)程控制、通信、航天器和導(dǎo)航系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(jì)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(duì)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的單個(gè)節(jié)點(diǎn)，常常需要對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行雙冗余備份，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用2塊網(wǎng)卡(或2個(gè)網(wǎng)口)，中間用集線器或交換機(jī)互連，當(dāng)正常通信的網(wǎng)卡或線路出現(xiàn)故障時(shí)，該節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)地切換到備份網(wǎng)卡進(jìn)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(diǎn)雖然有2塊網(wǎng)卡，2條通道，但對(duì)于高層應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，仍呈現(xiàn)單網(wǎng)卡的特征。具體來(lái)講，2塊網(wǎng)卡共有1個(gè)物理地址，1個(gè)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(gè)層面中實(shí)現(xiàn)。

VxWorks、MUX與網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序

　　嵌入式實(shí)時(shí)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(dòng)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(guò)一個(gè)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(dòng)程序的影響，達(dá)到Driver獨(dú)立于具體協(xié)議的目的，從而實(shí)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(dòng)程序接口模式：增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序接口( END)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工具包(NPT)驅(qū)動(dòng)程序接口。現(xiàn)以END型網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)為例介紹如何在VxWorks5.4下的NE2000兼容網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余設(shè)計(jì)。正常情況下，協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)MUX層提供的NIC的句柄來(lái)提交請(qǐng)求，這個(gè)句柄是調(diào)用EndLoaD()獲得的；然后MUX層調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序中的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)高層協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求。

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

　　在系統(tǒng)中對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行雙冗余備份，即1塊網(wǎng)卡在正常工作時(shí)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(shí)，備份用的網(wǎng)卡能實(shí)時(shí)地、自動(dòng)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(gè)物理地址和同1個(gè)IP地址。從應(yīng)用程序的角度看，只會(huì)看見(jiàn)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(shí)現(xiàn)，而且越在底層實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)和切換的速度越快，效果應(yīng)該越好。其他利用應(yīng)用層實(shí)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(duì)當(dāng)前工作網(wǎng)卡的工作狀態(tài)進(jìn)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(shí)候，將刪除當(dāng)前網(wǎng)卡的路由，在主機(jī)列表中刪除當(dāng)前主機(jī)名，并解除網(wǎng)卡與協(xié)議的綁定；然后進(jìn)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(shí)際測(cè)試，測(cè)試中使裝有雙網(wǎng)卡的主機(jī)不斷向外發(fā)送廣播報(bào)文，同時(shí)用網(wǎng)絡(luò)分析軟件接收。測(cè)得2個(gè)網(wǎng)口的切換時(shí)間平均為120ms，在切換期間有很多廣播報(bào)文丟失?？梢?jiàn)在應(yīng)用層實(shí)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(shí)時(shí)性。

在驅(qū)動(dòng)程序中的實(shí)現(xiàn)

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

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)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(hào)、中斷向量、I/O基址、物理地址等。

　　系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，在網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的裝載函數(shù)中ne2000EndLoad( )中，會(huì)為設(shè)備初始化1個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并分配一個(gè)指針指向這個(gè)結(jié)構(gòu)。這時(shí)定義2個(gè)全局指針：

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

　　在網(wǎng)卡初始化時(shí)把這2個(gè)指針?lè)謩e指向2塊網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)這2個(gè)指針的定義，在MUX調(diào)用NIC驅(qū)動(dòng)程序的接口函數(shù)時(shí)，可以根據(jù)網(wǎng)卡的好壞或系統(tǒng)的需要來(lái)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(dòng)程序通過(guò)MUX調(diào)用NIC驅(qū)動(dòng)程序的發(fā)送函數(shù)時(shí)，會(huì)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(dòng)程序會(huì)根據(jù)該句柄向相應(yīng)網(wǎng)卡發(fā)出指令，把報(bào)文發(fā)出去。在雙網(wǎng)卡冗余備份驅(qū)動(dòng)程序中，根據(jù)需要來(lái)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(hào)寄存器，判斷網(wǎng)絡(luò)連線的通斷，再?zèng)Q定使用哪一塊網(wǎng)卡來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　在接收?qǐng)?bào)文的時(shí)候，通常是在中斷中進(jìn)行處理。因?yàn)橐蕴W(wǎng)在物理層上的特點(diǎn)，2塊網(wǎng)卡都能收到報(bào)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(dòng)程序中，不是由MUX指定的網(wǎng)卡句柄來(lái)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(lái)的或另一塊網(wǎng)卡沒(méi)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(gè)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(shí)，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(dòng)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(dòng)程序初始化時(shí)只讀1塊網(wǎng)卡的PROM中的物理地址；或者在網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)：在安裝2塊網(wǎng)卡時(shí)，只讓1塊網(wǎng)卡有IP地址，另1塊網(wǎng)卡沒(méi)有IP地址。因?yàn)榻o網(wǎng)卡綁定IP地址是在IP協(xié)議所在的網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)的，所以在網(wǎng)絡(luò)層以下切換網(wǎng)卡對(duì)上層來(lái)說(shuō)是完全透明的。應(yīng)用程序自始自終只看見(jiàn)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(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余備份的平均網(wǎng)卡切換時(shí)間是120ms，在驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余備份的平均網(wǎng)卡切換時(shí)間是5ms，相對(duì)于在應(yīng)用層或其他高層中實(shí)現(xiàn)，效率較高，大大縮短雙網(wǎng)卡的切換時(shí)間，從而降低切換時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信丟包的機(jī)率。

結(jié)束語(yǔ)

　　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(dòng)中實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余備份功能的設(shè)想，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)與在應(yīng)用層中實(shí)現(xiàn)2種方法進(jìn)行了對(duì)比，證明了在驅(qū)動(dòng)程序中不但能夠很好地實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)卡冗余備份功能，而且提高了以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)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(shí)用意義。