引　言

　　隨著以太網的穩(wěn)定性、抗干擾性和帶寬問題的逐步改善，以太網正在大規(guī)模進入工業(yè)控制領域。用于工業(yè)過程控制、通信、航天器和導航系統(tǒng)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(tǒng)中的單個節(jié)點，常常需要對網卡進行雙冗余備份，即每個節(jié)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(jié)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(lián)接形式。

具有雙冗余網卡的節(jié)點雖然有2塊網卡，2條通道，但對于高層應用系統(tǒng)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(xié)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(tǒng)VxWorks的網絡協(xié)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(xié)議緊密關聯(lián)在一起，不利于多協(xié)議的支持；另一種標準是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(xié)議的目的，從而實現多協(xié)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(xié)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(xié)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(xié)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(tǒng)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(tài)。在正常通信的網卡出現故障或系統(tǒng)需要時，備份用的網卡能實時地、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(fā)起任務，以查詢的方式不斷對當前工作網卡的工作狀態(tài)進行判斷，當判斷出當前使用的網卡處于非正常狀態(tài)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(xié)議的綁定；然后進行備份網卡的配置：為備份網卡綁定協(xié)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(fā)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(tǒng)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(qū)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(tǒng)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(tǒng)的需要來選擇pDrvCtrl-0或pDrvCtrl-1，以調整工作網卡。

發(fā)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(fā)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(fā)出指令，把報文發(fā)出去。在雙網卡冗余備份驅動程序中，根據需要來指定發(fā)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(fā)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(xié)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(tài)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(xié)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(xié)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(tǒng)的網絡結構模型，提出了在系統(tǒng)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(yè)以太網蓬勃發(fā)展的今天，具有一定的實用意義。