Intel 82580雙冗余網卡切換技術

韓曉，趙昶宇

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Intel 82580雙冗余網卡切換技術

韓曉1，趙昶宇2

（1.海軍駐天津八三五七所軍事代表室，天津 300308；2.天津津航計算技術研究所，天津 300308）

對VxWorks系統下Intel 82580雙冗余網卡的通訊和切換技術進行了研究，給出了Intel 82580雙冗余網卡在VxWorks系統下實現雙網切換的方法。該方法在VxWorks系統底層驅動中設計并實現冗余通道，設計完成后滿足了系統要求的誤碼率和切換時間，并把雙冗余網卡的切換時間提高到60 ms，達到了系統的設計指標。

VxWorks；雙冗余網卡；以太網；艦艇控制系統

隨著網絡技術的飛速發展和艦艇現代化程度的不斷提高，傳統的10 M/100 M以太網已遠遠不能滿足作戰系統高速大寬帶的通信網絡需求。在艦艇的特殊環境下，不但要求網絡信息傳輸速度快、抗干擾能力強，還要求在網絡局部故障時，作戰系統不出現癱瘓和失效狀態。本文結合某艦艇控制系統網絡通信的實際應用，考慮到艦艇控制系統對實時性的要求，對VxWorks系統下高可靠性網絡通訊技術進行了深入研究，實現了VxWorks下Intel 82580千兆雙冗余網卡的配置以及雙網卡切換。

1 VxWorks下的雙網卡配置

本文以2塊Intel 82580網絡適配芯片為例說明在VxWorks實時操作系統下，如何配置多網卡進行通信。

首先在WorkBench的安裝目錄WindRivervxworks-6.8 argetconfigpcPentium4config.h文件中增加以下定義：

#define INCLUDE_GEI825XX_VXB_END

#define INCLUDE_END

#define INCLUDE_GEI8254X_END

如果希望通過Intel 82580千兆雙冗余網卡來引導VxWorks系統，則需要將DEFAULT_BOOT_LINE宏定義修改為：

#define DEFAULT_BOOT_LINE

"ata=0，0(0，0) host:/ata1a/vxWorks.fk1 h=191.8.200.69 e=191.8.200.11 u=target pw=target o=gei"

通過上述配置方法，雙通道冗余網卡的驅動就訂制在BSP中，然后重新編譯生成Bootrom和VxWorks鏡像，加載到系統中運行調試。為了確保網卡自動切換精確到毫秒級，將SYS_CLK_RATE設置為100.

2 雙網切換的實現

在作戰系統中，為了保證網絡通信的實時可靠性，對上網的設備和系統提出了雙網卡冗余備份、故障時自動切換的要求。采用兩個網絡適配器互為備份，當其中一個出現故障時，系統檢測到錯誤，并迅速切換到另一塊網絡適配器上。系統連接圖如圖1所示。

圖1 雙網卡系統連接圖

為了使2塊Intel 82580千兆網卡實現高效雙冗余備份，必須保證這2塊網卡具有相同的物理地址和IP地址。這樣對于上層應用系統而言，系統中呈現“單網卡”的特征；反之，當系統中一塊網卡切換到另一塊網卡工作時，如果IP地址發生變化，則系統無法正常接收和發送數據。如果IP地址不改變，而物理地址改變，則會引起協議棧中ARP綁定表的變化，而重新對應ARP綁定表中IP地址與網卡物理地址的關系會延長兩個網卡之間的切換時間。

然而，每塊網卡的物理地址在全世界范圍內是唯一的，它保存在網卡的PROM中。為了使2塊Intel 82580千兆網卡具有相同的物理地址，在網卡初始化時，從PROM中讀出其中一塊網卡的物理地址，將該物理地址的內容寫入另一塊網卡物理地址寄存器和數據結構變量中，在此情況下，這2塊Intel 82580千兆網卡就具有完全相同的物理地址了。

從理論上看，以太網絡的冗余可以在OSI的各層中實現，越是在底層實現，檢測和切換的時間就越短，冗余的效果越好。因此，VxWorks系統下的雙網切換工作是在網卡驅動層實現的。在END型網絡驅動中實現網卡設備的裝載、網絡芯片的初始化、網絡報文的接收和發送、網絡的切換等功能。在系統啟動后，VxWorks系統通過網卡加載函數，調用END型網絡驅動，在加載過程中完成網絡芯片的初始化、內存池的分配、網卡設備控制結構的配置等，最后將網卡設備控制結構提交給MUX層，供上層系統操作網卡時使用。雙冗余網卡驅動的實現原理如圖2所示。

圖2 雙冗余網卡驅動的實現原理圖

圖2中的網絡通道通訊監控任務是對當前使用的網絡適配器進行不間斷的定時查詢，當發現該網絡適配器連接狀態異常時，就切換到另一個網絡適配器上。如果切換成功，該網絡適配器就成為當前使用的網絡適配器，該監控任務繼續對當前的網絡適配器進行監控。

監控任務主要完成以下工作：當監控任務檢測到Intel 82580千兆網卡的狀態寄存器的Link位為0，表明該網絡適配器工作正常，不進行網卡切換；當監控任務檢測到Intel 82580千兆網卡的狀態寄存器的Link位為1，表明該網絡適配器連接異常，需要進行網卡切換。

如果當前使用的網卡為Gei0，則需要切換到Gei1上，反之亦然。Gei0切換到Gei1的代碼為：

ipDetach（0，“gei”）；

ipAttach（1，“gei”）；

ifconfig（“gei1 192.168.0.100 up”）；

3 系統測試驗證

為了驗證上述網卡切換方法，搭建硬件環境，將2塊Intel 82580千兆網卡所在的加固機作為Client端，開發平臺的主機PC作為Server端，使用2根網線將網卡的雙端口同時連接到交換機上，主機端網絡也通過網線連接到交換機上。

在Client端編寫測試程序，向Server端發送數據報文，并統計發送的報文計數，Server端收到網絡報文數據后，統計接收的報文計數，并將收到的報文內容發送給Client端；在Server端編寫測試程序，向Client端發送數據報文，并統計發送的報文計數，Client端收到網絡報文數據后，統計接收的報文計數，并將收到的報文內容發送給Server端。同時，Server端使用ping命令檢測和Client端的網絡是否連接成功。在整個過程中，通過交錯切斷雙通道冗余網卡中的任意一個端口連接的方法檢測切換功能，發現ping命令始終未中斷，收發數據穩定、可靠，滿足要求。

為了測試切換時間是否滿足要求，設置數據的發送速率為350幀/秒，相當于每3 ms左右完成1幀數據的發送。當發生1次切換，平均增加丟幀數為20，最大不超過30幀。通過計算可以得知切換導致的網絡中斷時間平均為60 ms，滿足系統對切換時間不超過90 ms的指標要求。

通過以上功能和性能測試驗證表明，本文設計的雙冗余網卡切換技術的實現方法有效，所開發的代碼穩定、可靠，能夠滿足作戰系統的需求。

4 結束語

本文對Intel 82580千兆雙冗余以太網在VxWorks下的驅動開發及切換技術進行了深入研究，并提出了雙冗余網卡切換的切實、可行的解決方案。通過試驗驗證，本設計很好地解決了在某作戰控制系統上實現雙冗余網絡實時、可靠、高速進行信息傳遞這一技術難題，雙冗余網卡的切換時間、誤碼率都在指標范圍內，經過各項嚴格測試，Intel 82580雙冗余網卡系統滿足功能和性能要求，已經成功交付使用。

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［3］田煒，劉利強.VxWorks環境下雙網卡冗余備份技術的實現［J］.自動化技術與應用，2003，20（07）：32-34.

2095－6835（2018）20－0081－02

TP393.05

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.081

韓曉（1987—），男，碩士，工程師，從事裝備質量監督和質量管理體系方面的研究。趙昶宇（1982—），男，陜西漢中人，工學碩士，高級工程師，主要從事嵌入式系統軟件測試方面的研究。

〔編輯：張思楠〕