在DDS 中間件上實現(xiàn)雙冗余網(wǎng)卡切換的方法

趙昶宇

（天津津航計算技術(shù)研究所，天津 300308）

以太網(wǎng)技術(shù)作為一種成熟且抗干擾能力強的技術(shù)，具有構(gòu)建成本低、物理及數(shù)據(jù)協(xié)議完善、傳輸速率較高等優(yōu)良特性，在VxWorks 嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。由于VxWorks 嵌入式系統(tǒng)對以太網(wǎng)具有高實時性和高可靠性的要求，傳統(tǒng)的單一網(wǎng)卡一旦出現(xiàn)故障或受損時，很可能導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重降低了以太網(wǎng)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。因此，目前通常采用一種網(wǎng)卡故障保護機制，即對當(dāng)前工作網(wǎng)卡進行冗余熱備份，當(dāng)工作網(wǎng)卡出現(xiàn)故障時，由冗余網(wǎng)卡接替完成網(wǎng)絡(luò)通訊任務(wù)。

DDS 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊的核心技術(shù)，它能夠保證分布式系統(tǒng)可靠實時地交換分配群體數(shù)據(jù)，其傳輸能力比通常的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈高幾個數(shù)量級。DDS 必須確保在極少的時間和不限制網(wǎng)絡(luò)中的報告數(shù)據(jù)容量的條件下，高度可靠地傳輸數(shù)據(jù)。為了保證DDS中間件更加可靠穩(wěn)定運行在VxWorks 操作系統(tǒng)中，防止因單獨網(wǎng)卡故障導(dǎo)致DDS中間件不能正常工作的情況發(fā)生，通常DDS 中間件在雙冗余網(wǎng)卡上工作。由于DDS 中間件具有強實時性和QoS 策略的特點，VxWorks 操作系統(tǒng)中大多數(shù)雙冗余網(wǎng)卡的切換方法會導(dǎo)致網(wǎng)卡不能正常切換，或者切換后DDS 中間件不能正常通信。因此，傳統(tǒng)的雙冗余網(wǎng)卡切換的方法不能直接應(yīng)用在DDS 中間件上。

為了解決VxWorks 系統(tǒng)中基于DDS 中間件的雙冗余網(wǎng)卡切換實時性和可靠性問題，本文提出在DDS中間件上實現(xiàn)雙冗余網(wǎng)卡切換的方法。這些方法能夠保證雙冗余網(wǎng)卡切換時DDS中間件仍然能正常進行網(wǎng)絡(luò)通信，同時縮短網(wǎng)卡切換時間，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 DDS 中間件技術(shù)介紹

DDS 是以數(shù)據(jù)為中心，定義描述網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)內(nèi)容/交互行為和服務(wù)質(zhì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。它提供了一個獨立于平臺的框架模型，為分布式實時系統(tǒng)發(fā)布、傳遞和接收數(shù)據(jù)的接口和行為定義了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用程序可以基于該中間件框架實時發(fā)布信息，并根據(jù)需要訂閱信息[1]。

1.1 DDS 架構(gòu)

DDS 規(guī)范包含以下2 個層次的接口：①以數(shù)據(jù)為中心的DCPS（Data-CentricPublish-Subscribe，發(fā)布-訂閱層）。該層位于低層，是DDS 的核心和基礎(chǔ)，提供了DDS 通信的基本服務(wù)，用于完成數(shù)據(jù)的訂閱和發(fā)布。②DLRL（Data Local Reconstruction Layer，數(shù)據(jù)本地重構(gòu)層）。該層位于高層，是可選的，它建立在DCPS 的基礎(chǔ)上，將DCPS 層提供的服務(wù)進行了抽象，當(dāng)有數(shù)據(jù)更新后自動重組數(shù)據(jù)，并通知所有訂閱者更新本地數(shù)據(jù)。

DDS 架構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 DDS 架構(gòu)示意圖

1.2 DDS 通信模型

DDS 是一個以數(shù)據(jù)為中心的中間件協(xié)議和API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）標(biāo)準(zhǔn)，用戶只關(guān)心自己想要的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過主題（Topic）進行標(biāo)識。這樣發(fā)布者（Publisher）根據(jù)主題發(fā)布數(shù)據(jù)，訂閱者（Subscriber）根據(jù)自己感興趣的主題訂閱數(shù)據(jù)。通過上述方式建立了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱模型DCPS。DDS 的通信模型如圖2 所示。

圖2 DDS 通信模型

在DDS 通信模型中，主題（Topic）是數(shù)據(jù)的抽象概念，關(guān)聯(lián)相應(yīng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型。把所有的Topic 集合在一起，建立了一個虛擬的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間“Global Data Space”。數(shù)據(jù)寫入者（Data Writer）相當(dāng)于緩存，將需要發(fā)布的主題從應(yīng)用層寫入數(shù)據(jù)寫入者（Data Writer）中。數(shù)據(jù)讀取者（Data Reader）也相當(dāng)于是一種緩存，從訂閱者獲取主題內(nèi)容，并發(fā)送給應(yīng)用層。發(fā)布者（Publisher）通過調(diào)用Data Writer 的相關(guān)函數(shù)發(fā)布主題數(shù)據(jù)，訂閱者（Subscriber）只需負(fù)責(zé)訂閱主題數(shù)據(jù)。

1.3 QoS 策略

應(yīng)用程序使用QoS 策略控制、管理和優(yōu)化在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，目前共支持22 種QoS 策略。每種策略都可以應(yīng)用在不同的角色上，而針對同一角色，可單獨使用一種QoS，也可以組合使用多種QoS 策略。

QoS 是一種網(wǎng)絡(luò)傳輸策略，應(yīng)用程序指定所需要的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量行為，QoS 服務(wù)實現(xiàn)這種行為要求，盡可能地滿足客戶對通信質(zhì)量的要求。DDS 定義QoS策略使它對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)性和魯棒性大大增強，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量，QoS 可以理解為數(shù)據(jù)提供者和接收者之間的合約。

DDS 中幾種常用并且重要的QoS 參數(shù)有可靠性、數(shù)據(jù)的持久度、數(shù)據(jù)的歷史記錄、周期數(shù)據(jù)的超時、基于時間的過濾、數(shù)據(jù)的有效期、數(shù)據(jù)的所有權(quán)、分區(qū)、資源限制等特點。

2 VxWorks 下雙冗余網(wǎng)卡切換

為了確保VxWorks 系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕研院涂煽啃?，通常在一塊電路板上集成2 塊完全相同的網(wǎng)卡芯片。對于上層應(yīng)用，這2 個網(wǎng)卡應(yīng)該對它呈現(xiàn)“單網(wǎng)卡”特征。為了滿足這一特征，2 個網(wǎng)卡必須具有完全相同的IP（Internet Protocol，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）地址和MAC（Media Access Control，媒體訪問控制）地址。若2 個網(wǎng)卡的物理地址不一致，在進行網(wǎng)卡切換時，將會引起協(xié)議棧中ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議）綁定表的變化，重新對應(yīng)ARP 綁定表中IP 地址與網(wǎng)卡物理地址的關(guān)系，必然造成2 個網(wǎng)卡之間的切換時間變長[2]。而每個網(wǎng)卡芯片出廠前配置的48 位MAC 地址是全球唯一的，因此，需要通過軟件處理的方式使這2 個網(wǎng)卡的MAC 地址相同。

在VxWorks 系統(tǒng)中可以通過如下方式獲取網(wǎng)卡的MAC 地址： muxIoctl(muxDevAcquire("fei" ， 0)，EIOCGADDR，(caddr_t)kkphyaddr)；其中“fei”是網(wǎng)卡接口類型，在數(shù)組kkphyaddr 中保存該網(wǎng)卡的MAC地址值，即網(wǎng)卡的 MAC 地址為kkphyaddr[0]：kkphyaddr[1] ： kkphyaddr[2] ： kkphyaddr[3] ：kkphyaddr[4]：kkphyaddr[5]，kkphyaddr 數(shù)組中每個元素的值代表8 位MAC 地址。

獲取到其中一個網(wǎng)卡MAC 地址后，只需要將2個網(wǎng)卡設(shè)置成完全相同的MAC 地址即可，代碼如下：

sprintf(buf，"fei0 lladdr %s%s"，hostmac)；/*hostmac 存放MAC 地址的字符串*/

ifconfig(buf)；/* 設(shè)置fei0 網(wǎng)卡的MAC 地址*/

sprintf(buf，"fei1 lladdr%s%s"，hostmac)；

ifconfig(buf)；/* 設(shè)置fei1 網(wǎng)卡的MAC 地址*/

VxWorks 系統(tǒng)中雙冗余網(wǎng)卡的切換時間包括網(wǎng)卡故障檢測時間和網(wǎng)卡進行切換動作的時間。為了盡可能減少雙冗余網(wǎng)卡故障時的切換時間，應(yīng)及時檢測網(wǎng)卡的故障。通常來講，從網(wǎng)卡驅(qū)動層來檢測并判斷網(wǎng)卡芯片的狀態(tài)寄存器的值是否能最大壓縮網(wǎng)卡故障檢測的時間[3]。在VxWorks 系統(tǒng)啟動后，加載網(wǎng)卡驅(qū)動，初始化網(wǎng)卡芯片，并配置好網(wǎng)卡的控制結(jié)構(gòu)后，啟動一個監(jiān)控任務(wù)。該監(jiān)控任務(wù)負(fù)責(zé)不間斷查詢當(dāng)前網(wǎng)卡狀態(tài)寄存器的值，并反饋查詢結(jié)果。

3 DDS 中間件上實現(xiàn)雙冗余網(wǎng)卡切換

VxWorks 系統(tǒng)上電后進入網(wǎng)卡驅(qū)動的任務(wù)監(jiān)測程序后，首次判斷到網(wǎng)卡狀態(tài)寄存器的鏈路狀態(tài)位被置位時，表明網(wǎng)卡的鏈路狀態(tài)發(fā)生變化。此時，若監(jiān)測到網(wǎng)卡A 的鏈路狀態(tài)正常，則用ipAttach()函數(shù)掛載A網(wǎng)卡，用ifconfig()函數(shù)啟動A 網(wǎng)卡，然后用ipAttach()函數(shù)掛載B 網(wǎng)卡，用ifconfig()函數(shù)關(guān)閉B 網(wǎng)卡；若監(jiān)測到網(wǎng)卡B 的鏈路狀態(tài)正常，則用ipAttach()函數(shù)掛載B 網(wǎng)卡，用ifconfig()函數(shù)啟動B 網(wǎng)卡，然后用ipAttach()函數(shù)掛載A 網(wǎng)卡，用ifconfig()函數(shù)關(guān)閉A 網(wǎng)卡。該步驟的目的是在系統(tǒng)上電時，初始化2 個網(wǎng)卡的工作狀態(tài)。

網(wǎng)卡的初始化工作完成后，當(dāng)前工作網(wǎng)卡為A 網(wǎng)卡，判斷到網(wǎng)卡狀態(tài)寄存器的鏈路狀態(tài)位被置位時，監(jiān)測到網(wǎng)卡A 的鏈路狀態(tài)正常，則不用切換網(wǎng)卡；若監(jiān)測到網(wǎng)卡A 的鏈路狀態(tài)不正常，需判斷網(wǎng)卡B 的鏈路狀態(tài)，若網(wǎng)卡B 的鏈路狀態(tài)正常，則系統(tǒng)切換到網(wǎng)卡B 進行工作；當(dāng)前工作網(wǎng)卡為B 網(wǎng)卡，若判斷到網(wǎng)卡狀態(tài)寄存器的鏈路狀態(tài)位被置位時，監(jiān)測到網(wǎng)卡B的鏈路狀態(tài)正常，則不用切換網(wǎng)卡；若監(jiān)測到網(wǎng)卡B的鏈路狀態(tài)不正常，需判斷網(wǎng)卡A 的鏈路狀態(tài)，若網(wǎng)卡A 的鏈路狀態(tài)正常，則系統(tǒng)切換到網(wǎng)卡A 進行工作。若A、B 這2 個網(wǎng)卡的鏈路狀態(tài)均不正常，則向上層用戶程序匯報。

當(dāng)網(wǎng)卡切換時，若當(dāng)前故障網(wǎng)卡為A 網(wǎng)卡，備用網(wǎng)卡為B 網(wǎng)卡，且備用網(wǎng)卡的鏈路狀態(tài)正常，則先用ifconfig()函數(shù)關(guān)閉A 網(wǎng)卡，然后用ipAttach()函數(shù)掛載B 網(wǎng)卡，用ifconfig()函數(shù)啟動B 網(wǎng)卡；若當(dāng)前故障網(wǎng)卡為B 網(wǎng)卡，備用網(wǎng)卡為A 網(wǎng)卡，且備用網(wǎng)卡的鏈路狀態(tài)正常，則先用ifconfig()函數(shù)關(guān)閉B 網(wǎng)卡，然后用ipAttach()函數(shù)掛載A 網(wǎng)卡，用ifconfig()函數(shù)啟動A網(wǎng)卡。

需要特別值得注意的是，在DDS 中間件中進行雙冗余網(wǎng)卡切換時，一定不能調(diào)用ipDetach()函數(shù)卸載故障網(wǎng)卡，而只能用ifconfig 命令將故障網(wǎng)卡的連接狀態(tài)由“up”狀態(tài)設(shè)置為“down”狀態(tài)，即只是關(guān)閉該故障網(wǎng)卡，否則，切換后DDS 的網(wǎng)絡(luò)通訊就會中斷。這是由于DDS中間件的強實時性和QoS服務(wù)質(zhì)量策略導(dǎo)致的，這也是與傳統(tǒng)雙冗余網(wǎng)卡切換方法的不同之處。

4 結(jié)束語

針對VxWorks 操作系統(tǒng)中大多數(shù)雙冗余網(wǎng)卡的切換方法會導(dǎo)致網(wǎng)卡不能正常切換，或者切換后DDS 中間件不能正常通信的問題，本文提出了一種在DDS 中間件上實現(xiàn)雙冗余網(wǎng)卡切換的方法。利用該方法修改網(wǎng)卡驅(qū)動程序，在驅(qū)動程序的任務(wù)監(jiān)測程序中監(jiān)測網(wǎng)卡寄存器的鏈路狀態(tài)。將2 個網(wǎng)卡設(shè)置為相同的MAC地址，當(dāng)監(jiān)測到當(dāng)前網(wǎng)卡鏈路發(fā)生故障時，關(guān)閉當(dāng)前網(wǎng)卡，掛載備用網(wǎng)卡，然后啟動備用網(wǎng)卡開始工作；當(dāng)網(wǎng)卡發(fā)生故障時，不卸載故障網(wǎng)卡，而只是關(guān)閉故障網(wǎng)卡。這種做法不僅縮短了網(wǎng)卡切換的時間，更重要的是，由于DDS 中間件強實時性和QoS 服務(wù)質(zhì)量策略的特點，一旦DDS 中間件監(jiān)測到當(dāng)前網(wǎng)卡被卸載，它無法找到當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，導(dǎo)致通信被迫中斷。因此，該方法極大提高了DDS 中間件網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和穩(wěn)定性。