隨著網絡技術的成熟，具有價格低廉、連接方便等優(yōu)點的以太網已成為各種控制系統(tǒng)接口互連的主要媒介。它作為一種通用網絡數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，在全球計算機網絡領域已經得到了廣泛的應用。隨著現(xiàn)代艦船信息化程度的不斷提高，以太網技術也開始應用于現(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，還要求網絡具有高穩(wěn)定性和高可靠性，在網絡局部故障或受損時，全系統(tǒng)不至于癱瘓失效。
　　冗余設計作為一種提高系統(tǒng)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)點都采用兩個網絡接口，中間用兩個集線器或交換機互連，當正常通信的網卡或線路出現(xiàn)故障時該節(jié)點能自動地切換到備份網卡進行通信。
　　目前大多數(shù)操作系統(tǒng)(如Windows、Unix、Linux等)都支持多網卡，但均非冗余設計，每塊網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絡系統(tǒng)，必須自行設計專用的網絡驅動程序，以透明的形式提交高層應用系統(tǒng)使用，使系統(tǒng)感覺不到雙網卡的存在。本文使用盛博公司PC104結構SCM/DETH型10M雙端口以太網卡，設計實現(xiàn)了基于VxWorks的智能雙冗余網絡驅動。
1 VxWorks系統(tǒng)網絡驅動原理
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、設備管理、文件系統(tǒng)管理、網絡協(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、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中。
　　VxWorks主要有以下特點：
　　(1)具有高度可剪裁的操作系統(tǒng)微內核Wind；
　　(2)具有比較優(yōu)秀的網絡處理能力，適用于多種物理介質的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)調試環(huán)境，便于操作、配置和應用程序的開發(fā)調試；
　　(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)網絡驅動原理
　　VxWorks中支持兩種類型的網絡設備驅動程序——BSD4.3網絡驅動程序和可裁減的增強型網絡堆棧SENS(Scalable Enhanced Networks Stack)。BSD4.3標準提供了網絡設備驅動程序與IP協(xié)議的緊密結合，而SENS協(xié)議棧提供了可替換的網絡設備驅動程序，即增強型網絡驅動程序END(Enhanced Networks Driver)。
　　SENS模型包含三個部分：協(xié)議驅動程序、多元接口層(MUX)和END型網絡驅動。它獨立于硬件設備接口，將網絡設備驅動程序細化，使開發(fā)者可以專注于驅動程序(END驅動)本身的開發(fā)。本文設計實現(xiàn)的智能雙冗余驅動即是一個符合SENS模型標準的END型網絡驅動。在END型網絡驅動中主要實現(xiàn)網卡設備的裝載，網絡芯片的初始化，網絡報文接收及發(fā)送等功能。在系統(tǒng)啟動后，操作系統(tǒng)通過網卡加載函數(shù)調用到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" title="控制結構">控制結構的填寫等操作，最后通過指針傳遞的方式將網卡設備控制結構和13個網卡操縱函數(shù)提交給MUX層，供上層系統(tǒng)操作網卡工作時使用。
2 智能雙冗余驅動程序實現(xiàn)
2.1 智能雙冗余驅動實現(xiàn)原理
　　智能雙冗余驅動的實現(xiàn)原理如圖1所示，虛線框內為智能雙冗余驅動。在VxWorks系統(tǒng)啟動時，首先要遍歷配置文件confignet.h中的網卡設備表endDevTbl[ ]，設備表中包含雙端口網卡上兩個網卡的地址及中斷等配置參數(shù)；然后，系統(tǒng)會調用sysDethEnd.c中的sysDethEndLoad(…)函數(shù)，將兩個網卡的配置參數(shù)以函數(shù)入口參數(shù)的形式傳遞給智能雙冗余驅動的裝載函數(shù)dethEndLoad(…)；裝載函數(shù)為每個網卡設備創(chuàng)建一個控制結構，對入口配置參數(shù)進行解析，并為每個網卡設備分配一塊內存空間，用系統(tǒng)的配置要求初始化兩個網卡，同時填寫好網卡設備的控制結構；最后，智能雙冗余驅動將主通道網卡設備的控制結構指針提交給MUX層，并發(fā)起網絡故障診斷定時器任務和網絡故障診斷任務。

　　網絡故障診斷定時器任務配合網絡故障診斷任務執(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卡設備的端口狀態(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，網絡故障診斷任務交換主通道與備用通道的控制結構內容，備用通道網卡設備變?yōu)橹魍ǖ谰W卡設備開始工作，但對于上層應用來說，網卡的控制結構并沒有改變。
2.2 網卡設備控制結構
　　在智能雙冗余網卡驅動中使用一個控制數(shù)據(jù)結構控制一塊網卡設備，控制結構中包含網卡的中斷向量、I/O基址、總線類型、介質類型、物理地址等特性信息。這些信息有的在網卡設備表endDevTbl[ ]中，在系統(tǒng)啟動過程中作為驅動裝載函數(shù)的參數(shù)傳遞到驅動中；有的保存在網卡的PROM中，在網卡驅動程序初始化時，將這些特性參數(shù)寫入網卡控制結構。
　　智能雙冗余網卡驅動中定義了一個控制單網卡設備的控制結構，如下所示：
　　typedef struct ne2000_device
　　{
　　……
　　int　　　　unit；　　　　　　　/*網卡單元號*/
　　int　　　　ilevel；　　　　　　/*中斷優(yōu)先級*/
　　int　　　　byteAccess；　　　　/*字節(jié)存儲模式*/
　　ULONG　　　base；　　　　　　　/*基地址*/
　　int　　　　offset；　　　　　　/*內存對齊偏移量*/
　　volatile ULONG　　imask；　　　/*中斷屏蔽碼*/
　　UCHAR　　　enetAddr^[6]；　　　/*網卡物理地址*/
　　……
　　} DETHEND_DEVICE；
　　驅動中創(chuàng)建了兩個網卡設備控制結構分別控制兩塊網卡。上層應用通過操作網卡控制結構從而實現(xiàn)對網卡的各種操作。
2.3 網絡通信故障診斷方法
　　要實現(xiàn)網絡端口的智能切換，實現(xiàn)網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卡是否網絡通信故障。任何一種網絡芯片都提供連接狀態(tài)自動診斷功能，通過在網絡芯片的某個寄存器的相應位置0或置1來表示該網卡連接正常還是連接錯誤。它所檢測的依據(jù)是網卡是否連通，也就是從本機網絡端口到網線另一端的網絡端口整個通路是否連通，它能檢測出網線斷開、網絡接口松動及故障等錯誤。
　　本文使用的SEM/DETH雙端口以太網卡采用兩塊RTL8019AS網絡芯片，該網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位表示網卡連接狀態(tài)自動診斷結果，當該位為1時表示連接錯誤，為0時表示連接正常。智能雙冗余驅動的網絡故障診斷任務判斷網卡連接狀態(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)/*網絡連接錯誤*/
　　{ …… }
2.4 單物理地址實現(xiàn)
　　要使兩塊網卡實現(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，當由其中一個網卡切換到另一個網卡上時，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地址與網卡物理地址的關系，則延長了兩個網卡之間的切換時間。
　　系統(tǒng)的IP地址存在于系統(tǒng)的網絡協(xié)議棧中，在系統(tǒng)啟動后與網卡進行綁定。由于本文設計實現(xiàn)的智能雙冗余驅動對于應用系統(tǒng)和協(xié)議棧來說呈現(xiàn)單網卡的特征，網卡之間的切換只在驅動程序中完成，所以，當發(fā)生網卡切換時，系統(tǒng)的IP地址并不發(fā)生變化。
　　對于網卡的物理地址來說，通常每塊網卡有一個全世界范圍內惟一的物理地址，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?shù)募拇嫫骱蛿?shù)據(jù)結構中，對外來說，寄存器和數(shù)據(jù)結構中的數(shù)值就是這塊網卡的物理地址。在智能雙冗余驅動程序中，當驅動程序初始化時只讀取一塊網卡PROM中的物理地址，然后把這個地址寫入兩塊網卡的對應物理地址寄存器和數(shù)據(jù)結構變量pDrvCtrl中，這樣，兩塊網卡對外就具有統(tǒng)一的物理地址了。因為驅動程序自始至終只有一塊網卡處于激活狀態(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
　　針對本文設計、實現(xiàn)的雙端口網卡智能雙冗余驅動進行性能測試。將智能雙冗余驅動編譯到VxWorks操作系統(tǒng)中，使用帶有SEM/DETH雙端口以太網卡的計算機做目標機，使用兩根網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工具進行網絡監(jiān)控。
3.2 測試結果及分析
　　測試結果如圖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次網卡切換，在網卡切換過程中出現(xiàn)了報文丟失現(xiàn)象。