程莉莉 羅 威 胡芷毅 張 毅

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心 武漢 430060）

（2.中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064）（3.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 武漢 430072）

一種艦載支持組播的雙網(wǎng)切換技術(shù)研究與實現(xiàn)?

程莉莉1羅 威2胡芷毅3張 毅3

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心 武漢 430060）

（2.中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064）（3.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 武漢 430072）

雙網(wǎng)冗余是艦載信息系統(tǒng)中常用的技術(shù)，加強雙網(wǎng)切換對組播的支持和縮短雙網(wǎng)切換時間是雙網(wǎng)切換中的兩項關(guān)鍵技術(shù)。為了加強雙網(wǎng)切換對組播的支持，采用了在鏈路切換任務(wù)執(zhí)行過程中將組播地址信息重新寫人切換后的網(wǎng)卡寄存器中的方法，即組播地址重寫法。為了縮短雙網(wǎng)切換時間，采用了鏈路切換任務(wù)與網(wǎng)卡故障中斷同步的方法，即任務(wù)同步中斷法。上述方法實現(xiàn)了雙網(wǎng)透明、無縫切換，實驗數(shù)據(jù)表明，該方法有效地解決了上述兩項關(guān)鍵技術(shù)。

雙網(wǎng)切換；組播；中斷

ClassNum ber TP393

1 引言

通信網(wǎng)絡(luò)是艦載信息系統(tǒng)的命脈，它連接著各個信息單元和控制中心［1～6］。若采用單網(wǎng)卡進行網(wǎng)絡(luò)通信，一旦該網(wǎng)卡或其所在鏈路發(fā)生故障，輕則影響網(wǎng)絡(luò)通信的性能，重則造成網(wǎng)絡(luò)通信中斷。在對通信網(wǎng)絡(luò)可靠性要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，可通過增設(shè)冗余網(wǎng)卡來提高網(wǎng)絡(luò)可靠性［7～12］，但需實現(xiàn)雙網(wǎng)卡及其所在鏈路之間的切換，即雙網(wǎng)切換。要實現(xiàn)雙網(wǎng)切換，需解決兩項關(guān)鍵技術(shù)：

1）加強對組播的支持。組播是現(xiàn)代艦載信息系統(tǒng)中信息傳輸?shù)某Ｓ脵C制，屬于協(xié)議層的協(xié)議，而雙網(wǎng)切換對于協(xié)議層是透明的，因此，雙網(wǎng)切換對組播的支持是一項急需解決的關(guān)鍵技術(shù)［13～18］。

2）嚴(yán)格保證較短的切換時間。雙網(wǎng)切換時間若過長，會導(dǎo)致報文丟失，喪失信息完整性，因此，縮短雙網(wǎng)切換時間成為另一項關(guān)鍵技術(shù)。

本文將采用組播地址重寫法和任務(wù)同步中斷法來解決上述技術(shù)問題，并在工程實踐中進行驗證。

2 雙網(wǎng)透明、無縫切換的理論基礎(chǔ)

2.1 雙網(wǎng)透明切換理論

中間件（MUD）層是協(xié)議層與數(shù)據(jù)鏈路層的中間件，如圖1所示，它定義了一組接口，用于協(xié)議層與數(shù)據(jù)鏈路層的信息交互。MUD層屏蔽了協(xié)議層與數(shù)據(jù)鏈路層之間的直接聯(lián)系，增強了兩層之間的相對獨立性［2］。對協(xié)議層而言，對兩塊冗余物理網(wǎng)卡的所有操作都是透明的。

圖1 基于中間件（MUX）的開發(fā)模型

協(xié)議層可以通過調(diào)用MUX接口函數(shù)來與數(shù)據(jù)鏈路層通信，這種開發(fā)模型不僅可以屏蔽硬件的差異，減少對底層的操作，還可以使設(shè)計人員將注意力集中在功能的實現(xiàn)上，降低了開發(fā)難度。MUD層為雙網(wǎng)透明切換提供了基礎(chǔ)。

2.2 雙網(wǎng)無縫切換理論

當(dāng)設(shè)備檢測到某網(wǎng)卡或其所在鏈路發(fā)生故障而無法正常通信時，雙網(wǎng)切換程序就會將其切換到備用網(wǎng)卡所在的鏈路上。在切換過程中，可能會丟失一些數(shù)據(jù)包，但若切換時間很短，應(yīng)用層就會認為這是通信過程中的正常丟包，進而通過算法恢復(fù)或重傳丟失信息來實現(xiàn)雙網(wǎng)的無縫切換。

3 組播地址重新寫入法

組播是一種一對多或多對多的通信形式，屬于三種數(shù)據(jù)包傳輸方式（單播傳輸、廣播傳輸和組播傳輸）之一［3］。組播是指一組IP站點進行數(shù)據(jù)傳送，這一組IP站點是動態(tài)形成的，每個IP站點都可以動態(tài)地加入或退出這個組。

若不考慮底層的操作，要接收組播內(nèi)的數(shù)據(jù)，協(xié)議層只需輸入所要接收組播的地址，底層驅(qū)動程序?qū)⒔M播地址寫入網(wǎng)卡寄存器中，即可實現(xiàn)組播功能。

當(dāng)檢測到正在使用的網(wǎng)卡或其所在鏈路出現(xiàn)故障時，雙網(wǎng)切換程序會將通信切換至冗余網(wǎng)卡及鏈路，配置在切換前網(wǎng)卡中的組播地址就會丟失，切拉后的網(wǎng)絡(luò)由于沒有獲取到組播地址而無法完成組播傳輸。但若在雙網(wǎng)切換過程中將組播地址重新寫入冗余網(wǎng)卡寄存器，則可延續(xù)切換前后的組播地址，實現(xiàn)雙網(wǎng)切換對組播的支持，該方法即為組播地址重寫法。

應(yīng)用組播地址重寫法時，需要注意的一個關(guān)鍵細節(jié)就是，因為事先無法確定上層協(xié)議采用何種傳輸方式（可能采用單播、廣播、組播中的一種或多種），所以，在雙網(wǎng)切換過程中要判斷上層程序是否有加組操作，并以此來決定雙網(wǎng)切換中是否也需要執(zhí)行加組操作。組播地址重寫法關(guān)鍵部位的示意性代碼如下：

ifuser addedmulkicusk

for i=O；i＜mulki｝｝sklVum｝er；i++

AddMuIkicask（MulkicuskGroup｝i）；

End

else continue；

end if

4 組播地址重新寫入法

雙網(wǎng)切換時間由故障檢測時間、故障響應(yīng)時間和雙網(wǎng)切換執(zhí)行時間三部分組成。從網(wǎng)卡或其所在鏈路發(fā)生故障至網(wǎng)卡檢測到故障的時間為故障檢測時間，故障檢測在物理層完成，費時最少。從網(wǎng)卡獲取故障信息至開始執(zhí)行雙網(wǎng)切換的時間為故障響應(yīng)時間，不同的算法產(chǎn)生的故障響應(yīng)時間不同。從開始執(zhí)行雙網(wǎng)切換到冗余網(wǎng)卡所在鏈路正常工作的時間為雙網(wǎng)切換執(zhí)行時間，也稱為鏈路切換時間。鏈路切換包括網(wǎng)卡狀態(tài)判斷及加組等一系列必要操作，執(zhí)行時間基本固定。

從以上分析可知，縮短雙網(wǎng)切換時間的關(guān)鍵在于縮短故障響應(yīng)時間，目前，可通過兩種方式實現(xiàn)雙網(wǎng)切換：

1）中斷法

將鏈路切換程序放在網(wǎng)卡故障中斷的服務(wù)函數(shù)中。該方法的故障響應(yīng)時間較短，但鏈路切換程序復(fù)雜、執(zhí)行時間長，如此長時間的占用CPU資源將導(dǎo)致其他任務(wù)無法執(zhí)行，從而降低整個系統(tǒng)的實時性。

2）掃描法

創(chuàng)建一個任務(wù)，用掃描的方式監(jiān)視網(wǎng)卡及其所在鏈路的運行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)故障，便立刻執(zhí)行鏈路切換程序。網(wǎng)卡及其所在鏈路出現(xiàn)故障的概率較小，因此，為鏈路切換單獨創(chuàng)建一項任務(wù)進行故障掃描會浪費系統(tǒng)資源，且也無法保證故障響應(yīng)時間縮短。

為了縮短故障響應(yīng)時間，在本次研究中，在設(shè)計雙網(wǎng)切換時采用了任務(wù)同步中斷法。首先，創(chuàng)建一項鏈路切換任務(wù)，一旦進入鏈路切換代碼，就立即禁止任務(wù)搶占，以防止優(yōu)先級更高的就緒任務(wù)占用CPU資源，而后，該任務(wù)就一直等待獲取網(wǎng)卡故障信號量。鏈路切換任務(wù)會因無法獲取信號量而阻塞，隨后，禁止任務(wù)搶占命令失效。當(dāng)網(wǎng)卡或其所在鏈路出現(xiàn)異常時，觸發(fā)網(wǎng)卡故障中斷，其中斷服務(wù)函數(shù)會釋放網(wǎng)卡故障信號量，鏈路切換任務(wù)在獲得該信號量后得以繼續(xù)執(zhí)行，從而完成雙網(wǎng)切換，之后，可允許其他任務(wù)搶占資源。

此任務(wù)同步中斷法有效地融合了上述兩種方案，揚長避短，既縮短了故障響應(yīng)時間，又避免了資源浪費。

5 雙網(wǎng)切換實現(xiàn)

雙網(wǎng)切換的實現(xiàn)主要由網(wǎng)卡初始化、鏈路檢測和鏈路切換三部分組成，如圖2所示。

5.1 網(wǎng)卡初始化

網(wǎng)卡初始化需要完成一系列的配置操作，包括IP地址分配、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動綁定、網(wǎng)口中斷綁定及鏈路切換任務(wù)創(chuàng)建等。

在網(wǎng)卡初始化過程中，以硬件競爭的形式選擇最快鏈接正常的網(wǎng)卡作為活動網(wǎng)卡，為該網(wǎng)卡配置IP地址［4］，在啟動加載時，將IP地址作為對外的硬件地址向上層協(xié)議棧注冊。

5.2 鏈路檢測

鏈路檢測主要完成兩項功能，即網(wǎng)卡故障獲取與釋放網(wǎng)卡故障信號量。該流程由禁止中斷、獲取中斷向量、清理中斷標(biāo)志、釋放網(wǎng)卡故障信號量及允許中斷等一系列操作組成。

5.3 鏈路切換任務(wù)

網(wǎng)卡狀態(tài)的判斷過程如下：

1）網(wǎng)卡1和網(wǎng)卡2狀態(tài)一致；兩網(wǎng)卡都正?；蚨脊收希鶡o需切換。

2）網(wǎng)卡1正常、網(wǎng)卡2故障：刪除網(wǎng)卡2配置并配置網(wǎng)卡1，加人組播。

3｝網(wǎng)卡2正常、網(wǎng)卡1故障；刪除網(wǎng)卡1配置并配置網(wǎng)卡2，加入組播。

5.4 核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)其功能的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

1）鏈路切換的控制結(jié)構(gòu)，保存鏈路切換所需的所有設(shè)置信息；

typedefstruct_NIC_SWITCH｛

char*ipAddr［2］；/*兩個端口的IP地址*/

UINT16 setSign；/*冗余網(wǎng)口的配置程序是否已經(jīng)運行*/

UINT16 nicNo；/*當(dāng)前產(chǎn)生中斷的網(wǎng)卡號*/

SEM_ID switchSync；/*同步切換任務(wù)*/

UINT32 pciUnit［2］；/*保存對應(yīng)的PCI端口單元號*/

UINT32 irqVec［2］；/*PCI接口分配的中斷號*/

UINT32 irqCar［2］；/*PCI接口中斷控制寄存器基地址*/

UINT16 nicStatus［2］/*保存冗余網(wǎng)口的上一次狀態(tài)*/

SOCKETmSockets［10］；/*套接字數(shù)組*/

charmultiGroupNum；/*需要加入的組播數(shù)*/

｝_NIC_SWITCH；

2）定制需要加入的組播IP地址的數(shù)組，例如：

#defineMulticast_Number4

char*MulticastGroup［Multicast_Number］

=｛

224.2 2.202.101；

224.2 2.202.102；

224.2 2.202.103；

224.2 2.202.104；

｝；

6 實驗驗證

要驗證雙網(wǎng)切換是否支持組播，只需通過組播源發(fā)送數(shù)據(jù)，看其是否可以接收即可。

實驗中，獲取雙網(wǎng)切換時間的方法分為以下四個步驟：

1）創(chuàng)建并執(zhí)行雙網(wǎng)切換時間測試任務(wù)，使其按照16.7ms的周期發(fā)送數(shù)據(jù)；

2）使用WiIdPacket Etherpeek NX（一種網(wǎng)絡(luò)報文錄取軟件）接收其發(fā)送的報文；

3）反復(fù)交替插拔冗余網(wǎng)卡所連接的網(wǎng)線，迫使其發(fā)生雙網(wǎng)切換（在拔出一條網(wǎng)線之前，須保證另外一條鏈路處于熱備份狀態(tài)）；

4）分析獲取的數(shù)據(jù)，得到雙網(wǎng)切換的時間數(shù)據(jù)。

某次實驗中所獲取的數(shù)據(jù)如圖3所示。

由于2塊網(wǎng)卡所在鏈路的性能存在差異，所以雙網(wǎng)切換所需要的時間也有所不同，但相差不大。經(jīng)過反復(fù)測試，雙網(wǎng)切換的最大時間約為32ms，小于掃描法的切換時間均值43ms。因此，此方法是可行、有效的。

7 結(jié)語

可靠性是網(wǎng)絡(luò)通信中一個至關(guān)重要的參數(shù)，尤其是在國防領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求更高。在目前的技術(shù)水平上，采用冗余網(wǎng)卡的方法是提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的有效手段。本文采用組播地址重新寫人法和任務(wù)同步中斷法實現(xiàn)了雙網(wǎng)透明、無縫切換的功能，加強了雙網(wǎng)切換對組播的支持，縮短了雙網(wǎng)切換時間，增加了冗余網(wǎng)卡的功能，提高了冗余網(wǎng)卡的性能。上述方法已在工程實踐中得到驗證，滿足工程需求，取得了預(yù)期的效果。

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Research and Im p lementation of a Network Sw itch Technology Based on Shipborne SupportMulticast

CHENG Lili1LUOWei2HU Zhiyi3ZHANG Yi3
（1.PatentExamination Cooperation HubeiCenterof The PatentOffice SIPO，Wuhan 430060）
（2.China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064）
（3.Electronic Information School，Wuhan University，Wuhan 430072）

The redundant dual is a commonly used technology of shipboard information system，strengthen the network switch support formulticastand shorten the network switch time are 2 key technologies in network switch.In order to strengthen the support ofmulticast network switch，by using themethod of task execution process in the link switchingmulticast address information to write after switching card register，namelymulticast address rewriting.In order to shorten the network switch time，the link switch task and NIC fault interruptsynchronizationmethod，namely task synchronization interruptmethod.Themethod realizes the network transparentand seam lesshandoff，the experimentaldata show that thismethod can effectively solve the above 2 key technologies。

network switch，multicast，interruption

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.011

2017年3月12日，

2017年4月23日

程莉莉，女，博士，助理研究員，研究方向：電子信息系統(tǒng)，無損檢測。羅威，男，博士，高級工程師，研究方向：艦船電子信息系統(tǒng)。胡芷毅，男，碩士，研究方向：大數(shù)據(jù)分析。孫毅，男，碩士，研究方向：大數(shù)據(jù)分析。