CN102984059A - 千兆以太网冗余网卡及其链路切换条件判定结果控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种千兆以太网冗余网卡及其链路切换条件判定结果控制方法，属于网络技术领域。该千兆以太网冗余网卡包括千兆以太网控制器、工作链路PHY芯片和备份链路PHY芯片，千兆以太网控制器包括工作链路控制模块和备份链路控制模块。工作链路控制模块和备份链路控制模块通过对应的链路MII总线和链路MDIO总线连接对应链路的PHY芯片，能够发送对应的工作心跳帧和备份心跳帧，并通过接收对应的备份心跳帧和工作心跳帧，判断工作链路和备份链路的状态，从而实现在不修改千兆以太网物理层芯片的情况下，快速确定以太网链路断开，并控制工作链路和备份链路间的切换，提高网卡冗余切换的响应速度，优化用户的使用体验。

Description

千兆以太网冗余网卡及其链路切换条件判定结果控制方法

技术领域

本发明涉及网络技术领域，特别涉及网卡技术领域，具体是指一种千兆以太网冗余网卡及其链路切换条件判定结果控制方法。

背景技术

随着网络通信技术的发展，以太网在计算机网络中得以广泛应用，以太网卡已经成为计算机的一个标准配置。在某些计算机网络中，所使用的计算机要求实现冗余备份网卡，即计算机中的以太网卡通过两条以太网链路与以太网络相连，其中一条用于工作，另一条用于备份。当发现当前工作链路断开后，需要自动切换到备份以太网链路上进行网络通信。切换时间需要满足规定的时间范围。

在如图1所示的百兆以太网中，采用以太网控制器芯片，通过复杂可编程逻辑器件（CPLD）与以太网PHY（物理层）芯片A和以太网PHY芯片B连接，构成百兆冗余网卡。

正常工作时，复杂可编程逻辑器件CPLD选择MII总线A与以太网控制器芯片相连接，以太网链路A作为工作链路。当链路A断开时，以太网PHY芯片A通过LinkupA信号告知复杂可编程逻辑器件CPLD。复杂可编程逻辑器件CPLD将选择MII总线B与以太网控制器芯片相连接，从而实现链路A到链路B的切换。

同时，复杂可编程逻辑器件CPLD向主CPU报告中断，说明以太网链路发生切换。CPU在中断服务程序中通过链路B发送ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）帧，通知以太网交换机通过新的链路与本机通信，进而实现对链路A和链路B在以太网络中的切换。

以太网PHY通过Linkup信号报告链路断开需要一定的时间。如图2所示，T0时刻网络链路不能正常工作；百兆以太网PHY需要要到T1时刻（1ms以内），报告网络断开；而千兆以太网PHY则需要到T2时刻（100ms以上）才报告网络断开。

百兆以太网因为Linkup信号报告时间较短，所以采用图1中的切换方法能有效满足切换时间的要求。但因为千兆以太网PHY需要100ms以上的时间才能报告网络断开，这导致切换时间难以满足应用要求，使得大量以太网帧的丢失。

为了解决这一问题，一个方法是对千兆以太网PHY芯片作出修改，但这样做设计难度大且成本过高。因此，如何在不修改千兆以太网PHY芯片相关电路的前提下，更早地确定以太网链路断开是本发明最需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种在千兆以太网卡控制器芯片设计中，根据以太网络相关技术特性，添加发送工作链路和备份链路的心跳帧电路，实现在不修改千兆以太网物理层芯片相关电路的情况下，快速确定以太网链路断开与切换，提高网卡冗余切换的响应速度，优化用户的使用体验，且结构简单，应用成本低廉，应用范围较为广泛的千兆以太网冗余网卡及其链路切换条件判定结果控制方法。

为了实现上述的目的，本发明的千兆以太网冗余网卡具有如下构成：

该千兆以太网冗余网卡包括千兆以太网控制器、工作链路以太网物理层芯片和备份链路以太网物理层芯片，该千兆以太网控制器分别通过所述的工作链路以太网物理层芯片和所述的备份链路以太网物理层芯片连接外部的以太网交换机。其中，所述的千兆以太网控制器包括：工作链路控制模块和备份链路控制模块。

工作链路控制模块通过工作链路MII（Media Independent Interface，介质无关接口）总线和工作链路MDIO（Management Data Input/Output，管理数据输入输出）总线连接所述的工作链路以太网物理层芯片，用以发送工作心跳帧，并通过接收备份心跳帧的结果，判断工作链路和备份链路的状态；

备份链路控制模块通过备份链路MII总线和备份链路MDIO总线连接所述的备份链路以太网物理层芯片，用以发送所述的备份心跳帧，并通过接收所述的工作心跳帧的结果，判断工作链路和备份链路的状态。

该千兆以太网冗余网卡中，所述的千兆以太网控制器还包括工作MAC地址单元备份MAC地址单元，所述的工作MAC地址单元连接所述的工作链路控制模块，所述的备份MAC地址单元连接所述的备份链路控制模块。

该千兆以太网冗余网卡中，所述的工作链路以太网物理层芯片和所述的备份链路以太网物理层芯片均具有状态寄存器，用以存储对应链路的电气状态信息。

该千兆以太网冗余网卡中，所述的千兆以太网控制器为FPGA千兆以太网控制器或ASIC千兆以太网控制器。

本发明还提供一种应用于所述的千兆以太网冗余网卡的链路切换条件判定结果控制方法，该方法包括以下并行步骤：

（1）处于工作状态的工作链路控制模块，以工作MAC地址为源MAC地址，以备用MAC地址为目的MAC地址，通过工作链路MII总线定时发送工作心跳帧；处于备用状态的备份链路控制模块，以备用MAC地址为源MAC地址，以工作MAC地址为目的MAC地址，通过备份链路MII总线定时发送备份心跳帧；

（2）所述的工作链路控制模块检测接收的备份心跳帧校验结果的错误率是否增加，若是，则设置工作链路初步错误标志，若否，则重复步骤（2）；

（3）所述的备份链路控制模块检测接收的工作心跳帧校验结果的错误率是否增加，若是，则设置备份链路初步错误标志，若否，则重复步骤（3）；

（4）当仅检测到工作链路初步错误标志时，则在规定的时间内判断备份链路是否有错误标志，若是备份链路初步错误标志无效，则设置工作链路高可能性错误标志；

（5）当仅检测到备份链路初步错误标志时，则在规定的时间内判断工作链路是否有错误标志，若是工作链路初步错误标志无效，则设置备份链路高可能性错误标志；

（6）当检测到备份链路初步错误标志且工作链路初步错误标志，则无效需要切换标志，当备份链路高可能性错误，也无效需要切换标志；

（7）当检测到工作链路高可能性错误标志，所述的工作链路控制模块从所述的工作链路以太网物理层芯片获取工作链路状态，在工作链路状态为不稳定状态下，设置工作链路有错误标志，并设置需要切换标志，若工作链路状态保持稳定状态，则进入步骤（8）；

（8）在规定时间内检测工作链路初步错误标志和工作链路高可能性错误标志是否撤消，若未被撤销，则设置需要切换标志，若被撤销，且工作链路状态保持稳定状态，则无效需要切换标志。

采用了该发明的千兆以太网冗余网卡及其链路切换条件判定结果控制方法，该千兆以太网冗余网卡包括千兆以太网控制器、工作链路以太网物理层芯片和备份链路以太网物理层芯片，所述的千兆以太网控制器包括：工作链路控制模块和备份链路控制模块。工作链路控制模块和备份链路控制模块通过对应的链路MII总线和链路MDIO总线连接所述的对应链路的以太网物理层芯片，从而能够发送对应的工作心跳帧和备份心跳帧，并通过接收对应的备份心跳帧和工作心跳帧的结果，判断工作链路和备份链路的状态。从而实现在不修改千兆以太网物理层芯片的情况下，快速确定以太网链路断开，并控制工作链路和备份链路间的切换，提高网卡冗余切换的响应速度，优化用户的使用体验。且本发明的千兆以太网冗余网卡及其链路切换条件判定结果控制方法，其结构简单，应用成本低廉，应用范围也较为广泛。

附图说明

图1为现有技术中的百兆冗余网卡的结构示意图。

图2为利用现有技术的百兆冗余网卡与千兆冗余网卡中的以太网PHY通过Linkup信号报告链路断开所需时间的对比图。

图3为本发明的千兆以太网冗余网卡的结构示意图。

图4为本发明的千兆以太网冗余网卡切换条件判定结果控制方法中的“工作心跳帧”的帧结构示意图。

图5为本发明的千兆以太网冗余网卡切换条件判定结果控制方法中的“备份心跳帧”的帧结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图3所示，为本发明的千兆以太网冗余网卡的结构示意图。

在一种实施方式中，该千兆以太网冗余网卡包括千兆以太网控制器、工作链路以太网物理层芯片和备份链路以太网物理层芯片。所述的千兆以太网控制器为FPGA千兆以太网控制器或ASIC千兆以太网控制器。该千兆以太网控制器分别通过所述的工作链路以太网物理层芯片和所述的备份链路以太网物理层芯片连接外部的以太网交换机。所述的千兆以太网控制器包括：工作链路控制模块和备份链路控制模块。

工作链路控制模块通过工作链路MII总线和工作链路MDIO总线连接所述的工作链路以太网物理层芯片，用以发送工作心跳帧，并通过接收备份心跳帧的结果，判断工作链路和备份链路的状态。

备份链路控制模块通过备份链路MII总线和备份链路MDIO总线连接所述的备份链路以太网物理层芯片，用以发送所述的备份心跳帧，并通过接收所述的工作心跳帧的结果，判断工作链路和备份链路的状态。

且所述的千兆以太网控制器还包括工作MAC地址单元备份MAC地址单元，所述的工作MAC地址单元连接所述的工作链路控制模块，所述的备份MAC地址单元连接所述的备份链路控制模块。

应用于该实施方式所述的千兆以太网冗余网卡的链路切换条件判定结果控制方法包括以下并行步骤：

（1）处于工作状态的工作链路控制模块，以工作MAC地址为源MAC地址，以备用MAC地址为目的MAC地址，通过工作链路MII总线定时发送工作心跳帧；处于备用状态的备份链路控制模块，以备用MAC地址为源MAC地址，以工作MAC地址为目的MAC地址，通过备份链路MII总线定时发送备份心跳帧；

（2）所述的工作链路控制模块检测接收的备份心跳帧校验结果的错误率是否增加，若是，则设置工作链路初步错误标志，若否，则重复步骤（2）；

（3）所述的备份链路控制模块检测接收的工作心跳帧校验结果的错误率是否增加，若是，则设置备份链路初步错误标志，若否，则重复步骤（3）；

（4）当仅检测到工作链路初步错误标志时，则在规定的时间内判断备份链路是否有错误标志，若是备份链路初步错误标志无效，则设置工作链路高可能性错误标志；

（5）当仅检测到备份链路初步错误标志时，则在规定的时间内判断工作链路是否有错误标志，若是工作链路初步错误标志无效，则设置备份链路高可能性错误标志；

（6）当检测到备份链路初步错误标志且工作链路初步错误标志，则无效需要切换标志，当备份链路高可能性错误，也无效需要切换标志；

（7）当检测到工作链路高可能性错误标志，所述的工作链路控制模块从所述的工作链路以太网物理层芯片获取工作链路状态，在工作链路状态为不稳定状态下，设置工作链路有错误标志，并设置需要切换标志，若工作链路状态保持稳定状态，则进入步骤（8）；

（8）在规定时间内检测工作链路初步错误标志和工作链路高可能性错误标志是否撤消，若未被撤销，则设置需要切换标志，若被撤销，且工作链路状态保持稳定状态，则无效需要切换标志。

在实际应用中，本发明的千兆冗余以太网卡芯片上实现了以太网链控制器（GMAC）A（工作链路控制模块）和以太网链控制器（GMAC）B（备份链路控制模块）；同时实现了工作MAC地址和备用MAC地址。

本发明采取如下方法来动态实时监测链路状态：

1、处于工作状态的以太网控制器GMAC定时通过工作链路发送“工作心跳”帧。如图4，“工作心跳”帧以工作MAC地址为源MAC地址，以备用MAC地址为目的MAC地址。

2、处于备用状态的以太网控制器GMAC定时通过备用链路发送“备用心跳”帧。如图5，“备用心跳”帧以备用MAC地址为源MAC地址，以工作MAC地址为目的MAC地址。

3、以太网控制器GMAC实现CRC出错帧统计功能，以便实时监测链路性能变化。

3-1若处于工作状态的以太网控制器GMAC发现接收到的以太网帧CRC出错概率增加，且能够收到处于备用状态的以太网控制器GMAC发来的“备用心跳”帧，则初步判断是工作链路出现问题，我们称之为判定Work0状态。若在规定的时间内，备用状态的以太网控制器GMAC还能收到滞留在以太网内部的“工作心跳”帧。若超过该规定时间后，备用状态的以太网控制器GMAC不能收到“工作心跳”帧，则可以进一步判定是工作链路出现问题，我们称之为判定Work1状态。此时因为工作链路出问题，导致“工作心跳”帧出错，被交换机或以太网络丢弃。

3-2若处于备用状态的以太网控制器GMAC发现接收到的以太网帧CRC出错概率增加，且能够收到处于工作状态的以太网控制器GMAC发来的“工作心跳”帧，则初步判断是备用链路出现问题，我们称之为判定Backup0状态。若在规定的时间内，工作状态的以太网控制器GMAC还能收到滞留在以太网内部的“备用心跳”帧。若超过该规定时间后，工作状态的以太网控制器GMAC不能收到“备份心跳”帧，则可以进一步判定是备份链路出现问题，我们称之为判定Backup1状态。此时因为备份链路出问题，导致“备份心跳”帧出错，被交换机或以太网络丢弃。

4、当以太网控制器GMAC进入判定Work0状态、判定Work1状态，判定Backup0状态、判定Backup1状态，则启动相应的MDIO总线查询相应以太网PHY的状态寄存器。此时处于链路不稳定状态，以太网PHY虽然不报告链路是否断开，但在相关寄存器中会报告链路电气状态。若在一段时间范围内，以太网PHY状态寄存器连续报告链路不稳定状态。则可以判定该链路将要断开，提出切换需求。

实际应用中，本发明可采用现场可编程门阵列FPGA来实现，也可以开发专用的双冗余以太网卡控制器芯片来实现。同时根据需要，可基于FPGA或专用双冗余以太网卡控制器芯片开发PCI\CPCI或PCIE以太网卡板，也可以将FPGA或专用双冗余以太网卡控制器芯片放置在目标系统应用板上（如系统主板）。

采用现场可编程门阵列FPGA或开发专用的双冗余以太网卡控制器芯片来实现，其工作分为硬件设计和软件设计。

本发明的千兆以太网冗余网卡的工作原理是：

1）工作链路发送工作心跳帧，备份链路发送备份心跳帧。

2）工作链路和备份链路按照同一时钟来分别发送工作心跳帧和备份心跳帧。

3）工作心跳帧经过以太网延时（数毫秒）后，到达备份链路。备份心跳帧经过以太网延时（数毫秒）后，到达工作链路。即在时刻T0，工作链路已经发送了10000个工作心跳帧，此时，备份链路只是接收到了9900个工作心跳帧，还有100个工作心跳帧还在路上。同样在时刻T0，备份链路已经发送了10000个备份心跳帧，此时，工作链路只是接收到了9900个备份心跳帧，还有100个备份心跳帧还在路上。

4）若工作链路出错，则工作链路首先检测到接收的备份心跳帧出错或接收不到备份心跳帧。即此时T0时刻，工作链路只收能到9900个备份心跳帧。而在T0+若干毫秒（规定的时间）后，备份链路仍然能接收到在以太网上存在的工作心跳帧，即10000个工作心跳帧。

5）比较二者的差值，我们便可以初步判断工作链路出错。此时再通过读取工作链路PHY上的状态寄存器来证实工作链路不稳定，若不稳定，则判断工作链路出错。

否则延时规定时间（若干毫秒）进行等待，在工作链路上看能否收到正确的备份心跳帧，同时读取工作链路PHY上的状态寄存器来证实工作链路不稳定。若能重新收到备份心跳帧，则说明工作链路状态恢复。若等待时间超过门限时间（数十毫秒），则不管PHY上的状态寄存器的状态值，直接判断工作链路出错。

6）是否需要切换到备份链路，还需要看备份链路的状态

利用本发明提供的方法能准确地判断链路将要断开。根据以太网IEEE千兆以太网的规范，在百米5类电缆传输千兆信号的情况下，出错率为10亿分之一。理论推算，准确率大于99.999999%，误判率小于0.000001%。10亿分之一的位出错概率不会在数毫秒范围内影响本发明的“心跳”帧CRC出错概率。

本发明采用“心跳”帧的方式，虽然一定程度上增加了以太网的通信负担。但对于千兆以太网来说，数毫秒发一个64字节的“心跳”帧对千兆以太网的带宽来说是非常小的一个负担。64字节“心跳”帧只需要640ns的千兆以太网的带宽时间，以1毫秒发一个“心跳”帧来计算，约仅占2000分之一的以太网带宽。

目前，本发明在基于FPGA的CPCI/PCI、PCIE冗余网卡；以及冗余网卡控制器芯片82545，和基于82545开发了CPCI和PCI冗余网卡都能完全满足冗余切换需求。

采用了该发明的千兆以太网冗余网卡及其链路切换条件判定结果控制方法，该千兆以太网冗余网卡包括千兆以太网控制器、工作链路以太网物理层芯片和备份链路以太网物理层芯片，所述的千兆以太网控制器包括：工作链路控制模块和备份链路控制模块。工作链路控制模块和备份链路控制模块通过对应的链路MII总线和链路MDIO总线连接所述的对应链路的以太网物理层芯片，从而能够发送对应的工作心跳帧和备份心跳帧，并通过接收对应的备份心跳帧和工作心跳帧的结果，判断工作链路和备份链路的状态。从而实现在不修改千兆以太网物理层芯片的情况下，快速确定以太网链路断开，并控制工作链路和备份链路间的切换，提高网卡冗余切换的响应速度，优化用户的使用体验。且本发明的千兆以太网冗余网卡及其链路切换条件判定结果控制方法，其结构简单，应用成本低廉，应用范围也较为广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1.一种千兆以太网冗余网卡，所述的网卡包括千兆以太网控制器、工作链路以太网物理层芯片和备份链路以太网物理层芯片，该千兆以太网控制器分别通过所述的工作链路以太网物理层芯片和所述的备份链路以太网物理层芯片连接外部的以太网交换机，其特征在于，所述的千兆以太网控制器包括：

工作链路控制模块，通过工作链路MII总线和工作链路MDIO总线连接所述的工作链路以太网物理层芯片，用以发送工作心跳帧，并通过接收备份心跳帧的结果，判断工作链路和备份链路的状态；

备份链路控制模块，通过备份链路MII总线和备份链路MDIO总线连接所述的备份链路以太网物理层芯片，用以发送所述的备份心跳帧，并通过接收所述的工作心跳帧的结果，判断工作链路和备份链路的状态。

2.根据权利要求1所述的千兆以太网冗余网卡，其特征在于，所述的千兆以太网控制器还包括工作MAC地址单元和备份MAC地址单元，所述的工作MAC地址单元连接所述的工作链路控制模块，所述的备份MAC地址单元连接所述的备份链路控制模块。

3.根据权利要求1所述的千兆以太网冗余网卡，其特征在于，所述的工作链路以太网物理层芯片和所述的备份链路以太网物理层芯片均具有状态寄存器，用以存储对应链路的电气状态信息。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的千兆以太网冗余网卡，其特征在于，所述的千兆以太网控制器为FPGA千兆以太网控制器或ASIC千兆以太网控制器。

5.一种应用于权利要求1所述的千兆以太网冗余网卡的链路切换条件判定结果控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下并行步骤：

（1）处于工作状态的工作链路控制模块，以工作MAC地址为源MAC地址，以备用MAC地址为目的MAC地址，通过工作链路MII总线定时发送工作心跳帧；处于备用状态的备份链路控制模块，以备用MAC地址为源MAC地址，以工作MAC地址为目的MAC地址，通过备份链路MII总线定时发送备份心跳帧；

（2）所述的工作链路控制模块检测接收的备份心跳帧校验结果的错误率是否增加，若是，则设置工作链路初步错误标志，若否，则重复步骤（2）；

（3）所述的备份链路控制模块检测接收的工作心跳帧校验结果的错误率是否增加，若是，则设置备份链路初步错误标志，若否，则重复步骤（3）；

（4）当仅检测到工作链路初步错误标志时，则在规定的时间内判断备份链路是否有错误标志，若是备份链路初步错误标志无效，则设置工作链路高可能性错误标志；

（5）当仅检测到备份链路初步错误标志时，则在规定的时间内判断工作链路是否有错误标志，若是工作链路初步错误标志无效，则设置备份链路高可能性错误标志；

（6）当检测到备份链路初步错误标志且工作链路初步错误标志，则无效需要切换标志，当备份链路高可能性错误，也无效需要切换标志；

（7）当检测到工作链路高可能性错误标志，所述的工作链路控制模块从所述的工作链路以太网物理层芯片获取工作链路状态，在工作链路状态为不稳定状态下，设置工作链路有错误标志，并设置需要切换标志，若工作链路状态保持稳定状态，则进入步骤（8）；

（8）在规定时间内检测工作链路初步错误标志和工作链路高可能性错误标志是否撤消，若未被撤销，则设置需要切换标志，若被撤销，且工作链路状态保持稳定状态，则无效需要切换标志。

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