CN103139018B - 一种调变一体化系统下的网卡状态监测与tcp通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调变一体化系统下的网卡状态监测与TCP通信方法，通过在调度与变电站一体化系统的各个节点上部署网卡监测程序，接收其他节点发送的组播报文，实现对系统内其他节点上网卡状态的实时监测，同时通过使用高效算法从共享内存中获取监测到的对端节点的网卡状态，实现高效、安全和可靠的TCP通信。
Description
技术领域
本发明属电力系统信息技术领域，涉及到一种调变一体化系统下的网卡状态监测与TCP通信方法。
背景技术
在调度自动化系统中，为提供网络通信的可靠性，服务器节点上一般安装2块网卡，连接2台交换机且2台交换机级联。当网卡或通信线路连接出现故障，发生通信异常时，通过网卡切换算法节点能主动切换TCP通信到备份网卡进行通信。目前常用的算法分为两类：一类是在操作系统层面实现的“网卡聚合”技术，如IBM AIX上的EtherChannel，HP-UX上的APA，COMPAQ ALPHA上的NetRain，SUN Solaris上的MultiPathing以及Windows上的NICExpress等，这些操作系统实现的算法配置各不相同，在TCP通信速度、丢包情况等方面也都不相同，且每种方法只适用于一种操作系统，在各种操作系统上不具有通用性；另一类是在应用层面实现的双网热备冗余方法，其特点在于实现方便、部署简单、通用性好、可靠性高，但其网卡状态监测需要通过向网络上的交换机发送ICMP报文，并接收应答报文来实现判断网络通断的情况，因此在无法得知交换机IP地址的情况下该方法无法使用。
在变电站自动化系统中，变电站层一般采用双网不级联的网络结构，即每个节点上的两块网卡分别连接到2台交换机上，在2台交换机之间不连接级联线。目前国内外厂家主要采用双网冗余传送的方式，在双网不级联的网络结构传输数据。具体而言，一份数据在双网上同时发送，其它节点接收双网数据后，需要先与缓存的已处理数据进行比较，如果缓存中没有则继续处理，否则将其丢弃。该方式不但消耗接收节点的CPU资源和缓冲区空间，而且增加了数据处理时间，影响数据实时性，同时该方式适合于UDP报文数据的发送，对于可靠的TCP通信并不适用。
综上所述，调度自动化系统和变电站自动化系统有各自不同的双网架构，而为了让调度自动化和变电站自动化更好的结合在一起调度与变电站一体化系统已成为今后发展的趋势，因此如何能够在满足两者网络架构需求的前提下，进行TCP的可靠、安全通信是需要解决的重要问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种能够同时满足调度自动化系统与变电站自动化系统网络需要的网卡状态监测与TCP通信方法。
为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：
一种调变一体化系统下的网卡状态监测与TCP通信方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)为调度与变电站一体化系统封装统一的TCP通信接口模块，实现在双网级联与双网不级联两种网络架构下的TCP高效、安全、可靠通信；
2)在每个节点上部署网卡监测程序，实现对网络中所有节点两块网卡状态的监测功能，该网卡监测程序能够满足对调度与变电站一体化系统所具有的双网级联与双网不级联两种网络架构的节点网卡监测；
3)创建程序内存与共享内存同时记录网卡状态，将频繁的状态更新操作在程序内存中完成，共享内存中只进行定时的更新，从而提高系统获取共享内存中数据的性能；
4)设计共享内存调度算法，实现以不加任何互斥锁的方式从共享内存中获取网卡状态信息，从而进一步提高系统获取共享内存中数据的性能；
5)节点的两块网卡分别对外发送UDP组播报文，报文内容包括系统名、节点名和节点IP地址，在接收时需要验证系统名，以避免不同系统之间的相互干扰。
6)在数据传输的过程中，TCP通信模块会实时获取共享内存中对端网卡的网卡状态，一旦网卡状态变为断网，则认为通信中断，保证通信的实效性；
7)对于共享内存中没有记录的节点，认为该节点非本系统内节点，将不会进行通信，从而保证整个系统的安全访问。
前述的一种调变一体化系统下的网卡状态监测与TCP通信方法,其特征在于:在所述步骤4)中,所述共享内存调度算法包括设定共享内存的结构和共享内存的读取、写入规则，其中共享内存的结构为，共享内存中的第一行仅存储有效记录个数，从第二行开始存储各节点的网卡状态信息，从先到后依次存储节点名、网卡个数、1号网卡名、2号网卡名、1号IP地址、2号IP地址、1号网卡状态以及2号网卡状态。
前述的一种调变一体化系统下的网卡状态监测与TCP通信方法，其特征在于：在所述步骤4)中,所述共享内存调度算法包括设定共享内存的结构和共享内存的读取、写入规则，其中共享内存的读取、写入规则为：在读取记录时，先读取总记录个数，再读具体记录数据，读取每条记录数据时，先读取网卡个数，再读每块网卡名、IP地址和网卡状态。其中节点名、网卡名、IP地址在写入之后允许发生变化，因此读取时不需要加互斥锁；网卡个数和网卡状态可能会改变，但根据其数据类型特点读取时也不要加互斥锁。对于写入记录，规则要求共享内存中记录数和网卡个数只能增加，不能删除，当增加记录时需要加互斥锁（增加记录允许并发），增加记录时需先在共享内存中存放具体记录数据，然后将总记录个数加1。通过共享内存调度算法的设计，对于最频繁的读取和更新网卡状态操作可以不需要加互斥锁，从而保证了系统的实时性。
前述的一种调变一体化系统下的网卡状态监测与TCP通信方法，其特征在于：在所述步骤6)中,所述TCP通信模块实时获取共享内存中对端网卡的网卡状态方法为，将TCP的睡眠等待方式改为半睡眠半轮询的方式，具体为睡眠等待一设定时间如600毫秒后从共享内存中读取一次网卡状态，如果网卡状态为正常则继续睡眠等待一设定时间如600毫秒，如此循环直到等待结束，如果网卡状态为断网则中断通信，保证通信的实效性。
支持系统内节点的动态增加，方便系统的维护与升级，新增加的节点不会影响正在工作的其他系统内节点，也不需要修改任何其他节点的配置文件。调度与变电站一体化系统内节点的动态增加过程为：当系统中有新的节点需要加入时，新增节点向两个网络上发送组播报文，当其他节点收到新增节点的组播报文时自动将新节点加入到本机的共享内存中，并实时更新该节点的网卡状态。
本发明所达到的有益效果：
本发明为调度与变电站一体化系统所具有的双网级联和双网无级联两中网络架构，提供了一种网卡状态监测的方法，通过在调度与变电站一体化系统的各个节点上部署网卡监测程序，接收其他节点发送的组播报文，实现对系统内其他节点上网卡状态的实时监测，同时通过使用高效算法从共享内存中获取监测到的对端节点的网卡状态，同时为调度与变电站一体化系统提供了一套高效、安全、可靠的TCP通信方法。
附图说明
图1为本发明的调度与变电站一体化系统网络架构示意图。
图2为本发明的网卡监测程序工作流程图。
图3为本发明的共享内存数据结构图。
图4为本发明的数据流程示意图。
具体实施方式
下面是本发明的一个优选实施例，包括了采用本发明的方法实现的一个具体的调度与变电站一体化系统网络架构下的网卡状态监测与TCP通信的过程。调度与变电站一体化系统网络架构如图1所示，包括双网级联网络架构和双网无级联网络架构。双网级联网络架构需要为网络上的服务器节点配置2块网卡，连接2台交换机且2台交换机之间使用网线级联。双网无级联网络架构是在双网级联网络架构下去除2台交换机之间的级联线。
本发明需要在每台服务器节点上启动一个网卡监测程序，该程序的工作流程如图2所示。网卡监测程序首先从配置文件中获取系统内所有节点的名称和IP地址，根据所有节点的名称和IP地址建立如图3所示的程序内存和共享内存空间。内存中的第一行仅存储有效记录个数，从第二行开始存储各节点的网卡状态信息，从先到后依次存储节点名、网卡个数、1号网卡名、2号网卡名、1号IP地址、2号IP地址、1号网卡状态以及2号网卡状态。完成共享内存的创建后，程序将会启动发送组播过程与接收组播过程。在发送组播过程中需要获取本机网卡信息并检查本地网卡状态，在网卡状态正常的情况下，分别使用本节点的两块网卡对外发送UDP组播报文，报文内容包括系统名、节点名和节点IP地址，在两次发送完成后将会等待200毫秒再进行重新发送。接收组播过程负责接收其他节点发来的UDP组播报文，解析其中的系统名、节点名和节点IP地址，并过滤掉不是本系统的报文，记录接收到的系统中其他节点发送的报文时间。网卡监测程序还需要每500毫秒更新一次共享内存中的节点网卡状态信息，再更新时检查程序内存中记录的接收其他节点的报文时间，如果该时间与更新时间相比超过了600毫秒（即丢失了2-3次UDP组播报文），则判断对方该网卡状态为断网。
网卡监测程序能够根据网络实际状态实时更新本节点共享内存中的各个其他节点的网卡状态，如图4所示，在本发明提出的TCP通信模块中，将使用共享内存中的信息，并为上层应用程序提供一套在调度与变电站一体化系统网络架构下的可靠TCP通信接口。在TCP通信模块中创建TCP链路之前，会从共享内存中读取对端节点两块网卡的网卡状态，并与网卡状态正常的一块网卡建立TCP连接。在数据传输的过程中，TCP通信模块会实时获取共享内存中对端网卡的网卡状态，一旦网卡状态变为断网，则认为通信中断，保证通信的实效性。在从共享内存获取对端节点网卡状态的过程中，如果没有发现对端节点的记录，则认为该节点非本系统内节点，模块将会主机拒绝建立链路与中断通信，从而保证整个系统的安全访问。
本发明支持节点的动态加入，当系统中有新的节点需要加入时，不需要停止系统内其他已经存在的节点的工作，也不需要修改其他节点上的配置文件。新增节点将会向两个网络上发送组播报文，当其他节点收到新增节点的组播报文时会自动将新节点加入到本机的共享内存中，并实时更新该节点的网卡状态。
以上仅以最佳实施例对本发明做进一步的说明,然其并非对本发明的限定,本发明的保护范围以表示在权利要求的内容为准。
Claims (5)
1. 一种调变一体化系统下的网卡状态监测与TCP通信方法，其特征在于：包括下列步骤：
1) 为调度与变电站一体化系统封装统一的TCP通信模块，调度与变电站一体化系统中包含双网级联与双网不级联两种网络架构；
2)在每个节点上部署网卡监测程序，对网络中所有节点处两块网卡状态进行监测，该网卡监测程序同时对双网级联与双网不级联两种网络架构的节点网卡监测；
3)创建程序内存与共享内存，同时记录网卡状态，共享内存中定时进行更新；
4)采用共享内存调度算法，以不加任何互斥锁的方式从共享内存中获取网卡状态信息；
5)节点的两块网卡分别对外发送UDP组播报文，报文内容包括系统名、节点名和节点IP地址，在接收时验证系统名，接收其他节点发来的UDP组播报文，解析其中的系统名、节点名和节点IP地址，并过滤掉不是本系统的报文；
6)在数据传输的过程中，TCP通信模块实时获取共享内存中对端节点网卡的网卡状态，网卡状态变为断网时，则中断通信；
7)对于共享内存中没有记录的节点，认定为该节点非本系统内节点，拒绝进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种调变一体化系统下的网卡状态监测与TCP通信方法，其特征在于：在所述步骤4)中,所述共享内存调度算法包括设定共享内存的结构和共享内存的读取、写入规则，其中共享内存结构为，共享内存中的第一行存储有效记录个数，从第二行开始存储各节点的网卡状态信息，从先到后依次存储节点名、网卡个数、1号网卡名、2号网卡名、1号IP地址、2号IP地址、1号网卡状态以及2号网卡状态。
3.根据权利要求1所述的一种调变一体化系统下的网卡状态监测与TCP通信方法，其特征在于：在所述步骤4)中，所述共享内存调度算法包括设定共享内存的结构和共享内存的读取、写入规则，其中共享内存的读取、写入规则为：对于读取和更新网卡状态操作不加互斥锁，同时支持动态的增加记录个数。
4.根据权利要求1所述的一种调变一体化系统下的网卡状态监测与TCP通信方法，其特征在于：在所述步骤6)中，所述TCP通信模块实时获取共享内存中对端网卡的网卡状态的方法为，将TCP的睡眠等待方式设置为半睡眠半轮询的方式，调度算法每睡眠等待一设定时间后从共享内存中获取一次网卡状态，如果网卡状态为正常则继续睡眠等待，如此循环直到等待结束，如果网卡状态为断网则中断通信。
5.根据权利要求1所述的一种调变一体化系统下的网卡状态监测与TCP通信方法，其特征在于：调度与变电站一体化系统内节点的动态增加过程为：当系统中有新的节点需要加入时，新增节点向两个网络上发送组播报文，当其他节点收到新增节点的组播报文时自动将新节点加入到本机的共享内存中，并实时更新该节点的网卡状态。
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