CN108173756A - 一种双冗余以太网mac状态健康管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双冗余以太网MAC状态健康管理系统，包括两个MAC单元、MAC寄存器、错误状态检测模块、MAC端口切换模块和总线接口模块；每个MAC单元包括数据发送模块、数据接收模块、发送缓冲器、接收缓冲器、中断状态队列和MII/GMII管理单元；MAC端口切换模块和MAC寄存器连接总线接口模块，MAC端口切换模块连接错误状态检测模块和两个MAC单元的中断状态队列、MII/GMII管理单元；每个MAC单元中，发送缓冲器连接中断状态队列和数据发送模块，接收缓冲器连接中断状态队列和数据接收模块；MII/GMII管理单元连接MII/GMII管理层数据；MAC寄存器连接错误状态检测模块和两个MAC单元的数据发送模块、数据接收模块。

Description

一种双冗余以太网MAC状态健康管理方法

技术领域

本发明属于以太网健康管理技术领域，涉及一种双冗余以太网MAC状态健康管理方法。

背景技术

以太网具有传输速度快、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，并支持几乎所有流行的网络协议，多年来被广泛应用。在很多工业应用中，要求网络具有零故障恢复时间，现在普遍使用网络冗余来增加网络的可靠性。

目前采用的双冗余网卡多是由驱动程序控制双冗余MAC切换数据通道，即软件模式。但由于软件模式需要CPU相应MAC发出的中断，并在中断服务程序中判断中断类型，再通过MAC处理响应切换数据传输通道，整个过程将占用较多的CPU时间。当CPU采用查询方式或正处于优先级更高的终端服务程序中时，将等待更长时间才能完成数据传输通道的切换，所等待的负载时间与CPU的负载有关，因而丢失数据帧的数量是不可估计的。因此，软件模式并不能实际达到真正意义上的零故障恢复。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种双冗余以太网MAC状态健康管理方法，实现切换数据通道功能，同时主处理器完成对整个系统的状态监测、健康评估、故障诊断、故障预测及告警功能，达到对双冗余网络系统的MAC工作状态的健康管理。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种双冗余以太网MAC状态健康管理系统，其包括两个MAC单元、MAC寄存器、错误状态检测模块、MAC端口切换模块和总线接口模块；每个MAC单元包括数据发送模块、数据接收模块、发送缓冲器、接收缓冲器、中断状态队列和MII/GMII管理单元；MAC端口切换模块和MAC寄存器连接总线接口模块，MAC端口切换模块连接错误状态检测模块和两个MAC单元的中断状态队列、MII/GMII管理单元；每个MAC单元中，发送缓冲器连接中断状态队列和数据发送模块，通过数据发送模块发送数据，接收缓冲器连接中断状态队列和数据接收模块，由数据接收模块接收数据并传送至接收缓冲器；MII/GMII管理单元连接MII/GMII管理层数据，用于控制MAC与外部PHY之间的接口，用于对PHY进行配置并读取其状态信息；MAC寄存器连接错误状态检测模块和两个MAC单元的数据发送模块、数据接收模块，用于存储MAC单元的各个状态属性，随着系统的工作状态进行改变。

其中，所述数据发送模块对待发送的数据添加发送帧头和帧起始定界符，并确定是否在数据之后加填充位；同时，数据发送模块响应发送过程中的各种异常情况，并且在发送结束后将此帧的发送状态报告给上层。

其中，所述数据接收模块在接收数据时，进行拆帧、目的地址过滤、数据长度检查、CRC校验、接收过滤。

其中，所述发送缓冲器包括接收SRAM和异步FIFO，接收缓冲器包括接收SRAM和异步FIFO；发送、接收缓冲器用来存放待发送和待接收的数据，使得上位机向MAC写入或读出数据帧的速率与MAC同PHY之间传输数据帧的速率相匹配。

其中，所述中断状态队列通过总线接口为上位机提供中断及中断信息报告，包括MII管理层读中断、MII管理层写中断、接收中断、发送中断和缓冲中断；当中断触发时，中断类型及状态被存储到中断状态队列中，同时使中断信号变为有效。

其中，所述错误状态检测模块用于对系统的错误状态进行实时检测，若检测到某路通道出现错误，立即将数据传输通道切换至另一路，实现两个MAC单元的切换。

本发明还提供一种双冗余以太网MAC状态健康管理方法，其包括以下步骤：

数据采集和传输：处理器通过PCIE总线实时读取MAC寄存器数据，当错误状态检测模块检测到链路出现故障或问题时，立即读取MAC寄存器，为下一步故障分析提供原始数据；

数据处理：对处理器读取到的二进制数据进行数据还原与处理；

状态监测：处理器根据采集的MAC寄存器数据，同预定的失效判据进行比较来监测系统当前的状态并且根据预定的参数指标阈值来提供故障报警能力，对故障进行初步判定，故障定位；

健康评估：根据初步定位的故障，对其进行故障检测，通过计算故障检测率、单点故障检测率、平均故障检测时间、最大故障检测时间及虚警率对系统进行健康评估；

故障诊断：根据状态检测的故障定位及健康评估结果，确定系统是否降级；如果系统的监控状态降级，则产生诊断信息，提示可能发生的故障，产生故障诊断记录并确定故障的可能性；

故障预测：综合前面各级的数据信息，评估和预测管理系统未来的健康状态，如果检测到任何部件有性能降级的情况，处理器隔离该故障，根据初步设定的模块更换时间来预计失效时间，并计划需要完成的必要的管理工作；

提出建议：接收来自状态监测、健康评估和故障预测的数据，产生更换、维修对应的实施建议并显示告警。

其中，所述健康评估步骤中，

故障检测率为规定的方法正确检测到的故障数与被测单元发送的故障总数之比，用百分比表示，其数学模型为：

其中N_T为故障总数，N_D为正确检测到的故障数；

单点故障检测率为规定的方法正确检测到的次数与该故障发送次数之比，用百分比表示，其数学模型为：

其中为第i种故障被正确检测到的次数；N_i为第i种故障的发生次数；

平均故障检测时间是指当故障发生后，检测并指示该故障所需时间的平均值，其数学模型为：

其中t_Di为检测并指示第i个故障所需时间，N_D为正确检测到的故障数；

虚警率指发送的虚警数与同一时间内的故障指示总数之比，用百分比表示，其数学模型为：

其中N_FA为虚警次数，N_F为真实故障指示次数，N为报警总次数。

其中，所述故障预测步骤中，基于综合评判模型进行预测，首先列出所有可能发生故障的影响因素集，记为U＝{u₁,u₂,…,u_n}，所有故障点的集合记为V＝{v₁,v₂,…,v_m}，U和V之间对应着模糊隶属度矩阵：

式中，R是U到V的模糊关系，r_ij为经过模糊推理得到的故障因素u_i与故障点v_i之间的模糊隶属度，也就是第i种故障因素导致第j个故障点故障的置信度。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的双冗余以太网MAC状态健康管理方法，含两路MAC，一路MAC正常工作时，另一路MAC处于热备份状态，当链路故障时，自动切换传输通道，切换时间小于1ms；支持异常检测、故障程度分析、相应发生器、错误上报等健康管理功能。

附图说明

图1双冗余以太网数据收发系统框图。

图2双冗余以太网MAC状态健康管理系统结构框图。

图3MAC健康管理流程框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明的介质访问控制(MAC)是以太网IEEE802.3协议规定的数据链路层的子层，提供介质访问控制方式有关的协议，在以太网中使用载波侦听多路访问和冲突检测(CSMA/CD)机制。发送数据时，将从逻辑链路控制层(LLC)接收的数据组装成带MAC地址和差错校验字段的数据帧；接收数据时对物理层比特流拆帧，并完成地址识别和差错校验。

结合图1，双端口以太网控制器由两个MAC单元和两个物理层收发器(PHY)组成，可通过PCIE总线与主机相连，与网络变压器、RJ45接口可构成完整的网络数据收发系统，只需通过网线将其连接到以太网中，就可使该系统完成以太网中的一个节点，主机可以通过MAC单元和PHY来发送和接收网络中的数据包，系统包含两路以太网数据传输通道，当一路通道出现错误时，可迅速切换到另一路通道。

结合图2，本发明为一种双冗余以太网MAC状态健康管理系统，包括两个MAC单元、MAC寄存器、错误状态检测模块、MAC端口切换模块和总线接口模块；每个MAC单元包括数据发送模块、数据接收模块、发送缓冲器、接收缓冲器、中断状态队列和MII/GMII管理单元；MAC端口切换模块和MAC寄存器连接总线接口模块，MAC端口切换模块连接错误状态检测模块和两个MAC单元的中断状态队列、MII/GMII管理单元；每个MAC单元中，发送缓冲器连接中断状态队列和数据发送模块，通过数据发送模块发送数据，接收缓冲器连接中断状态队列和数据接收模块，由数据接收模块接收数据并传送至接收缓冲器；MII/GMII管理单元连接MII/GMII管理层数据，用于控制MAC与外部PHY之间的接口，用于对PHY进行配置并读取其状态信息；MAC寄存器连接错误状态检测模块和两个MAC单元的数据发送模块、数据接收模块，用于存储MAC单元的各个状态属性，随着系统的工作状态进行改变。

数据发送模块会在逻辑链路层提供的数据基础上构造数据帧，即在数据之前加上发送帧头Preamble和帧起始定界符SFD，并决定是否在数据之后加Pad(填充位)，同时还负责CRC的产生、等待网络空闲以及冲突处理等任务。同时，该模块会响应发送过程中的各种异常情况，并且在发送结束后将此帧的发送状态报告给上层。另外，发送过程中发生某些错误时，数据发送模块会通过设定的信号将错误告知物理层(PHY)。

当一帧数据到来时，首先被站点的物理层检测到并解码转换成二进制数据，然后传递给MAC单元，由数据接收模块负责介质访问控制机制中与接收相关的功能，主要包括拆帧、目的地址过滤、数据长度检查、CRC校验、接收过滤等。

发送缓冲器包括接收SRAM和异步FIFO，接收缓冲器包括接收SRAM和异步FIFO。发送、接收缓冲器起到速率匹配的作用，用来存放待发送和待接收的数据，使得上位机向MAC写入或读出数据帧的速率与MAC同PHY之间传输数据帧的速率相匹配。

中断状态队列通过总线接口为上位机提供中断及中断信息报告，包括MII管理层读中断、MII管理层写中断、接收中断、发送中断和缓冲中断。当中断触发时，中断类型及状态就会被存储到中断状态队列中，同时使中断信号(INTR)变为有效。当上位机处理中断时，需首先读取中断类型寄存器(MAC寄存器中)并根据中断类型进行不同的处理。

错误状态检测模块负责对系统的错误状态进行实时检测，若检测到某路通道出现错误，立即将数据传输通道切换至另一路，由于另一路MAC的接收数据缓冲区中存有有效数据，因此可最大程度减小数据切换多需的时间。

结合图3，本方案的健康管理方法分为数据采集和传输、数据处理、状态检测、健康评估、故障诊断、故障预测及提出建议等步骤，主要由处理器完成。

数据采集和传输：处理器可通过PCIE总线实时读取MAC寄存器数据，当错误状态检测模块检测到链路出现故障或问题时，立即读取MAC寄存器，为下一步故障分析提供原始数据。

数据处理：由于处理器读取到的数据为二进制数据，需要对其进行数据还原与处理，方可进行下一步操作。

状态监测：处理器根据采集的寄存器数据，同预定的失效判据进行比较来监测系统当前的状态并且可根据预定的各种参数指标阈值来提供故障报警能力，对故障进行初步判定，故障定位。

健康评估：根据初步定位的故障，对其进行故障检测，通过计算故障检测率、单点故障检测率、平均故障检测时间、最大故障检测时间及虚警率对系统进行健康评估。

故障检测率为规定的方法正确检测到的故障数与被测单元发送的故障总数之比，用百分比表示，其数学模型为：

其中N_T为故障总数，N_D为正确检测到的故障数。

单点故障检测率为规定的方法正确检测到的次数与该故障发送次数之比，用百分比表示，其数学模型为：

其中为第i种故障被正确检测到的次数；N_i为第i种故障的发生次数。

平均故障检测时间是指当故障发生后，检测并指示该故障所需时间的平均值。其数学模型为：

其中t_Di为检测并指示第i个故障所需时间，N_D为正确检测到的故障数。

虚警率指发送的虚警数与同一时间内的故障指示总数之比，用百分比表示，其数学模型为：

其中N_FA为虚警次数，N_F为真实故障指示次数，N为报警总次数。

故障诊断：根据状态检测的故障定位及健康评估结果，确定系统是否降级。如果系统的监控状态降级了，产生诊断信息，提示可能发生的故障，产生故障诊断记录并确定故障的可能性。

故障预测：综合前面各级的数据信息，评估和预测管理系统未来的健康状态，如果检测到任何部件有性能降级的情况，处理器隔离该故障，根据初步设定的模块更换时间来预计失效时间，并计划需要完成的必要的管理工作。该部分基于综合评判模型进行预测，首先列出所有可能发生故障的影响因素集，记为U＝{u₁,u₂,…,u_n}。所有故障点的集合记为V＝{v₁,v₂,…,v_m}，U和V之间对应着模糊隶属度矩阵：

式中，R是U到V的模糊关系，r_ij为经过模糊推理得到的故障因素u_i与故障点v_i之间的模糊隶属度，也就是第i种故障因素导致第j个故障点故障的置信度。

提出建议：接收来自状态监测、健康评估和故障预测部分的数据，产生更换、维修等实施建议并显示告警。

由于本发明采取了基于FPGA的硬件模式切换MAC通道，双网切换时间可控制在1ms之内。本发明的板卡可对外提供双冗余的10Mbps/100Mbps/1000Mbps数据传输速率自协商端口，支持流量控制、支持异常检测、故障程度分析、相应发生器、错误上报等健康管理功能，大大提高了系统的实时性和可靠性，同时支持异常预测，极大地保障了系统的正常运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双冗余以太网MAC状态健康管理系统，其特征在于，包括两个MAC单元、MAC寄存器、错误状态检测模块、MAC端口切换模块和总线接口模块；每个MAC单元包括数据发送模块、数据接收模块、发送缓冲器、接收缓冲器、中断状态队列和MII/GMII管理单元；MAC端口切换模块和MAC寄存器连接总线接口模块，MAC端口切换模块连接错误状态检测模块和两个MAC单元的中断状态队列、MII/GMII管理单元；每个MAC单元中，发送缓冲器连接中断状态队列和数据发送模块，通过数据发送模块发送数据，接收缓冲器连接中断状态队列和数据接收模块，由数据接收模块接收数据并传送至接收缓冲器；MII/GMII管理单元连接MII/GMII管理层数据，用于控制MAC与外部PHY之间的接口，用于对PHY进行配置并读取其状态信息；MAC寄存器连接错误状态检测模块和两个MAC单元的数据发送模块、数据接收模块，用于存储MAC单元的各个状态属性，随着系统的工作状态进行改变。

2.如权利要求1所述的双冗余以太网MAC状态健康管理系统，其特征在于，所述数据发送模块对待发送的数据添加发送帧头和帧起始定界符，并确定是否在数据之后加填充位；同时，数据发送模块响应发送过程中的各种异常情况，并且在发送结束后将此帧的发送状态报告给上层。

3.如权利要求2所述的双冗余以太网MAC状态健康管理系统，其特征在于，所述数据接收模块在接收数据时，进行拆帧、目的地址过滤、数据长度检查、CRC校验、接收过滤。

4.如权利要求3所述的双冗余以太网MAC状态健康管理系统，其特征在于，所述发送缓冲器包括接收SRAM和异步FIFO，接收缓冲器包括接收SRAM和异步FIFO；发送、接收缓冲器用来存放待发送和待接收的数据，使得上位机向MAC写入或读出数据帧的速率与MAC同PHY之间传输数据帧的速率相匹配。

5.如权利要求4所述的双冗余以太网MAC状态健康管理系统，其特征在于，所述中断状态队列通过总线接口为上位机提供中断及中断信息报告，包括MII管理层读中断、MII管理层写中断、接收中断、发送中断和缓冲中断；当中断触发时，中断类型及状态被存储到中断状态队列中，同时使中断信号变为有效。

6.如权利要求5所述的双冗余以太网MAC状态健康管理系统，其特征在于，所述错误状态检测模块用于对系统的错误状态进行实时检测，若检测到某路通道出现错误，立即将数据传输通道切换至另一路，实现两个MAC单元的切换。

7.一种双冗余以太网MAC状态健康管理方法，其特征在于，该方法基于权利要求6所述的管理系统进行，其包括以下步骤：

数据采集和传输：处理器通过PCIE总线实时读取MAC寄存器数据，当错误状态检测模块检测到链路出现故障或问题时，立即读取MAC寄存器，为下一步故障分析提供原始数据；

数据处理：对处理器读取到的二进制数据进行数据还原与处理；

状态监测：处理器根据采集的MAC寄存器数据，同预定的失效判据进行比较来监测系统当前的状态并且根据预定的参数指标阈值来提供故障报警能力，对故障进行初步判定，故障定位；

健康评估：根据初步定位的故障，对其进行故障检测，通过计算故障检测率、单点故障检测率、平均故障检测时间、最大故障检测时间及虚警率对系统进行健康评估；

故障诊断：根据状态检测的故障定位及健康评估结果，确定系统是否降级；如果系统的监控状态降级，则产生诊断信息，提示可能发生的故障，产生故障诊断记录并确定故障的可能性；

故障预测：综合前面各级的数据信息，评估和预测管理系统未来的健康状态，如果检测到任何部件有性能降级的情况，处理器隔离该故障，根据初步设定的模块更换时间来预计失效时间，并计划需要完成的必要的管理工作；

提出建议：接收来自状态监测、健康评估和故障预测的数据，产生更换、维修对应的实施建议并显示告警。

8.如权利要求7所述的双冗余以太网MAC状态健康管理系统，其特征在于，所述健康评估步骤中，

故障检测率为规定的方法正确检测到的故障数与被测单元发送的故障总数之比，用百分比表示，其数学模型为：

其中N_T为故障总数，N_D为正确检测到的故障数；

单点故障检测率为规定的方法正确检测到的次数与该故障发送次数之比，用百分比表示，其数学模型为：

其中为第i种故障被正确检测到的次数；N_i为第i种故障的发生次数；

平均故障检测时间是指当故障发生后，检测并指示该故障所需时间的平均值，其数学模型为：

其中t_Di为检测并指示第i个故障所需时间，N_D为正确检测到的故障数；

虚警率指发送的虚警数与同一时间内的故障指示总数之比，用百分比表示，其数学模型为：

其中N_FA为虚警次数，N_F为真实故障指示次数，N为报警总次数。

9.如权利要求8所述的双冗余以太网MAC状态健康管理系统，其特征在于，所述故障预测步骤中，基于综合评判模型进行预测，首先列出所有可能发生故障的影响因素集，记为U＝{u₁,u₂,…,u_n}，所有故障点的集合记为V＝{v₁,v₂,…,v_m}，U和V之间对应着模糊隶属度矩阵：

式中，R是U到V的模糊关系，r_ij为经过模糊推理得到的故障因素u_i与故障点v_i之间的模糊隶属度，也就是第i种故障因素导致第j个故障点故障的置信度。