CN109194518A - 一种基于动态ip加载的以太网接口切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对双机热备系统以太网接口切换的应用场景，提出一种基于动态IP加载的以太网接口切换方法。该方法中在主备机切换前后动态加载相同的IP地址，同时主备机之间建立同步通信通道，同步主机状态信息到备机，从而在切换时节省以太网重新建立连接的时间和恢复工作状态的时间，提升切换完成速度，提高系统的稳定性。

Description

一种基于动态IP加载的以太网接口切换方法
技术领域
本发明涉及以太网接口切换方法领域，尤其是一种基于动态IP加载的以太网接口切换方法，具体涉及一种适用于双机热备系统中主备机以太网接口快速切换的方法。
背景技术
当前，随着网络技术的成熟和不断发展，以太网的应用已经越来越广泛，因其传输能力强，可靠性高，多种工业控制系统互连也将其作为主要的接口。目前，很多控制系统中为了确保系统能够持续稳定运行，都会对关键节点进行双机热备，在主机发生故障时，系统切换机制迅速将主机所有功能切换到备机，在此过程中不间断对外提供的服务，从而大大提高系统可靠性。作为控制系统中重要的通信接口，以太网接口常常作为主要数据传输接口被用在双机热备系统中，因此为保证系统提供服务的不间断性以及切换操作对外的透明性，在双机热备系统的切换机制中必须要能够保证以太网接口完成迅速切换。
以太网接口通常采用的传输协议相对较复杂，在OSI模型的网络层和数据连路层分别通过IP地址和MAC地址进行识别，如果主机备机采用不同IP地址和MAC地址，则进行主备机切换时上位机的传输程序需要重新绑定IP地址并通过ARP协议重新获取MAC地址，此过程需要耗费较长时间；在OSI模型的传输层如果采用TCP这类面向连接的协议，则主备切换时需要在备机重新建立连接，也会耗费较长时间。太长的切换时间会造成双机热备系统以太网传输通路上的数据丢包，极大影响系统的稳定性和可靠性。
目前国内对于以太网切换的研究主要集中在双冗余网卡领域，对于双机热备系统中主备机之间的以太网切换目前还没有特别快速的解决办法。基于上述问题，本专利针对双机热备系统以太网快速切换的应用场景，提出一种基于动态IP加载的以太网接口切换方法，能够提升切换速率，避免数据丢包。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种能够提升切换速率，避免数据丢包的基于动态IP加载的以太网接口切换方法。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
一种基于动态IP加载的以太网接口切换方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，将双机热备系统中的主机网卡和备机网卡以及上位机的网络接口接入到同一个子网中，同时，建立主备机之间的同步通信通道；
步骤二，在双机热备系统启用之前，将主备机网卡的IP地址和MAC地址设置为一致；
步骤三，在主机网卡驱动层激活主机IP地址，并在备机网卡驱动层将IP地址挂起；
步骤四，双机热备系统启动后，主机对接收到的上层应用数据进行处理，同时通过同步通信通道将数据包完全转发到备机上，并且将工作状态数据通过该同步通信通道实时同步到备机上；
步骤五，备机对接收到的网络数据包进行识别，如果网络数据包是建立连接的数据包，则备机在网络协议的传输层进行建立连接或者断开连接，保持和主机一致的对外连接状态；如果网络数据包为普通数据包，则备机进行同主机一样的处理操作，同时备机建立fifo模式的缓存，缓存一段时间的数据用于双机切换后进行数据恢复；
步骤六，当主机发生故障或者系统产生异常状况需要进行主备切换时，在接收到切换信号后，备机网卡驱动层启用IP地址，主机网卡驱动挂起IP地址，备机直接接管主机的连接通道，备机利用之前主机同步过来的缓存数据恢复主机在切换之前的工作状态；从而完成以太网接口的切换。
而且，所述建立连接的数据包为TCP连接协议中的SYN包、ACK包或FIN包。
本发明的优点和积极效果是：
针对于双机热备系统主备机之间以太网接口切换的应用场景，本专利所述方法采用主备机在切换前后动态绑定相同IP地址的方式，减少了上位机应用程序重新绑定IP地址所耗费的时间；采用主备机之间建立同步通信通路的方式，在系统工作过程中实时将主机接收到的数据和状态同步到备机，使备机保持和主机同样的工作状态，以便在切换时无需再次建立网络连接和恢复工作状态，同样能够节省切换过后备机接管工作耗费的时间。由于主备机切换时间的减少，本方法能够有效减少切换过程中网络数据的丢包，提升了整个系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明具体实施方式中的系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于动态IP加载的以太网接口切换方法，包括以下步骤：
步骤一，将双机热备系统中的主机网卡和备机网卡以及上位机的网络接口接入到同一个子网中，同时，建立主备机之间的同步通信通道；
步骤二，在双机热备系统启用之前，将主备机网卡的IP地址和MAC地址设置为一致；
步骤三，在主机网卡驱动层激活主机IP地址，同时为了避免在子网中产生地址冲突，在备机网卡驱动层将IP地址挂起；
步骤四，双机热备系统启动后，主机除了对接收到的上层应用数据进行处理，同时还会通过同步通信通道将数据包完全转发到备机上，主机应用程序的其他工作状态数据也通过此通道实时同步到备机上；
步骤五，备机将接收到的网络数据包进行识别，如果网络数据包是关于建立连接的数据包，如TCP连接协议中的SYN包、ACK包、FIN包等，则备机相应的应用程序传输层进行建立连接或者断开连接，保持和主机一致的对外连接状态；如果网络数据包为普通数据包，则备机进行同主机一样的处理操作，同时备机建立fifo模式的缓存，缓存一小段时间的数据，以备双机切换后进行数据恢复；
步骤六，当主机发生故障或者系统产生异常状况需要进行主备切换时，在接收到切换信号后，备机网卡驱动层启用IP地址，主机网卡驱动挂起IP地址，此时，由于之前已将主机网络连接状态同步到备机，备机无需同上层应用再次建立连接，因此可以直接接管主机的连接通道，切换过程耗费的时间很短，同时，由于备机上有之前主机同步过来的缓存数据，可以恢复主机在切换之前的工作状态；从而完成以太网接口的切换。
本专利所述方法应用的典型环境架构图如图1所示：双机热备系统硬件主要由主机、备机以及一个交换机构成，其中主备机之间建立一条同步通信通路，可根据实际系统同步数据所需要带宽，选择网络或串口等实现；连接主备机、上位机以太网卡到交换机，整个双机热备系统接收上位机通过网络传输来的数据进行处理，对上位机来讲，双机热备系统的切换机制是透明的，只通过唯一一个IP地址进行访问。
本专利所述方法具体工作流程如图2所示：首先，在起始状态，主机备机都设置相同的IP地址和MAC地址，MAC地址的设置可以采用修改网卡配置eeprom的方式实现。之后激活主机网卡IP地址，而将备机网卡的IP地址挂起，该操作在网卡的驱动程序中实现。在工作状态中，主机接收上位机通过网络传输过来的数据并进行正常处理，与此同时，通过同步通信通道，主机会将接收到的网络数据包同样传输到备机，备机接收到数据后进行识别，如果是关于连接建立断开的数据包，则在网络协议的传输层进行相应操作，建立同主机一样的对上位机的连接状态；如果是普通数据包，则进行同主机相同的处理，保持同主机相同的工作状态，同时缓存一部分数据，缓存空间采用在内存中构建一个FIFO式的结构实现，具体大小依据不同系统的具体情况设定。在系统遇到主机的单点故障或者其他异常状态需要切换时，主机收到切换信号后挂起IP地址，不再接收数据，备机收到切换信号后激活IP地址，开始接收上位机数据。此过程中双机系统对外的IP地址保持一致，因此上位机程序无需进行任何操作。同时，由于备机实时通过同步通信通道接收主机数据，备机进行同主机相同的处理，因此备机工作状态以及网络连接状态和主机保持一致，切换过程可以节省系统切换后的恢复时间。

Claims (2)

1.一种基于动态IP加载的以太网接口切换方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，将双机热备系统中的主机网卡和备机网卡以及上位机的网络接口接入到同一个子网中，同时，建立主备机之间的同步通信通道；
步骤二，在双机热备系统启用之前，将主备机网卡的IP地址和MAC地址设置为一致；
步骤三，在主机网卡驱动层激活主机IP地址，并在备机网卡驱动层将IP地址挂起；
步骤四，双机热备系统启动后，主机对接收到的上层应用数据进行处理，同时通过同步通信通道将数据包完全转发到备机上，并且将工作状态数据通过该同步通信通道实时同步到备机上；
步骤五，备机对接收到的网络数据包进行识别，如果网络数据包是建立连接的数据包，则备机在网络协议的传输层进行建立连接或者断开连接，保持和主机一致的对外连接状态；如果网络数据包为普通数据包，则备机进行同主机一样的处理操作，同时备机建立fifo模式的缓存，缓存一段时间的数据用于双机切换后进行数据恢复；
步骤六，当主机发生故障或者系统产生异常状况需要进行主备切换时，在接收到切换信号后，备机网卡驱动层启用IP地址，主机网卡驱动挂起IP地址，备机直接接管主机的连接通道，备机利用之前主机同步过来的缓存数据恢复主机在切换之前的工作状态；从而完成以太网接口的切换。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态IP加载的以太网接口切换方法，其特征在于：所述建立连接的数据包为TCP连接协议中的SYN包、ACK包或FIN包。
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