CN113300821B - 一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法及系统，包括步骤：使两块网卡同时接入热备系统；根据本地配置对网卡进行嗅探初始化设置确定指定嗅探网卡后，双网卡热备系统与外端进行数据帧传输；根据数据帧的来源和去向重新定义当前数据帧的IP字段和传输层；热备系统中两块网卡同时与外端经同一IP地址进行数据传输；本发明通过双网卡同时独立工作，两块网卡与外端保持同一IP地址进行传输，某一网卡断开也不需要重新配置IP地址，即使对端设备更改本端网口，其与本机通信仍可以使用同一IP地址，降低了对端设备的维护成本；便于用户进行系统节点设计，不仅可以直接配置采用非实时系统，而且也可以对应灵活适用实时系统。

Description

一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法及系统

技术领域

本发明涉及通讯网卡技术领域，具体涉及一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法及系统。

背景技术

当前，随着自主可控国产化水平日益提升，传统的进口嵌入式设备也开始逐步开展国产化替代，除了基本的处理器替代之外，对于各类数据接口的国产化替代需求也由功能转为性能，在一些系统实时性、可靠性要求较高的系统下，网络可靠性、可用性要求也越来越高。

双机热备系统，作为一种保障系统可用性的常见系统，通过使用两台计算机，互相备份，共同执行同一服务。当一台服务器出现故障时，可以由另一台服务器在不需要人工干预的情况下，自动保证系统能持续提供服务。

传统的网络容错方法，主要还是依赖不同网口对应链路通断的检测及反馈，当网口对应链路检测出现异常时，主动进行切换。

对于非实时系统，在Linux下有Bonding技术可以直接配置采用。但对于实时系统，却缺乏对应的灵活模块进行实现，Linux中bonding模块工作于链路层中的驱动层之上，且同时实现了双网卡冗余以及双网卡负载均衡，但对于实时系统，非开源的内核仅提供网卡驱动对开发者可见，导致无法在网络协议栈中的链路层开发类似于bonding模块实现双网卡冗余和负载均衡。当前实时系统应用双网卡的实际工程中，仅在应用层实现了双网卡冗余功能，无法同时兼容负载均衡。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法及系统，通过双网卡对外维护同一IP，同一MAC地址实现容错，同时也能为用户系统节点设计提供便利。

本发明通过下述技术方案实现：

本方案提供一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.使两块网卡同时接入热备系统；

S2.根据本地配置对网卡进行嗅探初始化设置确定指定嗅探网卡后，双网卡热备系统与外端进行数据帧传输；

S3.根据数据帧的来源和去向重新定义当前数据帧的IP字段和传输层；

S4.热备系统中两块网卡同时与外端经同一IP地址进行数据传输。

本方案工作原理：现今的服务器一般都有两块或多块网卡，一些操作系统如IBM、SUN可使用自带的软件将网卡聚合，达到热备冗余的目的，这些聚合软件属于操作系统的一部分，需依赖操作系统的支持，并且当网络中断后，需要进行两块网卡断开的判断、再进行备份网卡与损坏网卡的切换动作，而且还需要重新配置切换后的网卡，等上述工作完成后才能重新开始数据传输，而本方案提供的基于嗅探技术的双网卡网络热备方法及系统，通过双网卡对外端维护同一IP，同一MAC地址实现容错，双网卡同时独立工作，当某一网卡断开，另一网卡可以继续工作不受影响，实现容错；而且本方案中两块网卡同时与外端经同一IP地址进行数据传输，两块网卡与外端保持同一IP地址进行传输，某一网卡断开也不需要重新配置IP 地址，即使对端设备更改本端网口，其与本机通信仍可以使用同一IP地址，降低了对端设备的维护成本。

进一步优化方案为，步骤S2包括以下子步骤：

S21.选择热备系统的其中一块网卡作为指定嗅探网卡，并进行IP绑定；

S22.在指定嗅探网卡上建立本地端口和维护端口的映射表。

进一步优化方案为，所述映射表维护两张表；一张为链地址法解决冲突的HASH表模式， HASH KEY为维护端口，HASH值为本端端口；另一张表为双向循环链表模式。

网卡嗅探初始化设置过程中，根据本地配置，在指定的嗅探网卡上建立本地端口和维护端口的映射表；该映射表维护两张表，其中一张为链地址法解决冲突的HASH表模式，HASH KEY 为维护端口，HASH值为本端端口，另一张表为双向循环链表模式。

配合命令行工具可动态添加或删除其中的映射表项，该配置表项同时存于本地。若需要维护的表项多则选择添加到HASH表以提高效率，若需要维护的表项少则选择添加到双向循环链表以提高效率。

进一步优化方案为，当双网卡热备系统接收数据帧时，步骤S3包括以下子步骤：

S31A.判断接收的数据帧的来源是否为指定嗅探网卡：若是，则进入S32A；否则，则保持数据帧继续接收；

S32A.解析数据帧类型，分别对不同类型的数据帧执行以下操作：

对于ARP帧：当ARP协议字段中的目标IP是维护IP时，更改目标IP为指定嗅探网卡绑定的IP；

对于IP帧：当IP协议字段中的目的IP是维护IP时，更改目标IP为指定嗅探网卡绑定的IP；解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容重新定义数据帧的传输层；

S33A.以新的数据帧继续接收；

当双网卡热备系统发送数据帧时，步骤S3包括以下子步骤：

S31B.根据发送数据帧的目标网卡选择双网卡热备系统的网卡：若是指定嗅探网卡，则进入S32B；否则，保持数据帧继续发送；

S32B.解析数据帧类型，分别对不同类型的数据帧执行以下操作：

对于ARP帧：更改源IP为维护IP；

对于IP帧：先更改源IP为维护IP，再解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容重新定义传输层；

S33B.以新的数据帧继续发送。

进一步优化方案为，S32A包括以下子步骤：

A1.解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容执行以下操作：

对于TCP/UDP报文，查询端口映射表，若请求目的端口命中端口映射表中某一维护端口，则目的端口更改为表项中对应的本地端口；

对于ICMP/IGMP报文不做任何修改；

A2.基于A1重新计算数据帧的传输层校验并填入传输层字段中；

S32B包括以下子步骤：

B1.解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容执行以下操作：

对于TCP/UDP报文，查询端口映射表，若源端口命中端口映射表中某一本地端口，则源端口更改为表项中对应的维护端口；

对于ICMP/IGMP报文不做任何修改；

B2.基于B1重新计算数据帧的传输层校验并填入传输层字段中。

进一步优化方案为，所诉外端为单卡或双卡设备。

根据上述一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法，本方案提供一种基于嗅探技术的双网卡网络热备系统，数据链路层包括：网卡模块、嗅探初始化设置模块、再定义模块和传输模块；

网卡模块，用于将两块网卡同时接入热备冗余系统；

嗅探初始化设置模块，用于根据本地配置对网卡进行嗅探初始化设置确定指定嗅探网卡；

再定义模块，根据数据帧的来源和去向重新定义当前数据帧的IP字段和传输层；

传输模块，用于保证热备系统中两块网卡同时与外端经同一IP地址进行数据传输。

进一步优化方案为，再定义模块执行的操作具体为：

当双网卡热备系统接收数据帧时，再定义模块执行：

再定义模块判断接收的数据帧的来源是否为指定嗅探网卡：若是，则进入C1；否则，则保持数据帧继续接收；

C1.再定义模块解析数据帧类型，分别对不同类型的数据帧执行以下操作：

对于ARP帧：当ARP协议字段中的目标IP是维护IP时，更改目标IP为指定嗅探网卡绑定的IP；

对于IP帧：当IP协议字段中的目的IP是维护IP时，更改目标IP为指定嗅探网卡绑定的IP；解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容重新定义数据帧的传输层；

D1.以新的数据帧继续发送；

当双网卡热备系统发送数据帧时，再定义模块执行：

再定义模块根据发送数据帧的目标网卡选择双网卡热备系统的网卡：若是指定嗅探网卡，则进入C2；否则，保持数据帧继续发送；

C2.再定义模块解析数据帧类型，分别对不同类型的数据帧执行以下操作：

对于ARP帧：更改源IP为维护IP；

对于IP帧：先更改源IP为维护IP，再解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容重新定义传输层；

D2.以新的数据帧继续发送。

进一步优化方案为，还包括应用层，所述应用层由系统初始化模块、发送模块和接收模块组成；

初始化模块配置双网卡工作在冗余模式还是负载模式，如果是工作在冗余模式，则根据配置指定主网卡和备份网卡，同时监测网卡链路通断状况，根据链路通断状况选择工作网卡；

通信初始化模块用于初始化两个分别绑定两张网卡的socket；

发送模块负责应用数据发送，接收模块负责应用数据接收。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明提出的一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法及系统，过双网卡对外维护同一IP，同一MAC地址，便于用户进行系统节点设计，双网卡同时独立工作，当某一网卡断开，另一网卡可以继续工作不受影响，实现容错；而且本方案中两块网卡同时与外端经同一IP地址进行数据传输，两块网卡与外端保持同一IP地址进行传输，某一网卡断开也不需要重新配置IP地址，即使对端设备更改本端网口，其与本机通信仍可以使用同一IP地址，降低了对端设备的维护成本。

2.本发明提出的一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法及系统，不仅对于非实时系统在Linux下有Bonding技术可以直接配置采用，而且对于实时系统，也可以对应灵活适用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1是基于嗅探技术的双网卡网络热备方法流程示意图；

图2是数据帧发送原理示意图；

图3是数据帧接收原理示意图；

图4是基于嗅探技术的双网卡网络热备系统结构图；

图5是系统初始化模块工作流程图；

图6是通信初始化模块工作流程图；

图7是发送模块工作流程图；

图8是接收模块工作流程图；

图9是实施例3应用示意图；

图10是实施例4应用示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法，包括以下步骤：

S1.使两块网卡同时接入热备系统；

S2.根据本地配置对网卡进行嗅探初始化设置确定指定嗅探网卡后，双网卡热备系统与外端进行数据帧传输；

S3.根据数据帧的来源和去向重新定义当前数据帧的IP字段和传输层；

S4.热备系统中两块网卡同时与外端经同一IP地址进行数据传输。

步骤S2包括以下子步骤：

S21.选择热备系统的其中一块网卡作为指定嗅探网卡，并进行IP绑定；

S22.在指定嗅探网卡上建立本地端口和维护端口的映射表。

所述映射表维护两张表；一张为链地址法解决冲突的HASH表模式，HASH KEY为维护端口，HASH值为本端端口；另一张表为双向循环链表模式。

前期准备:

网卡嗅探初始化设置过程中，根据本地配置，在指定嗅探网卡上建立本地端口和维护端口的映射表；该映射表维护两张表，其中一张为链地址法解决冲突的HASH表模式，HASH KEY 为维护端口，HASH值为本端端口，另一张表为双向循环链表模式。配合命令行工具可动态添加或删除其中的映射表项，该配置表项同时存于本地。若需要维护的表项多则选择添加到HASH 表以提高效率，若需要维护的表项少则选择添加到双向循环链表以提高效率。

如图2所示，当双网卡热备系统接收数据帧时，具体过程为：

步骤1:判断接收的数据帧来源是否为指定嗅探网卡，如果不是指定网卡，则保持数据帧原样，不对其进行任何操作，如果是指定网卡，则进行以下步骤2开始的操作。

步骤2:解析数据帧类型，分别对不同类型的数据帧作出以下操作:

1)请求维护IP的ARP报文的ARP协议字段中，目标协议字段修改为本端嗅探网卡绑定的IP地址供协议栈解析。

2)目的IP为维护IP的IP报文中，目的IP修改为本端嗅探网卡绑定的IP地址。

步骤3:重新计算IP段校验和并填入IP字段中。

步骤4:解析传输层协议，针对不同传输层协议或内容作出以下操作:

1)TCP/UDP报文，查询端口映射表，若请求目的端口命中端口映射表中某一维护端口，则目的端口更改为表项中对应的本地端口。

2)ICMP,IGMP报文不做任何修改。

步骤5:重新计算传输层校验并填入数据帧的传输层字段中，以新的数据帧继续发送。

如图3所示，当双网卡热备系统发送数据帧时，具体过程为：

步骤1:判断发送的数据帧目标网卡是否为指定嗅探网卡，如果不是指定网卡，则保持数据帧原样，不对其进行任何操作，如果是指定网卡，则进行以下步骤2开始的操作。

步骤2:解析数据帧类型，分别对不同类型的数据帧作出以下操作:

1)ARP响应报文的ARP协议字段中，发送协议字段修改为维护IP。

2)IP报文中，源IP修改为维护IP。

步骤3:重新计算IP段校验和并填入IP字段中。

步骤4:解析传输层协议，针对不同传输层协议作出以下操作:

1)TCP/UDP报文，查询端口映射表，若源端口命中端口映射表中某一本地端口，则源端口更改为表项中对应的维护端口。

2)ICMP,IGMP报文不做任何修改。

步骤5:重新计算传输层校验并填入数据帧的传输层字段中，以新的数据帧继续发送。

实施例2

根据实施例1的一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法，本实施例提供一种基于嗅探技术的双网卡网络热备系统，如图4所示，包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层；其中数据链路层包括：网卡驱动模块和嗅探模块，嗅探模块包括嗅探初始化设置模块、再定义模块和传输模块；

网卡驱动模块，用于将两块网卡同时接入热备冗余系统；

嗅探初始化设置模块，用于根据本地配置对网卡进行嗅探初始化设置确定指定嗅探网卡；

再定义模块，根据数据帧的来源和去向重新定义当前数据帧的传输层；

传输模块，用于保证热备系统中两块网卡与外端经同一IP地址进行数据传输。

应用层由系统初始化模块、发送模块和接收模块组成；

如图5所示，系统初始化模块配置双网卡工作在冗余模式还是负载模式，如果是工作在冗余模式，则根据配置指定主网卡和备份网卡，同时开启一个周期10ms的监测任务，负责监测网卡链路通断状况，根据网卡通断选择工作网卡。

如图6所示，通信初始化模块负责初始化两个分别绑定两张网卡的socket。如果工作在负载均衡模式，则根据传入的参数初始化两张网卡的负载权重(颗粒度为1％)，默认均为50％。初始化模块返回一个ID号，该ID号用于数据发送，初始化模块建立ID-socket1-socket2的绑定关系。

如图7所示，数据发送模块负责应用数据发送，首先根据传入的ID号选择对应的socket 组。若双网卡工作在冗余模式，则根据当前工作网卡选择数据发送的socket。若双网卡工作在负载模式，则根据负载权重将流量发送到对应的socket上。

如图8所示，数据接收模块负责应用数据的接收，首先根据传入的ID号选择对应的socket 组。如果工作在冗余模式，则根据当前工作网卡选择数据接收的socket，若工作在负载均衡模式，则根据socket上是否存在待收数据选择数据接收的socket。

实施例3

如图9所示，远端两台主机均使用同一IP地址、同一端口和本端主机通信，且两台主机之间相互不影响，降低了远端主机软件程序维护成本。

实施例4

如图10所示，本端双网卡提供负载均衡以及冗余备份能力，远端主机双网卡绑定连接致本端主机，此种应用场景为两台设备之间的网络通信提供高可靠的信道保障，即使有一信道出现问题，系统可迅速无缝切换至另一信道，该功能可广泛应用于需要实现带宽扩展或信道冗余备份的网络通信系统中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.使两块网卡同时接入热备系统；

S2.根据本地配置对网卡进行嗅探初始化设置确定指定嗅探网卡后，双网卡热备系统与外端进行数据帧传输；步骤S2包括以下子步骤：

S21.选择热备系统的其中一块网卡作为指定嗅探网卡，并进行IP绑定；

S22.在指定嗅探网卡上建立本地端口和维护端口的映射表

S3.根据数据帧的来源和去向重新定义当前数据帧的IP字段和传输层；当双网卡热备系统接收数据帧时，步骤S3包括以下子步骤：

S31A.判断接收的数据帧的来源是否为指定嗅探网卡：若是，则进入S32A；否则，则保持数据帧继续接收；

S32A.解析数据帧类型，分别对不同类型的数据帧执行以下操作：

对于ARP帧：当ARP协议字段中的目标IP是维护IP时，更改目标IP为指定嗅探网卡绑定的IP；

对于IP帧：当IP协议字段中的目的IP是维护IP时，更改目标IP为指定嗅探网卡绑定的IP；解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容重新定义数据帧的传输层；

S33A.以新的数据帧继续接收；

当双网卡热备系统发送数据帧时，步骤S3包括以下子步骤：

S31B.根据发送数据帧的目标网卡选择双网卡热备系统的网卡：若是指定嗅探网卡，则进入S32B；否则，保持数据帧继续发送；

S32B.解析数据帧类型，分别对不同类型的数据帧执行以下操作：

对于ARP帧：更改源IP为维护IP；

对于IP帧：先更改源IP为维护IP，再解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容重新定义传输层；

S33B.以新的数据帧继续发送

S4.热备系统中两块网卡同时与外端经同一IP地址、同一MAC地址进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法，其特征在于，所述映射表维护两张表；一张为链地址法解决冲突的HASH表模式，HASH KEY为维护端口，HASH值为本端端口；另一张表为双向循环链表模式。

3.根据权利要求1所述的一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法，其特征在于，S32A包括以下子步骤：

A1.解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容执行以下操作：

对于TCP/UDP报文，查询端口映射表，若请求目的端口命中端口映射表中某一维护端口，则目的端口更改为表项中对应的本地端口；

对于ICMP/IGMP报文不做任何修改；

A2.基于A1重新计算数据帧的传输层校验并填入传输层字段中；

S32B包括以下子步骤：

B1.解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容执行以下操作：

对于TCP/UDP报文，查询端口映射表，若源端口命中端口映射表中某一本地端口，则源端口更改为表项中对应的维护端口；

对于ICMP/IGMP报文不做任何修改；

B2.基于B1重新计算数据帧的传输层校验并填入传输层字段中。

4.根据权利要求1所述的一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法，其特征在于，所诉外端为单卡或双卡设备。

5.一种基于嗅探技术的双网卡网络热备系统，用于权利要求1-4所述的任意一种基于嗅探技术的双网卡网络热备方法，其特征在于，数据链路层包括：网卡模块、嗅探初始化设置模块、再定义模块和传输模块；

网卡模块，用于将两块网卡同时接入热备冗余系统；

嗅探初始化设置模块，用于根据本地配置对网卡进行嗅探初始化设置确定指定嗅探网卡；

再定义模块，根据数据帧的来源和去向重新定义当前数据帧的IP字段传输层；再定义模块执行的操作具体为：

当双网卡热备系统接收数据帧时，再定义模块执行：

再定义模块判断接收的数据帧的来源是否为指定嗅探网卡：若是，则进入C1；否则，则保持数据帧继续接收；

C1.再定义模块解析数据帧类型，分别对不同类型的数据帧执行以下操作：

对于ARP帧：当ARP协议字段中的目标IP是维护IP时，更改目标IP为指定嗅探网卡绑定的IP；

对于IP帧：当IP协议字段中的目的IP是维护IP时，更改目标IP为指定嗅探网卡绑定的IP；解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容重新定义数据帧的传输层；

D1.以新的数据帧继续发送；

当双网卡热备系统发送数据帧时，再定义模块执行：

再定义模块根据发送数据帧的目标网卡选择双网卡热备系统的网卡：若是指定嗅探网卡，则进入C2；否则，保持数据帧继续发送；

C2.再定义模块解析数据帧类型，分别对不同类型的数据帧执行以下操作：

对于ARP帧：更改源IP为维护IP；

对于IP帧：先更改源IP为维护IP，再解析传输层协议，针对不同传输层协议和不同报文内容重新定义传输层；

D2.以新的数据帧继续发送

传输模块，用于保证热备系统中两块网卡同时与外端经同一IP地址、同一MAC地址进行数据传输。

6.根据权利要求5所述的一种基于嗅探技术的双网卡网络热备系统，其特征在于，还包括应用层，所述应用层由系统初始化模块、发送模块和接收模块组成；

初始化模块配置双网卡工作在冗余模式还是负载模式，如果是工作在冗余模式，则根据配置指定主网卡和备份网卡，同时监测网卡链路通断状况，根据链路通断状况选择工作网卡；

通信初始化模块用于初始化两个分别绑定两张网卡的socket；

发送模块负责应用数据发送，接收模块负责应用数据接收。

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