PowerPC下雙網冗余熱備份高速切換技術實現

強景，趙多，王紅兵

(西安電子科技大學 電子工程學院，西安 710071)

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強景，趙多，王紅兵

(西安電子科技大學 電子工程學院，西安 710071)

摘要:網絡冗余切換熱備份技術大多與運行有嵌入式操作系統的控制芯片一起工作，該技術的應用有效增強了網絡數據傳輸的物理可靠性，但是網絡切換速度一直是這項技術的瓶頸。本文首先提出通過運行有Linux系統的MPC8377芯片以及外部連接CPLD和2片88E111 PHY芯片完成網絡冗余切換熱備份的方案，然后依照方案設計對應軟件，最終使得雙網切換時間小于20 ms，極大地改善了現存方案的切換速度，使得網絡恢復加快、數據傳輸更加可靠。

關鍵詞:雙網切換；網絡冗余；Linux；MPC8377；88E111；PHY

引言

本文提出在PowerPC架構上運行有Linux系統的MPC8377來完成網絡冗余切換熱備份方案。通過MPC8377的GPIO口控制CPLD來完成MPC8377的MAC與PHY的對應連接關系的切換，進而實現網絡的重新恢復。本方案最終使得切換時間小于20 ms，極大改善了現有技術的缺陷和不足。

1網絡冗余切換簡介

網絡冗余是工業網絡的一項保障策略,目的是減輕意外中斷的風險，通過即時響應保證生產連續，從而降低關鍵數據流上任意一點失效所帶來的影響。在冗余網絡中比較重要的一種雙冗余類型為主備網絡，在正常情況下一般只有主網絡在工作，一旦發生意外，主網切換到備用網絡，并發送故障信號給上位機，在主網絡得到修整后，主網成為備用網絡繼續運行。這種方案的恢復時間一般在200 ms左右,雖然可以用來提供網絡連接保障,但是恢復時間和切換時間太長一直是該方案的弊端。

2方案總體設計

2.1硬件介紹

該設計采用Freescale公司的基于PowerPC架構的MPC8377芯片,其外圍接口豐富，可參考實際需求自由刪減，提高了系統開發的靈活性，同時降低了產品開發的難度與成本，有效縮短了產品從研發到投放市場的時間，提高了產品的競爭力，處理器內部集成了e300內核PCI、PCIE、DDR等控制器，其提供了雙千兆以太網控制器。MPC8377 I/O接口包括10/100/1000 Mbps以太網接口：一個千兆位 RGMII連接到(PHY)88E111,一個5端口 Vitesse Ethernet switch (VSC7385)；PCI 和PCI Express插槽：PCI Express連接器,一個Mini PCI 連接器,一個標準PCI 連接器；SATA：兩個USB 2.0,4端口USB Hub，一個串行通信接口。

該設計使用的PHY為88E1111，88E1111吉比特以太網收發器是一個物理層器件，用于1000 BASE-T、100 BASE-TX和10 BASE-T類型的以太網。88E1111支持用于直接連接到MAC/Switch接口的吉比特介質無關接口(GMII)、精簡的GMII(RGMII)、串行吉比特介質無關接口(SGMII)、10比特接口(TBI)、精簡的10比特接口(RTBI)；集成了一個可選的1.25 GHz的SERDES接口(串行器/解串器)；被用于實現1000 BASE-T千兆接口轉換器(GBIC)或小型可插拔(SFP)模塊；采用了先進的混合信號進程來均衡執行、消除回聲和傳音、數據恢復和錯誤校正。該器件運行在高噪聲的環境中時功耗也非常低。

2.2硬件方案

MPC8377帶有兩路MAC接口，但是為了提高網絡恢復的速度和切換速度以及實現IP和MAC的唯一綁定，本方案只采用單路MAC。MAC數據線與控制線連接CPLD，然后通過CPLD一分二連接兩路PHY完成。為了保證切換正常和快速，采用MPC8377的一路GPIO口連接CPLD作為切換信號。為了保證中斷速度，直接把兩路PHY的中斷信號通過CPLD與門操作連接MPC8377。整個方案連接方式如圖1所示。

3MPC8377的網絡設計

為了網絡連通方便，該方案需要移植Linux系統到

圖1　方案連接方式

MPC8377，為了系統正常啟動，設計MPC8377為NOR Flash啟動模式，NOR Flash通過燒寫定制的Uboot啟動引導文件、定制的Linux image鏡像文件、dtb文件，以及rootfs文件系統。移植好Linux系統之后，網絡底層程序可以通過移植網絡驅動完成，因此只需通過底層驅動獲取網絡診斷信息和向CPLD發送相應切換命令。

3.1Linux系統網絡診斷

實現網絡切換程序，需要準確判定網絡通斷狀態，并及時發送切換命令。網絡通斷通過讀取88E111的寄存器1，其為狀態寄存器。88E111的狀態寄存器如表1所列。

由此可知,狀態寄存器有16位，第2位為Link 狀態，第3位為自動協商，該寄存器在Linux系統啟動結束后默認值(默認是指網絡在Linux系統啟動過程中正常)為0x796D。通過讀取分析該狀態寄存器的第2位即可得到網絡狀態，即該位為1，表示連接正常，為0表示連接中斷。

Linux用戶空間應用程序通過在用戶空間先創建套接字socket(PF_LOCAL, SOCK_DGRAM, 0)，再調用ioctl(sockfd, SIOCGMIIPHY, &ifr)函數，可以獲取PHY地址；通過先調用(uint16_t)strtoul(‘eth0’ NULL, 0)，選定網絡，再調用ioctl(sockfd, SIOCGMIIREG, &ifr)可以訪問到網絡連接狀態，最終通過if(mii->val_out&0x0004)來判定網絡連接狀態。

3.2GPIO驅動設計

Linux系統驅動分為3類:字符設備、塊設備、網絡設備。本文采用字符驅動來編寫GPIO驅動，GPIO模塊的結構圖如圖2所示。

圖2　GPIO模塊的結構圖

驅動程序通過module_init(GPIO_init)、module_exit(GPIO_exit)分別注冊和注銷GPIO驅動，在注冊設備驅動時初始化SICRL、GPnDIR、GPnODR、GPnDAT寄存器。為了方便驅動程序所驅動的設備在用戶空間打開，在編寫GPIO驅動時通過class_create(THIS_MODULE, "GPIO")以及device_create(firstdrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "GPIO")函數讓系統自動創建設備節點。最終通過用戶空間的ioctl函數改寫GPnDAT來完成切換信號的控制。

Linux系統在上電加載Uboot階段，開始初始化PHY芯片。為了保證在進入Linux系統后，切換到備用PHY后可以直接正常使用，需要更改Uboot啟動初始化程序，在初始化主PHY芯片后，切換信號到備用PHY，再進行一遍PHY初始化。MPC8377帶有串口，Uboot啟動過程中可以通過串口將Uboot啟動信息回送至上位機，Uboot初始化完成后啟動后串口輸出如圖3所示。

圖3　MPC8377 Uboot引導程序初始化主、備PHY

如圖3所示，Net下TSEC1和TSEC2分別對應主、備PHY的初始化，在兩次初始化之間，MPC8377控制GPIO引腳，通過CPLD調整MAC與PHY的連接關系。

3.3程序自啟動和驅動加載

為了使得用戶切換程序和驅動程序能在Linux系統啟動后自動運行，編譯好的用戶程序和驅動程序都被放置在rootfs文件系統中，并通過壓縮燒寫到NOR Flash中。用戶程序實現正常運行必須先啟動GPIO驅動程序。Linux系統啟動時會自動加載/etc/profile文件，為了自動啟動用戶程序和GPIO驅動，需要在/ect /profile 文件中添加如下代碼：

ifconfig eth0 192.168.81.238 netmask 255.255.255.0

//更改網卡配置

mkdir /lib/modules/3.0.0//創建節點，供卸載GPIO驅動使用

insmod GPIO.ko//安裝GPIO驅動

./main//啟動用戶程序

4CPLD切換設計

CPLD連接來自MPC8377的MAC信號，并且將其信號通過一分二給兩路PHY。在Uboot啟動過程中由MPC8377通過GPIO信號發送給CPLD，從而實現兩路PHY的初始化，在啟動Linux系統后，MPC8377仍然可以通過網絡狀態來調度CPLD連接不同的PHY。

4.1CPLD與PHY的連接

除去MDIO信號之外，CPLD與MAC連接的I/O信號都可以直接進行一分二，最終生成的CPLD模塊略——編者注。

4.2CPLD的MDIO設計

MAC與PHY連接的MDIO信號屬于雙向I/O信號，不能直接一分二。本文在CPLD中判斷收發條件來實現控制端口的I/O狀態切換。

圖4　MDIO讀時序

圖5　MDIO寫時序

MDIO信號協議讀寫信號時序分別如圖4、圖5所示。MDIO的一分二可以通過CPLD的inout端口來實現，對inout端口的控制可以通過分析MDIO的時序來完成。從MDIO讀寫時序(圖4和圖5)可以看到，在起始(Start)信號過后，會有讀寫控制位信號，10為讀，01為寫，通過對這兩位的分析改變inout端口的輸入輸出特性，即在發現10時，inout在TA階段表現為輸入，在發現01信號時，在TA階段表現為輸出，進而得到MDIO一分二模塊如圖6所示。

圖6　MDIO一分二模塊

5測試

為了得到切換時間，在網絡切換前調用gettimeofday (&tvpre, &tz)獲取當前系統時間，在完成網絡切換并且網絡連通后調用gettimeofday (&tvafter, &tz)再次獲取系統時間，最終計算差值打印出主備切換時間，如圖7所示。

圖7　主備切換時間

通過測試可以看到，從PHY1到PHY2的切換，僅僅在12 ms內就可以完成，通過多次測試，雙網的切換時間一直保持小于20 ms。

結語

本文介紹了MPC8377與CPLD、88E111，通過Linux系統實現雙冗余網絡切換熱備份方案，介紹了MPC8377字符設備驅動的編寫，以及CPLD在處理MDIO信號上的應用，最終使得設計方案可以小于20 ms的切換時間。通過本方案的應用可以一定程度上滿足網絡的可靠性和網絡恢復的時長要求。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

參考文獻

[1] 胡國鵬,劉利強.VxWorks環境下雙冗余以太網卡技術在底層驅動中的實現[J].應用科技,2005(8)：43-45.

[2] 劉利強,戴運桃,周衛東.基于VxWorks的雙端口網卡智能雙冗余驅動[J].電子技術應用,2006(7):64-66.

[3] 洪亮,章嘉文,陸亨立.基于FPGA的MDIO接口邏輯設計[J].微計算機信息,2009,25(5-2):171-172,196.

強景(研究生)，研究方向為PowerPC嵌入式系統、電子存儲陣列；趙多(研究生)，研究方向為FPGA IP核控制器、信號處理；王紅兵(研究生)，研究方向為SATA控制器、電子存儲陣列。

Qiang Jing,Zhao Duo,Wang Hongbing

(School of Electronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China)

Abstract：The technology of network redundancy switching backup mostly works with the control chip running with embedded operating system.The application of this technology can effectively increase the reliability of network data transmission,but the speed of network switching is a big problem.In this paper,firstly the control chip MPC8377 running with Linux system,CPLD and 2 pieces of 88E111 (PHY) complete the design of the network redundancy backup.Then the corresponding software is designed.Thus the time of the network switching is less 20 ms.In this way,the switching speed is improved and makes the transmission more reliable.

Key words:network switching;network redundancy;Linux;MPC8377;88E111;PHY

收稿日期：(責任編輯：薛士然2015-09-05)

中圖分類號:TP368.1

文獻標識碼:A