網絡物理接口的冗余設計

李婧 曲展龍

摘 要：為提高計算機網絡系統的可靠性，對其終端設備的物理接口進行冗余設計。網卡是網絡終端設備進行網絡通信的中轉站，主機內的兩個或多個網卡通過TEAM技術綁定為一個IP地址實現對外通信接口。當其中的主網卡發生故障時，自動切換備份網卡，不需要設計人員人為干預。本文首先闡明了網卡冗余技術的含義，而后以Intel網卡為例對其幾種分組模式進行闡述，最后點明了其在網絡系統中的廣泛應用和重要性。

關鍵詞：網絡；物理接口；冗余設計

隨著網絡技術的不斷發展，計算機網絡已經成為很多計算機應用系統的重要甚至關鍵支撐技術。物理接口的冗余設計是計算機網絡中常見的提高系統可靠性的手段[1]。計算機與外界局域網的連接是通過主機箱內插入一塊網絡接口板來實現的。網絡接口板又稱為通信適配器或網絡適配器或網絡接口卡，俗稱“網卡”。網卡是工作在鏈路層的網絡組件，是局域網中連接計算機和傳輸介質的接口，不僅能實現與局域網傳輸介質之間的物理連接和電信號匹配，還涉及幀的發送與接收、幀的封裝與拆封、介質訪問控制、數據的編碼與解碼以及數據緩存的功能等[2]。網卡綁定是實現網絡物理接口冗余設計的實現方式之一，是將兩個或者更多的物理網卡綁定成一個虛擬網卡，起到提供負載均衡或者冗余，增加帶寬的作用。當一個網卡壞掉時，不會影響業務。

1 Intel網卡的冗余分組模式

Intel網卡的冗余分組模式主要為容錯模式、負載平衡模式和鏈路聚合模式三種。

2 容錯模式

容錯模式包括適配器容錯和交換機容錯。

（1）適配器容錯。適配器容錯在交換機端口、電纜或適配器發生故障時，通過自動從活動適配器向待命適配器進行故障恢復轉移來提供冗余。通常能自動檢測到故障，并立即進行通信重發布。其目標是確保負載重新發布能快速及時進行，以保證用戶會話暢通。只有一個組成員傳輸和接收通信，如果此主連接出故障，則由次適配器接替。在故障排除后，如果與針對用戶的主適配器的連接恢復了，則控制將自動交回給主適配器。

（2）交換機容錯。交換機容錯跨交換機提供冗余。在組中僅支持兩個連接到不同交換機的網卡，在交換機端口、電纜或適配器發生故障時，連接到一個交換機的適配器會自動故障恢復轉到與另一個交換機連接的待命適配器上。一個適配器為主，另一個為次，次適配器處于待命狀態，該適配器不活動，不傳輸或接收網絡通信，等待故障恢復發生。如果主適配器失去連接，次適配器自動取代。如果選擇了主適配器，它便成為組的活動適配器。[JP]

3 負載平衡模式

通過在所有的網卡之間分攤通信量來提供傳輸負載平衡，并能將通信量從退出服務的任何網卡上轉移開。負載平衡模式包括自適應負載平衡和虛擬機負載平衡。

（1）自適應負載平衡。

自適應負載平衡用于在多個物理頻道之間動態發布數據通信負載。其目的是改善總體帶寬和終端工作站的性能。從服務器向交換機提供多個鏈接，而且服務器上運行的中級驅動程序執行負載平衡功能。其體系結構利用所知的Layer3信息在達到服務器傳輸負載最佳發布。

實現方法是將物理頻道中的一個指定為主頻道，而將其它頻道指定為次頻道。從服務器外出的信息包可使用物理頻道中的任意一個，但進入信息包則僅能使用主頻道。自適應負載平衡在交換機端口、電纜或適配器發生故障時提供傳輸通信量的負載平衡及容錯。通過分析各成員適配器的傳輸負載在成員適配器之間平衡通信量。

（2）虛擬機負載平衡。

虛擬機負載平衡向與組界面綁定的虛擬機提供傳輸和接收通信量的負載平衡，并在交換機端口、電纜或適配器發生故障時提供容錯。通過分析各成員適配器的傳輸和接收負載，并在成員適配器之間平衡通信量，每個虛擬機的發送和接收通信量，均與一個組成員相關聯。

4 鏈路聚合模式

將若干物理頻道合并為一個邏輯頻道。鏈接聚合組包括靜態鏈接聚合和IEEE802.3ad動態鏈接聚合。

（1）靜態鏈接聚合。

靜態鏈接聚合與自適應負載平衡相類似，兩者都將若干物理頻道合并為一個邏輯頻道。靜態鏈接聚合是一項性能技術，旨在提高交換機之間或服務器與交換機之間的吞吐量。方法是通過設置邊界或通道將若干端口聚合一起并顯示為單個鏈接。這樣會提高鏈接的總帶寬，并在交換機端口、電纜或適配器發生故障時提供容錯。

a）如果主適配器被選定，則該組將使用此適配器的MAC地址。

b）如果添加或更改了主適配器，該組將重新加載，導致短時間丟失連接。

（2）IEEE802.3ad動態鏈接聚合。

IEEE802.3ad動態鏈接聚合是一項用于提高交換機之間或服務器和交換機之間吞吐量的IEEE標準。方法是通過動態設置邊界或通道將若干端口聚合一起并顯示為使用鏈接聚合控制協議的單個鏈接。這樣會提高鏈接的總帶寬，并在交換機端口、電纜或適配器發生故障時提供容錯。每個服務器最多可有兩個IEEE802.3ad動態組。必須使用802.3ad交換機（在動態模式中，聚合可跨交換機）。配置成IEEE802.3ad的適配器組也提供容錯和負載平衡。在IEEE802.3ad下，所有協議都可負載平衡。

5 分組模式比較

上述六種Intel網卡綁定方式的比較見下表。

6 結論

網絡物理接口的冗余設計，目前已廣泛應用于運載火箭的地面測發網絡系統中[3]，有力地保證了網絡系統的可靠性和穩健性，未來也將在地面網絡系統中發揮不可替代的重要作用。本文簡要介紹了網卡冗余設計的幾種模式，隨著網絡技術的發展，后續將進一步結合工程應用，深入研究并開展創新設計工作

參考文獻：

[1]謝希仁.計算機網絡.電子工業出版社，2011，2-32.

[2]王春軍.雙網冗余系統的設計和實現.2008，5-10.

[3]郇極，等.工業以太網EtherCAT冗余和熱插拔技術.2009，3（52）：158-161.

作者簡介：李婧（1988-），女，陜西人，碩士，工程師，主要研究方向為計算機信息傳輸設計；曲展龍（1988-），男，山東人，碩士，工程師，主要研究方向為有線通信系統設計。