网络物理接口的冗余设计

李婧 曲展龙

摘 要：为提高计算机网络系统的可靠性，对其终端设备的物理接口进行冗余设计。网卡是网络终端设备进行网络通信的中转站，主机内的两个或多个网卡通过TEAM技术绑定为一个IP地址实现对外通信接口。当其中的主网卡发生故障时，自动切换备份网卡，不需要设计人员人为干预。本文首先阐明了网卡冗余技术的含义，而后以Intel网卡为例对其几种分组模式进行阐述，最后点明了其在网络系统中的广泛应用和重要性。

关键词：网络；物理接口；冗余设计

随着网络技术的不断发展，计算机网络已经成为很多计算机应用系统的重要甚至关键支撑技术。物理接口的冗余设计是计算机网络中常见的提高系统可靠性的手段[1]。计算机与外界局域网的连接是通过主机箱内插入一块网络接口板来实现的。网络接口板又称为通信适配器或网络适配器或网络接口卡，俗称“网卡”。网卡是工作在链路层的网络组件，是局域网中连接计算机和传输介质的接口，不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等[2]。网卡绑定是实现网络物理接口冗余设计的实现方式之一，是将两个或者更多的物理网卡绑定成一个虚拟网卡，起到提供负载均衡或者冗余，增加带宽的作用。当一个网卡坏掉时，不会影响业务。

1 Intel网卡的冗余分组模式

Intel网卡的冗余分组模式主要为容错模式、负载平衡模式和链路聚合模式三种。

2 容错模式

容错模式包括适配器容错和交换机容错。

（1）适配器容错。适配器容错在交换机端口、电缆或适配器发生故障时，通过自动从活动适配器向待命适配器进行故障恢复转移来提供冗余。通常能自动检测到故障，并立即进行通信重发布。其目标是确保负载重新发布能快速及时进行，以保证用户会话畅通。只有一个组成员传输和接收通信，如果此主连接出故障，则由次适配器接替。在故障排除后，如果与针对用户的主适配器的连接恢复了，则控制将自动交回给主适配器。

（2）交换机容错。交换机容错跨交换机提供冗余。在组中仅支持两个连接到不同交换机的网卡，在交换机端口、电缆或适配器发生故障时，连接到一个交换机的适配器会自动故障恢复转到与另一个交换机连接的待命适配器上。一个适配器为主，另一个为次，次适配器处于待命状态，该适配器不活动，不传输或接收网络通信，等待故障恢复发生。如果主适配器失去连接，次适配器自动取代。如果选择了主适配器，它便成为组的活动适配器。[JP]

3 负载平衡模式

通过在所有的网卡之间分摊通信量来提供传输负载平衡，并能将通信量从退出服务的任何网卡上转移开。负载平衡模式包括自适应负载平衡和虚拟机负载平衡。

（1）自适应负载平衡。

自适应负载平衡用于在多个物理频道之间动态发布数据通信负载。其目的是改善总体带宽和终端工作站的性能。从服务器向交换机提供多个链接，而且服务器上运行的中级驱动程序执行负载平衡功能。其体系结构利用所知的Layer3信息在达到服务器传输负载最佳发布。

实现方法是将物理频道中的一个指定为主频道，而将其它频道指定为次频道。从服务器外出的信息包可使用物理频道中的任意一个，但进入信息包则仅能使用主频道。自适应负载平衡在交换机端口、电缆或适配器发生故障时提供传输通信量的负载平衡及容错。通过分析各成员适配器的传输负载在成员适配器之间平衡通信量。

（2）虚拟机负载平衡。

虚拟机负载平衡向与组界面绑定的虚拟机提供传输和接收通信量的负载平衡，并在交换机端口、电缆或适配器发生故障时提供容错。通过分析各成员适配器的传输和接收负载，并在成员适配器之间平衡通信量，每个虚拟机的发送和接收通信量，均与一个组成员相关联。

4 链路聚合模式

将若干物理频道合并为一个逻辑频道。链接聚合组包括静态链接聚合和IEEE802.3ad动态链接聚合。

（1）静态链接聚合。

静态链接聚合与自适应负载平衡相类似，两者都将若干物理频道合并为一个逻辑频道。静态链接聚合是一项性能技术，旨在提高交换机之间或服务器与交换机之间的吞吐量。方法是通过设置边界或通道将若干端口聚合一起并显示为单个链接。这样会提高链接的总带宽，并在交换机端口、电缆或适配器发生故障时提供容错。

a）如果主适配器被选定，则该组将使用此适配器的MAC地址。

b）如果添加或更改了主适配器，该组将重新加载，导致短时间丢失连接。

（2）IEEE802.3ad动态链接聚合。

IEEE802.3ad動态链接聚合是一项用于提高交换机之间或服务器和交换机之间吞吐量的IEEE标准。方法是通过动态设置边界或通道将若干端口聚合一起并显示为使用链接聚合控制协议的单个链接。这样会提高链接的总带宽，并在交换机端口、电缆或适配器发生故障时提供容错。每个服务器最多可有两个IEEE802.3ad动态组。必须使用802.3ad交换机（在动态模式中，聚合可跨交换机）。配置成IEEE802.3ad的适配器组也提供容错和负载平衡。在IEEE802.3ad下，所有协议都可负载平衡。

5 分组模式比较

上述六种Intel网卡绑定方式的比较见下表。

6 结论

网络物理接口的冗余设计，目前已广泛应用于运载火箭的地面测发网络系统中[3]，有力地保证了网络系统的可靠性和稳健性，未来也将在地面网络系统中发挥不可替代的重要作用。本文简要介绍了网卡冗余设计的几种模式，随着网络技术的发展，后续将进一步结合工程应用，深入研究并开展创新设计工作

参考文献：

[1]谢希仁.计算机网络.电子工业出版社，2011，2-32.

[2]王春军.双网冗余系统的设计和实现.2008，5-10.

[3]郇极，等.工业以太网EtherCAT冗余和热插拔技术.2009，3（52）：158-161.

作者简介：李婧（1988-），女，陕西人，硕士，工程师，主要研究方向为计算机信息传输设计；曲展龙（1988-），男，山东人，硕士，工程师，主要研究方向为有线通信系统设计。