专利名称：一种多冗余的以太网数据传输系统及传输方法
技术领域：
本发明涉及一种传输系统及传输方法，尤其是涉及一种多冗余的以太网数据传输系统及传输方法。
背景技术：
数据通信系统通常要求系统具有很高的可靠性和吞吐量，前者强调系统的稳定， 无论遇到突发故障还是主动维护，都不会影响系统的正常运行；后者强调系统的效率，即在保证系统的可靠性的情况下，数据通信吞吐量越高越好。通常的双网卡冗余设计作为一种提高网络通信稳定性和可靠性的有效方法，已经获得了广泛的应用。它可以保证系统在局部网络发生故障后，不至于引发全系统的崩溃。双网卡冗余设计是在网络通信的每个节点上采用2个网络接口，中间通过2个接线器或路由器相连。当网卡或通信线路连接出现故障、通信异常以及通信不可靠时，通信节点能主动切换到备份网卡进行通信；当相互通信的另一双网卡冗余节点发生主动切换时，通信节点能随动切换到备份网卡进行通信。
双网卡冗余只能在某种程度上提高系统的稳定性，而忽略了系统的效率，无法满足对实时性要求较高的传输需求(如实时语音、视频传输)。目前双网卡冗余系统一般通过检测某块网卡的硬件是否故障决定是否进行切换，这往往导致切换时间过长，而且当在网卡接入硬件正常，而是数据传输本身存在较大延时过长时或故障时，双网卡冗余系统往往不会进行切换。针对双网卡冗余系统的不足，在基于虚拟网卡的多冗余以太网系统中，每个节点都采用多块网卡，中间通过多个网络交换设备互联。当某个节点的某个网卡故障时或某段网络链路故障时，网络仍能正常工作。于虚拟网卡的多冗余以太网能动态在多冗余链路中选择最优路径，即提高了系统的稳定性，又提高了系统的吞吐量。应用软件只看到一块虚拟网卡在工作，并不关心是那块物理网卡在工作，也不关心网卡之间如何切换备份与数据并发。发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种解决现有双冗余以太网数据传输系统存在的切换恢复时间长的问题，并能动态在多冗余链路中选择最优路径， 即提高了系统的稳定性，又提高了系统的吞吐量的一种多冗余的以太网数据传输系统及传输方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的本发明的一种多冗余的以太网数据传输系统，包括多个通信节点，每个通信节点具有多块网卡和上层主机，每个物理网卡均能够通过网络设备和其他节点的用户自定义的某个网卡进行连接；并且，所述每个通信节点均包括一个虚拟网卡，每个虚拟网卡具有唯一的 MAC地址和IP，所述每个通信节点中的每块网卡均具有唯一的MAC地址和IP。
上述的一种 多冗余的以太网数据传输系统，所述的网络设备包括路由器和交换机。
本发明的一种采用多冗余的以太网数据传输系统的传输方法，具有以下选择性的传输方法传输方法一为同发单收模式，具体包括以下子步骤步骤1.1、节点A上层主机发送数据到虚拟网卡；步骤1. 2、节点A虚拟网卡将数据通过同发单收的发送算法并发到物理网卡；步骤1. 3、节点B物理网卡收到数据发送到虚拟网卡；步骤1. 4、节点A虚拟网卡通过同发单收的接收算法选出数据发送给上层软件；传输方法二为异发多收模式，具体包括以下子步骤步骤2.1、节点A上层软件发送数据到虚拟网卡；步骤2. 2、节点A虚拟网卡将数据通过异发多收的发送算法分组发送到物理网卡；步骤2. 3、节点B物理网卡收到数据发送到虚拟网卡；步骤2. 4、节点A虚拟网卡通过异发多收的接收算法合并分组数据发送给上层软件。
传输方法三为混合模式，具体包括以下子步骤步骤3.1、节点A上层软件发送数据到虚拟网卡；步骤3. 2、节点A虚拟网卡将数据通过混合模式的发送算法分组发送到物理网卡； 步骤3. 3、节点B物理网卡收到数据发送到虚拟网卡；步骤3. 4、节点A虚拟网卡通过混合模式的接收算法合并分组数据发送给上层软件。
上述的采用多冗余的以太网数据传输系统的传输方法，所述同发单收算法的具体过程是1、在发送端虚拟网卡将需要发送的数据加工并添加包括序号、时戳和校验码后发送到多个物理网卡，由物理网卡完成实际的发送过程；2、在接收端，物理网卡接收到数据后不进行任何处理直接将数据交给接收端的虚拟网卡进行处理；3、接收端虚拟网卡接收到数据后根据接收具体的算法，选出一组数据将其发送给上层软件；所述异发多收算法的具体过程是1、在发送端虚拟网卡将需要发送的数据进行分组和对分组信息进行加工并按分组添加包括序号、时戳和校验码后，将每个分组的不同数据分别发送到分组的多个物理网卡，由物理网卡完成实际的发送过程；2、在接收端，物理网卡接收到数据后不进行任何处理直接将数据交给接收端的虚拟网卡进行处理；3、接收端虚拟网卡接收到数据后根据接收具体的算法得到不同的分组数据，并将分组数据组合起来得到完整数据后将其发送给上层软件；所述混合模式算法的具体过程是混合模式算法就是在发送侧和接收侧同时混合使用同发单收算法和异发多收算法。
因此，本发明具有 如下优点解决现有双冗余以太网数据传输系统存在的切换恢复时间长的问题，并能动态在多冗余链路中选择最优路径，即提高了系统的稳定性，又提高了系统的吞吐量。
图1为本发明结构示意图；图2为同发单收模式流程图；图3为异发多收模式流程图；图4为混合模式流程图；图5为通信出现异常时自动切换的实施例流程图；图6是一种同发单收算法流程图；图7是一种异发多收算法流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的一种多冗余的以太网数据传输系统及传输方法技术方案作进一步具体的说明。
实施例一种多冗余的以太网数据传输系统，包括多个通信节点，每个通信节点具有多块网卡和上层主机，每个物理网卡均能够通过网络设备和其他节点的用户自定义的某个网卡进行连接；并且，所述每个通信节点均包括一个虚拟网卡，每个虚拟网卡具有唯一的 MAC地址和IP，所述每个通信节点中的每块网卡均具有唯一的MAC地址和IP。所述的网络设备包括路由器和交换机。
一种多冗余的以太网数据传输系统的传输方法，具有以下选择性的传输方法 传输方法一为同发单收模式，具体包括以下子步骤步骤1.1、节点A上层主机发送数据到虚拟网卡；步骤1. 2、节点A虚拟网卡将数据通过同发单收的发送算法并发到物理网卡；步骤1. 3、节点B物理网卡收到数据发送到虚拟网卡；步骤1. 4、节点A虚拟网卡通过同发单收的接收算法选出数据发送给上层软件；传输方法二为异发多收模式，具体包括以下子步骤步骤2.1、节点A上层软件发送数据到虚拟网卡；步骤2.2、节点A虚拟网卡将数据通过异发多收的发送算法分组发送到物理网卡；步骤2. 3、节点B物理网卡收到数据发送到虚拟网卡；步骤2. 4、节点A虚拟网卡通过异发多收的接收算法合并分组数据发送给上层软件； 传输方法三为混合模式，具体包括以下子步骤步骤3.1、节点A上层软件发送数据到虚拟网卡；步骤3. 2、节点A虚拟网卡将数据通过混合模式的发送算法分组发送到物理网卡； 步骤3. 3、节点B物理网卡收到数据发送到虚拟网卡；步骤3. 4、节点A虚拟网卡通过混合模式的接收算法合并分组数据发送给上层软件。
所述同发单收算法的具体过程是1、在发送端虚拟网卡将需要发送的数据加工并添加包括序号、时戳和校验码后发送到多个物理网卡，由物理网卡完成实际的发送过程；2、 在接收端，物理网卡接收到数据后不进行任何处理直接将数据交给接收端的虚拟网卡进行处理；3、接收端虚拟网卡接收到数据后根据接收具体的算法，选出一组数据将其发送给上层软件；所述异发多收算法的具体过程是1、在发送端虚拟网卡将需要发送的数据进行分组并对分组信息进行加工并按分组添加包括序号、时戳和校验码后，将每个分组的不同数据分别发送到分组的多个物理网卡，由物理网卡完成实际的发送过程；2、在接收端，物理网卡接收到数据后不进行任何处理直接将数据交给接收端的虚拟网卡进行处理；3、接收端虚拟网卡接收到数据后根据接收具体的算法得到不同的分组数据，并将分组数据组合起来得到完整数据后将其发送给上层软件；所述混合模式算法的具体过程是混合模式算法就是在发送侧和接收侧同时混合使用同发单收算法和异发多收算法。
结合技术原理、技术方案和技术效果对本发明作进一步详细说明如下本发明的多冗余的以太网数据传输系统，由多个通信节点通过多个网络交换设备连接构成，每个通信节点具有多块网卡，每个物理网卡均可通过不同的网络设备和其他节点的某块网卡进行连接。虽然各个通信节点间在物理上存在多条通信链路，但在逻辑上仅仅存在一个逻辑通道进行通信。
主要表现在(1)每个通信节点具有在通信系统中都具有唯一的虚拟网卡，每个虚拟网卡具有唯一的MAC地址和IP，这保证了通信节点在逻辑上的唯一性。从应用程序的角度看，每个通信节点同时只有一块虚拟网卡在工作，应用程序不关心是具体是哪块物理网卡在收发数据，也不关心物理网卡之间是如何选择和切换的。
(2)每个通信节点具有在通信系统中都具有多个的物理网卡，每个物理网卡具有唯一的MAC地址和IP，这保证了物理网卡在物理上的唯一性。从数据传输角度上看，每个通信节点同时存在多块物理网卡在工作，每块物理网卡在虚拟网卡的控制下进行数据收发。
(3)多冗余的以太网数据传输系统能配置为同发单收的工作模式，在该模式下，能最大限度的提高系统的可靠性。在通信发送节点的每个物理网卡同时均发送同样的数据包，这就是所谓的同发；而通信接收节点的每个物理网卡同时接收数据包，由虚拟网卡的控制软件来决定选择哪一个物理网接收的数据包，这就是所谓的单收。考虑每个节点存在N 个物理网卡，假设每个网卡通信有效性为P (0〈ρ〈1)，则系统的有效性为I 一 pN。以每个网卡通信有效性50%为例，在同发单收的工作模式下，当系统每个节点存在2个物理网卡， 则系统的有效性为75% ;当系统每个节点存在10个物理网卡，则系统的有效性为99. 9%。 相比单个网卡50%多冗余的以太网的同发单收模式能有效地提高系统的有效性。
(4)多冗余的以太网数据传输系统能配置为异发多收的工作模式，在该模式下，能最大限度的提高系统的吞吐量。在通信发送节点的每个物理网卡同时均发送不同的数据包，这就是所谓的异发；而通信接收节点的每个物理网卡同时接收数据包，由虚拟网卡的控制软件来全部接收所有物理网接收的数据包，这就是所谓的多收。考虑每个节点存在N个物理网卡，每个节点的物理网卡吞吐量为q，则在异发多收的工作模式下，系统总体的吞吐量为NX q，相对于单网卡系统提高了 N倍。以每个网卡通信吞吐量为IOOMbps为例，在异发多收的工作模式下，当系统每个节点存在2个物理网卡，则系统的吞吐量为200Mbps ;当系统每个节点存在10个物理网卡，则系统的有效性为1000Mbps。相比单个网卡50%多冗余的以太网的异发多收模式能有效地提高系统的有吞吐量。
(5)多冗余的以太网数据传输系统能灵活地配置为不同的工作模式，来提供不同的网络传输功能。即能全部配置同发单收模式来提高系统的的稳定性，又能配置为异发多收模式来提高系统吞吐量，还能配置为混合模式，即同时配置为同发单收和异发多收的模式来在质和量两个方面满足不同的用户通信需求。
本发明在具体有两台计算机中，一台为节点A, —台为节点B,节点A发送数据到节点B ;同发单收模式实施流程(节 点A发送数据，节点B接收数据)(I)节点A上层软件发送数据到虚拟网卡；(2)节点A虚拟网卡将数据通过同发单收的发送算法并发到物理网卡。
(3)节点B物理网卡收到数据发送到虚拟网卡。
(4)节点A虚拟网卡通过同发单收的接收算法选出数据发送给上层软件。
异发多收模式实施流程(1)节点A上层软件发送数据到虚拟网卡；(2)节点A虚拟网卡将数据通过异发多收的发送算法分组发送到物理网卡。
(3)节点B物理网卡收到数据发送到虚拟网卡。
(4)节点A虚拟网卡通过异发多收的接收算法合并分组数据发送给上层软件。
基于虚拟网卡的多冗余以太网数据传输系统和双网卡冗余以太网数据传输系统测试结果如下，可以发现基于虚拟网卡的多冗余以太网数据传输系统即提高了系统的稳定性，又提高了系统的吞吐量。
权利要求
1.一种多冗余的以太网数据传输系统，其特征在于，包括多个通信节点，每个通信节点具有多块网卡和上层主机，每个物理网卡均能够通过网络设备和其他节点的用户自定义的某个网卡进行连接；并且，所述每个通信节点均包括一个虚拟网卡，每个虚拟网卡具有唯一的MAC地址和IP，所述每个通信节点中的每块网卡均具有唯一的MAC地址和IP。
2.根据权利要求1所述的一种多冗余的以太网数据传输系统，其特征在于，所述的网络设备包括路由器和交换机。
3.一种采用权利要求1所述的多冗余的以太网数据传输系统的传输方法，其特征在于，具有以下选择性的传输方法传输方法一为同发单收模式，具体包括以下子步骤步骤1.1、节点A上层主机发送数据到虚拟网卡；步骤1. 2、节点A虚拟网卡将数据通过同发单收的发送算法并发到物理网卡；步骤1. 3、节点B物理网卡收到数据发送到虚拟网卡；步骤1. 4、节点A虚拟网卡通过同发单收的接收算法选出数据发送给上层软件；传输方法二为异发多收模式，具体包括以下子步骤步骤2.1、节点A上层软件发送数据到虚拟网卡；步骤2. 2、节点A虚拟网卡将数据通过异发多收的发送算法分组发送到物理网卡；步骤2. 3、节点B物理网卡收到数据发送到虚拟网卡；步骤2. 4、节点A虚拟网卡通过异发多收的接收算法合并分组数据发送给上层软件； 传输方法三为混合模式，具体包括以下子步骤步骤3.1、节点A上层软件发送数据到虚拟网卡；步骤3. 2、节点A虚拟网卡将数据通过混合模式的发送算法分组发送到物理网卡； 步骤3. 3、节点B物理网卡收到数据发送到虚拟网卡；步骤3. 4、节点A虚拟网卡通过混合模式的接收算法合并分组数据发送给上层软件。
4.根据权利要求3所述的采用多冗余的以太网数据传输系统的传输方法，其特征在于，所述同发单收算法的具体过程是1、在发送端虚拟网卡将需要发送的数据加工并添加包括序号、时戳和校验码后发送到多个物理网卡，由物理网卡完成实际的发送过程；2、在接收端，物理网卡接收到数据后不进行任何处理直接将数据交给接收端的虚拟网卡进行处理；3、接收端虚拟网卡接收到数据后根据接收具体的算法，选出一组数据将其发送给上层软件；所述异发多收算法的具体过程是1、在发送端虚拟网卡将需要发送的数据进行分组并对分组信息进行加工并按分组添加包括序号、时戳和校验码后，将每个分组的不同数据分别发送到分组的多个物理网卡，由物理网卡完成实际的发送过程；2、在接收端，物理网卡接收到数据后不进行任何处理直接将数据交给接收端的虚拟网卡进行处理；3、接收端虚拟网卡接收到数据后根据接收具体的算法得到不同的分组数据，并将分组数据组合起来得到完整数据后将其发送给上层软件；所述混合模式算法的具体过程是混合模式算法就是在发送侧和接收侧同时混合使用同发单收算法和异发多收算法。
全文摘要
本发明提供一种多冗余的以太网数据传输系统及传输方法，包括多个通信节点，每个通信节点具有多块网卡和上层主机，每个物理网卡均能够通过网络设备和其他节点的用户自定义的某个网卡进行连接；并且，所述每个通信节点均包括一个虚拟网卡，每个虚拟网卡具有唯一的MAC地址和IP，所述每个通信节点中的每块网卡均具有唯一的MAC地址和IP。本发明解决现有双冗余以太网数据传输系统存在的切换恢复时间长的问题，并能动态在多冗余链路中选择最优路径，即提高了系统的稳定性，又提高了系统的吞吐量。多冗余的以太网数据传输系统能灵活地配置为不同的工作模式，来提供不同的网络传输功能。
文档编号H04L12/24GK103036728SQ20121057915
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者樊荣, 张一都, 徐峻峰, 杜祝, 陈文辉, 李曙东 申请人:中国船舶重工集团公司第七二二研究所