Windows下与硬件无关的网卡冗余热备的研究与设计

摘要

当今社会对信息化的需求越来越广泛和迫切,随之而来的是对网络的安全性、可靠性和实时性的要求也越来越高。网络系统的冗余热备增强了网络传输的可靠性。实现热备网络的核心之一是在计算机内实现双网卡的冗余热备,即两块网卡中只有一块主网卡通信,双网卡冗余热备系统实时检测主网卡及其链路,当出现故障后自动将备用网卡切换为主网卡工作。热备切换与上层应用程序无关,并且切换过程不影响应用程序的网络通信。
　　论文利用Windows操作系统与网卡驱动程序通信的接口标准NDIS,所研究设计的Windows系统下的双网卡冗余热备系统,实现了与具体网卡硬件无关的双网卡冗余热备功能。主要内容如下:
　　(1)论文首先分析对比了Windows操作系统网络体系结构、OSI模型和TCP/IP协议,深入分析了网络通信的实现机制。
　　(2)分析了双网卡冗余热备系统的基本功能需求,热备切换的关键过程主要包括:切换前后两块网卡共用一个IP地址;实时检测网卡及其链路故障并且能够自动热备切换;实现双网卡的绑定;物理地址不随网卡的切换而改变。通过分析以上关键过程,确定了通过截获并修改Windows数据包的方法来实现网卡切换前后共用一个IP地址,达到网卡热备切换的目标。通过分析比较Windows下用户模式和内核模式网络编程的优缺点,确定了采用中间层驱动程序进行系统设计。详细分析了中间层驱动程序的层次结构、框架和数据包操作。
　　(3)创新性地利用中间层驱动程序的优势位置截获并修改发送和接收的数据包,实现了绑定的两块网卡使用同一个IP地址;利用中间层驱动程序绑定了双网卡,并且能够控制绑定的主备关系;利用微端口驱动程序管理维护网卡信息的功能,实现实时故障检测,同时结合它提供的LBFO机制,实现了网卡之间的自动切换;网卡切换后,利用微端口驱动程序查询和设置网卡信息的功能,将新的主网卡物理地址设置为原来主网卡的物理地址,用来减少建立新链路的时间。
　　(4)利用系统可靠性理论分析了冗余热备网络系统的可靠性安全性指标。

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1 绪论

1.1 论文的背景和意义

1.2 研究现状

1.3 主要工作

2 Windows操作系统网络体系结构分析

2.1 Windows网络总体结构

2.2 OSI参考模型与TCP/IP协议的关系映射

3 与硬件无关网卡冗余热备的研究

3.1 双网卡冗余热备的功能需求分析

3.2 双网卡冗余热备方案的选择

3.3 中间层驱动程序的分析

4 与硬件无关网卡冗余热备的设计实现

4.1 IP数据报的截获修改

4.2 双网卡动态绑定的设计实现

4.3 故障检测及主副网卡切换的设计实现

4.4 主网卡失效后的处理

4.5 系统调试与测试

5 冗余热备网络系统的可靠性研究

5.1 可靠性安全性相关理论

5.2 冗余热备网络系统可靠性分析

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果