《电子技术应用》

FC光纤通道技术研究综述

2016年电子技术应用第9期 作者:田 泽1,2,徐文龙3,许 恒3,黎小玉1,2
2016/11/17 10:41:00

  田  泽1,2,徐文龙3,许  恒3,黎小玉1,2

  (1.中航工业西安航空计算技术研究所,陕西 西安710068;2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室,陕西 西安710068;3.西安翔腾微电子科技有限公司,陕西 西安710068)

  摘  要: 光纤通道是一个为适应高性能数据传输要求而设计的通信协议,满足系统结构的标准化,适应高速、大量、可靠、有效信息通信和处理的要求,它在新一代航空电子系统中已被广泛采用。基于航空电子系统对航空电子网络的需求,介绍了FC协议的起源与发展、FC协议分层模型、FC传输帧格式,以及FC网络传输支持的错误处理方式和余度管理等,深入分析了基于FC协议构建的网络拓扑结构及其特点,进一步说明了FC网络未来的发展趋势,为基于光纤通道技术的网络构建和网络通信提供了理论依据。

  关键词: 光纤通道;FC协议;FC网络构建

0 引言

  随着计算机技术、通信技术和网络构建技术的发展,航空电子系统进一步向统一化、灵活化和便于融合的方向发展,对总线网络的数据传输要求也越来越高。光纤通道(Fiber Channel,简称FC)具有高带宽、低延迟、长距离传输、拓扑灵活、支持多种上层协议等优点[1],是一个为适应高性能数据传输要求而设计的通信协议。

  当前光纤通道在商业领域中已被广泛采用,并且能够提供航空电子系统下新一代的统一航电网络构建支持。美国国家标准委员会还专门成立了研究光纤通道用于航空电子系统的分委员会(ANSI FC-AE),该分委员会与波音公司、洛克西德马丁公司等合作制定了一组专门用于航空电子系统的FC协议子集,即光纤通道航空电子环境(FC-AE),其中FC高层协议采用的就是FC-AE下的匿名签署消息传输协议(FC-AE-ASM)。光纤通道替代当前的航空电子主网络MIL-STD-1553,已成为航空电子系统发展的必然趋势,光纤通道也将成为构建新一代的统一航空电子网络的首选。

  光纤通道将通道传输的高速性和网络传输的灵活性结合在一起,采用层次化的结构,共分为5层:FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4;定义了3种拓扑结构:点对点、交换式、仲裁环网络,既能方便地实现高速高效的传输,同时也提供了极大的灵活性,特别是交换式网络的拓扑,为复杂设备的互连提供了一种很好的解决方案。

1 光纤通道关键技术

  光纤通道以COTS为基础,它综合了计算机通道和数据网络的概念,提出了一个不同于传统的通道和网络结构的互连方案,是一种具有高实时性、高可靠性、高带宽、高性价比的开放式网络技术[2]。采用通道技术控制信号传输,使用仲裁或交换方式处理共享冲突,并采用了基于信用的流量控制策略。

  1.1 FC协议分层模型

  与通用的OSI7层网络模型类似,FC协议也采用分层协议模型,分别为FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4层,如图1所示。其中FC-0层定义了接口和介质的物理特性;FC-1定义了编解码和传输协议;FC-2层规定了数据传输的规则;FC-3层为一些高级特性提供了所需要的通用服务;FC-4层规定了上层协议到FC协议的映射。

图像 001.png

  T11小组制定了系列标准约束了各层协议的具体功能如下:

  FC-PH(Fibre Channel Physical and Signaling Interface):约束了FC-0、FC-1、FC-2层应遵循的规定,定义了和计算机直连时的机械、光学、信号协议的详细规范。

  FC-FS(Fibre Channel Framing and Singnaling):约束了FC-1、FC-2、FC-3层应遵循的规定,定义了FC传输的基本控制特性和公共服务。

  在FC-4层制定了与通道相关的IPI、SCSI、HIPPI和SBCCS等标准,与网络相关的FC-AE、FC-AV、FC-SW等标准。

  FC-AE主要涉及的应用领域在航空电子指挥、控制、监测、仿真、信号处理和传感器/视频数据分发方面。FC-AE主要包括5个部分:无签名的匿名消息传输FC-AE-ASM(Anonymous Subscriber Messaging)、MIL-STD-1553高层协议FC-AE-1553、虚拟接口FC-AE-VI(Virtual Interface)、FC轻量协议FC-AE-LP(Lightweight Protocol)、远程直接存储器访问协议FC-AE-RDMA(Remote Direct Memory Access)[3,4]。每一部分都支持一个或多个高层协议和拓扑结构,实现实时光纤通道网络特征,具备了支持不同航空电子系统需求的网络能力。

  FC-AV定义了利用光纤通道交换、序列、帧的组织形式,传送音频、视频、辅助数据和控制流的标准方法,为视频设备之间互连提供一种接口标准。FC-AV通信接口实现FC-AV中简单控制协议FHCP,提供视频源到显示设备之间的高速通信接口及对各种拓扑结构的支持。

  1.2 FC网络拓扑结构

  FC拓扑结构与FC节点类型密切相关,即不同的节点类型所应用的网络拓扑不同。在介绍FC拓扑结构之前先对相关概念给出如下说明:

  (1)N_Port:Node Port节点端口,光纤通道通信的终端,可以担当应答或发送方的硬件实体,包含了一个链路控制设备(LCF),但是不能用于仲裁环拓扑结构中。

  (2)L_Port:光纤通道通信的终端,可以担当应答或发送方的硬件实体,包含了一个链路控制设备(LCF),而且支持仲裁环拓扑结构。

  (3)NL_Port:Node Loop Port节点环路端口,同时具备N端口和L端口功能的FC端口设备。

  (4)F_Port:Fabric Port光纤端口,一种交换连接端口,交换结构中位于交换机内部用于和N端口相连的FC链路控制设备。

  (5)FL_Port:Fabric Loop Port光纤环路端口,交换结构中位于交换机内部用于和N端口相连的FC链路控制设备,同时可以作为仲裁环上的一个节点使用。

  FC标准定义了3种基本的拓扑结构:点到点、仲裁环和交换结构。

  (1)点对点网络拓扑结构。点对点网络拓扑结构在2个直接相连的N-Port中进行通信,不需要交换网,其网络拓扑如图2所示。该网络拓扑结构在应用中具有带宽高、数据顺序传输及低延时等优点,但该网络拓扑可扩展性和灵活性较差。

图像 002.png

  (2)仲栽环网络拓朴结构。仲栽环网络拓扑结构允许2个或更多L-Port相互通信而不使用交换网,仲栽环路在同一时刻最多支持一个点对点回路。当2个L-Port互相通信时,仲栽环网络拓扑结构支持同时发生的、对称的双向流动。其网络拓扑结构如图3所示。该网络拓扑结构成本低,但容错性差、带宽较低。

图像 003.png

  (3)交换式网络拓扑结构。交换式网络拓扑结构是使用交换机将需要通信的N_Port连接起来构成的通信网络。理论上,结构中连接的设备数最多可达1 500万个以上,而且允许多个设备在同一时刻进行高速通信。其网络拓扑结构如图4所示。该网络拓扑扩展性较好、带宽高、隔离性强,但网络搭建成本高、设计难度大。

图像 004.png

  (4)融合式网络拓扑结构。在实际应用中,单一的网络拓扑结构并不能满足不同的应用需求,需要将以上基本的网络拓扑结合使用,构建更适合应用环境的融合式网络。该网络结合了以上网络的优点,为复杂应用环境的FC网络构建提供了解决方案。

  1.3 FC技术特点

  1.3.1 FC帧格式

  FC网络中数据传输的基本单位是FC帧,在FC-2中对帧的格式给出了统一的规定:一个FC帧是由SOF、帧内容以及EOF 3部分组成,而帧内容又可以分为帧头、数据字段及CRC 3个部分。FC帧格式如图5所示。

图像 005.png

  帧中的各个部分解释如下:

  (1)SOF和EOF:这2个有序集用于标识帧的开始和结束,且SOF和EOF在不同的帧、不同的使用环境中的具体数值是不一样的。

  (2)帧头:在帧格式中,帧头是一个24 B的字段,按照字边界进行传输。用于控制链路操作、设备协议的传输以及帧丢失或乱序检测。在FC中对帧头给出了统一的格式定义,参见图6。

图像 006.png

  (3)CRC字段:该字段包含4 B的CRC校验码,用于验证FC帧中的帧头和数据字段的完整性,但是SOF和EOF没有包含在CRC校验中。

  1.3.2 FC错误处理方式

  在数据通信领域,由于外界干扰、时钟漂移、环境应力等因素的作用,在通信过程中可能会出现各种各样的错误。在FC协议标准中将这些错误分为帧错误和链路错误2种:帧错误是指由于帧的丢失或损坏引起的错误,该错误可能进一步导致序列出现完整性错误;链路错误则是指检测到比帧错误更低级别的基本特征信号出现错误,包括丢失信号错误,丢失同步错误和其他链路超时错误。

  针对不同的错误类型,FC-2中给出了相应的错误检测与恢复方法,以保证链路和数据通信的可靠性。

  链路错误处理包括链路故障检测、代码损坏检测和原语序列协议错误检测,同时链路错误恢复使用原语序列协议来完成,包括3种原语序列协议:链路故障协议、链路初始化协议和链路复位协议。

  帧错误可以分为序列错误和交换错误,交换错误处理策略包括丢弃多个序列、丢弃单个序列、丢弃多个序列并重传丢弃序列和无限缓冲处理方式。

  1.3.3 余度接口

  在航空电子系统中为了增强传输网络可靠性,通过FC MAC层双通道控制实现了双余度接口,支持双通道容错通信,对于航空电子系统中所包含的消息类型及应用环境的不同,可以通过通道选择和收发控制达到余度容错功能。

2 FC网络特点及发展趋势

  2.1 FC网络特点

  (1)高带宽、多媒介、长距离传输。串行传输速率1.062 Gb/s~32 Gb/s,数据吞吐量大,适用于不同模块间大规模应用数据(如音频、视频数据流)交换;以光纤、铜缆或屏蔽双绞线为传输介质,低成本的铜线支持1 Gb/s的传输速率和25 m以上的距离传输,多模光纤传输距离为0.5 km,单模光纤传输距离为10 km。

  (2)高可靠性与强实时性。多种错误处理策略,32 bit CRC;利用优先级占先适应不同报文要求与解决媒体访问控制时的冲突,传输位差错率低于10~12 ;端到端传输延迟量级小于10 ?滋s,支持非应答方式与传感器数据传输,满足快速交付的性能等级要求。

  (3)统一性与可扩展性。可方便地增加和减少节点以满足不同应用的需求,拓扑结构灵活,支持多层次系统互连;利用高层协议映射提供强大的兼容和适应能力,可有效地减少物理器件与附加设备的种类,并降低经济成本。

  (4)开放式互连。遵循统一的国际标准,可确保不同生产厂商的产品能够互相协作使用。

  2.2 FC网络发展趋势

  (1)随着航空技术的不断发展,航空电子系统的系统组成方式在不断变化[5]。航空电子系统从各子系统相互独立的“分离式”到“联合式”,再到正在使用的第三代“综合式”和第四代“先进综合式”,其体系结构明显呈现出融合的趋势。新一代统一的光纤网络航空电子系统将实现面向功能分区的信息通信的通用化,提高系统传输带宽,统一系统信息的通信格式和标准。

  (2)统一的光纤机载网络可以根据任务的变化快速改变功能,具有良好的可扩展性,能够完成比较复杂的任务。同时,机载系统部件的数据处理能力和机载系统数据融合的能力也在不断增强。数据的采集、处理和显示需通过高速机载数据总线进行连接[6]。

  (3)统一的光纤网络系统不仅具有实时性和可维护性,还具有较强的容错能力和苛刻环境的适应力;占用更少的空间和系统资源;增强航空电子的整体系统性能,提高系统应用软件设计的灵活性。

  (4)统一的光纤网络在小型化、低功耗、高安全性、高度综合、复杂恶劣环境等应用需求下,提供了较小的解决方案,同时随着FC协议自身的不断发展,也将同时提高FC网络的传输速率和安全性。所以基于FC的网络系统必将越来越广泛地应用到航空电子系统中,成为航空网络的首选方案。

3 小结

  FC网络是目前最具应用前景的航空电子网络技术,不仅可以满足航空对高传输速率、高安全性和高兼容性的要求,而且还可以满足新一代航电系统小型化和低功耗的标准。本文介绍了FC协议的起源与发展、FC协议分层模型、FC传输帧格式,以及FC网络传输支持的错误处理方式和余度管理等,深入分析了基于FC协议构建的网络拓扑结构及其特点,指导后续设计开发工作,为FC技术深入推广到航空、航天和船舶领域奠定了基础。

  参考文献

  [1] INCITS.T11/08-013v1.Fibre channel avionics environementanonymous subscriber messaging(ASM)/Ammendment 1[S].Washington:InterNational Committee for Information Technology Standards,2008.

  [2] 黎小玉,田泽.FC分析仪软件设计与实现[J].计算机技术与发展,2013(8).

  [3] ANSI Fiber Channel Physical and Signaling Interface(FCPH),X3[M].US:ANSI,1994.

  [4] ANSI Fiber Channel Avionics Environment-Anonymous Subscriber Messaging(FC-AE-ASM),Rev1.2[M].US:ANSI,2006.

  [5] 王磊,裴丽.光纤通信的发展现状和未来[J].中国科技信息,2006(4).

  [6] 周耀荣.航空系统结构发展趋势[Z].2006,5.

  [7] 刘娟,田泽.光纤通道的核心技术与实现[D].西安:西安石油大学,2010(5).

  [8] 刘鑫,陆文娟.光纤通道在航空电子环境的应用及关键技术研究[J].光通信技术,2006(6).

  [9] 林强.光纤通道综述[J].计算机应用研究,2006(2).

  [10] 王海青,王岩.光纤通道在航空电子环境中的应用[J].飞机设计,2014(2).

  


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