FC總線技術簡介(一)

1、FC總線技術簡介（一）在前面的介紹中，我們介紹了航空航天數(shù)據(jù)總線技術，并認為FC總線技術由于具備高速率的數(shù)據(jù)傳輸特性、較高可靠性、可擴展性強等特點被認為是未來航空總線發(fā)展的主要數(shù)據(jù)總線之一。因此，在接下來的幾期文章中，我們將從光纖通道技術、FC-AE系列標準、FC-AE-1553及FC標準簇等方面進行詳細介紹。在本期中，我們將對光纖通道的相關技術進行介紹，包括分層結構、拓撲結構、端口類型、服務類型及端口單元等方面。1. 光纖通道簡介光纖通道航空環(huán)境(FC-AE：Fiber Channel Avionics Environment)是光纖通道(Fiber Channel)標準開發(fā)組織制

2、定的一簇協(xié)議族，用于詳細定義可用于光纖通道航空電子環(huán)境上的(包含軍事以及商業(yè)應用)專用系統(tǒng)。該協(xié)議將快速可靠的通道技術和靈活的、可擴展的網(wǎng)絡技術有機融合在一起。FC 協(xié)議發(fā)展至今，已經(jīng)能夠支持很多上層協(xié)議和指令集，例如：MIL-STD-1553B、IP、ATM 等協(xié)議以及 HIPPI、IPI、SCSI等指令集，支持光纖和銅纜等多種物理介質(zhì)。FC 協(xié)議能夠很好地實現(xiàn)全雙工、半雙工和單工的通信模式。光纖通道的基本特點如下：·高帶寬、多媒介、長距離傳輸：串行傳輸速率已由最初的1Gbps 提高到4Gbps ，并且正在向更高速率、更大數(shù)據(jù)吞吐量發(fā)展，適用于不同模塊間大規(guī)模應

3、用數(shù)據(jù)（如音頻、視頻數(shù)據(jù)流）交換；以光纖、銅纜或屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì)，低成本的銅纜傳輸距離為25m，多模光纖傳輸距離為0.5km，單模光纖傳輸距離為10km；··可靠性與實時性：多種錯誤處理策略，32位CRC 校驗，利用優(yōu)先級不同適應不同報文要求，并解決媒介訪問控制時的沖突，傳輸誤碼率低于10-12，端到端的傳輸延遲小于10us，支持非應答方式與傳感器數(shù)據(jù)傳輸；··統(tǒng)一性與可擴展性：可以方便的增加和減少節(jié)點以滿足不同應用需求，拓撲結構靈活，支持多層次系統(tǒng)互連，利用高層協(xié)議映射提高兼容和適應能力?？梢园裇CSI、IP、ATM等協(xié)議映射到光纖通道上

4、，以有效地減少物理器件與附加設備的種類并降低經(jīng)濟成本；··開放式互連，遵循統(tǒng)一的國際標準。·光纖通道（FC）是高吞吐量、低延時、包交換及面向連接的網(wǎng)絡技術。整個標準系列還在不斷的發(fā)展，其中用于航空領域-航空電子系統(tǒng)環(huán)境工程（FC-AE）的協(xié)議規(guī)范已經(jīng)定制了5種，分別是：無簽名的匿名消息傳輸（FC-AE-ASM）、MIL-STD-1553高層協(xié)議（FC-AE-1553）、虛擬接口（FC-AE-VI）、FC輕量協(xié)議（FC-AE-FCLP）、遠程直接存儲器訪問協(xié)議（FC-AE-RDMA）。2. 光纖通道分層結構光纖通道主要分為5層（FC-0到FC-4），類似于

5、 OSI 的七層模型結構和 TCP/IP 的四層模型結構，F(xiàn)C協(xié)議具有五層模型結構。FC-0 接口與媒體層，用來定義物理鏈路及特性；FC-1 傳輸協(xié)議層，定義了編碼/解碼方案、字節(jié)同步和有序集；FC-2 鏈路控制層，定義了傳送成塊數(shù)據(jù)的規(guī)則和機制；FC-3 為通用服務層；FC-4 協(xié)議映射層，定義高層協(xié)議映射到低層協(xié)議的方法。其協(xié)議分層如圖1所示：圖1光纖通道分層結構圖·FC-0層描述物理接口，包括傳送介質(zhì)、發(fā)射機和接收機及其接口，F(xiàn)C-0層規(guī)定了各種介質(zhì)和與之有關的能以各種速率運行的驅(qū)動機和接收機；··FC-1層描述了8B/10B編碼，該碼型使控制字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)

6、分離且可簡化比特、字節(jié)和字同步；··FC-2層是信令協(xié)議層，它規(guī)定了需要傳送成塊數(shù)據(jù)的規(guī)則和機制，在協(xié)議中，F(xiàn)C-2層是最復雜的一層，它提供不同類型的服務、分組、排序、檢錯、傳送數(shù)據(jù)的分段重組；··FC-3層提供了一系列服務，是光纖通道節(jié)點的多個N端口所公用的；··FC-4層提供了光纖通道容量到已存在的更上層協(xié)議的映射。·····3.光纖通道的拓撲結構·光纖通道定義了3 種拓撲結構，分別是點對點（Point-to-Point）、仲裁環(huán)（Arbitrated Loop）和交換式

7、（Fabirc）拓撲結構，如圖2所示。圖2 光纖通道拓撲結構示意圖點對點連接是3種結構中最簡單的，如圖2（a）所示，通過光纜直接連接兩個設備的端口，能夠提供最大帶寬并可實現(xiàn)全雙工連接，可用于連接有大量持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸要求的節(jié)點。仲裁環(huán)可以進行126個設備的高速連接，數(shù)據(jù)在環(huán)路的一個方向上傳送，在任一時刻仲裁環(huán)只有一對端口進行通信，環(huán)中的設備只有當環(huán)處于空閑狀態(tài)，才能通過仲裁獲得仲裁環(huán)的使用權，一個或多個仲裁環(huán)路的網(wǎng)狀結構可以組成混合結構。仲裁環(huán)可以作為機載系統(tǒng)中外部存儲設備間的連接或顯示陣列間的連接。可以采用集線器式的環(huán)模式提高環(huán)連接的可靠性，如果加入端口旁路功能，則可對故障結點進行旁路，進一步提

8、高整個環(huán)的可靠性。交換式網(wǎng)絡在三種拓撲結構中功能最強大、可靠性最高、性能最好、帶寬最大，可以連接多達 1600 萬個設備，而且在同一時刻允許多個設備進行高速通信，但是價格昂貴些。在一條連接通道中，交換機可同時建立共享連接鏈路和多條直接連接通道，即可以同時進行分組交換和電路交換。各終端的端口通過點對點的雙向連接與交換機端口互連，每個端口都可以最大速度與交換機的端口建立連接。光纖通道可以根據(jù)需要配置成以上三種方式的混合網(wǎng)絡，從而提供最大限度的靈活性。4.光纖通道端口類型在光纖通道協(xié)議中，端口是通信的基本單元。所謂端口是一個節(jié)點內(nèi)部的硬件實體，通過光纖通道鏈路和相鄰的端口進行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)端口位置和

9、拓撲結構的不同，光纖通道協(xié)議定義了以下類型的端口：·N 端口，N 端口是實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的起點和入口，它是光纖通道協(xié)議中最簡單的端口，它的功能正確與否直接決定網(wǎng)絡是否正常工作；··F 端口，在光纖通道交換機中實現(xiàn)，為N端口之間提供管理和連接服務，是光纖通道網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)者；··L 端口，L 端口存在于光纖通道環(huán)網(wǎng)中，環(huán)狀網(wǎng)絡中的節(jié)點共享一個公用連接光纖通道環(huán)網(wǎng)，目的是為了降低光纖網(wǎng)絡的帶寬費用；·NL 端口和 FL 端口，F(xiàn)L 端口在交換機上實現(xiàn)，它作為一個特殊的節(jié)點加入到光纖環(huán)網(wǎng)中，NL 端口位

10、于環(huán)結構內(nèi)，具有 N 端口和L 端口的雙重能力。··5.光纖通道服務類型·光纖通道定義了6類服務，使用的類別很大程度上依賴所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型。服務類別之間的主要區(qū)別是使用不同的流控制類型。如果兩個N-Port 之間進行通信或者一個 N-Port 要注冊到交換式網(wǎng)絡，則至少需要1類公共服務支持，因為序列和交換需要使用1類服務，且在交換式網(wǎng)絡注冊和 N-Port 注冊的過程中信息進行了交換。·第1類服務：專用連接。第1類服務建立的專用連接要由交換機維持和保證，交換機將會按照源N端口的發(fā)送順序?qū)l(fā)送給目的 N端口。··第 2 類服務：復用連

11、接。第2類服務是無連接的服務，收到數(shù)據(jù)幀后需要發(fā)送鏈路控制幀進行確認。在一個給定的序列內(nèi)部，發(fā)射器會以連續(xù)的順序發(fā)送第2類數(shù)據(jù)幀，但是交換機可能不能保證按序傳送。··第 3 類服務：數(shù)據(jù)報。第3類服務是無連接的服務，只支持無確認的傳送，在接收到合法的數(shù)據(jù)幀后不發(fā)送任何鏈路控制幀進行確認。在一個給定的序列內(nèi)部，發(fā)射器會以連續(xù)的順序發(fā)送第 3 類數(shù)據(jù)幀。但是，交換機可能不能保證按順序傳送。··第 4 類服務：部分帶寬。利用交換機管理部分帶寬分配協(xié)議，第 4 類服務使用建立在交換機內(nèi)部和兩個正在通信的 N 端口之間的虛電路來彼此發(fā)送幀。在一個給定的序列內(nèi)部，發(fā)

12、射器會以連續(xù)的順序發(fā)送第 4類數(shù)據(jù)幀，交換機會以和源 N 端口發(fā)送順序相同的順序發(fā)送幀到目的 N 端口。··第 5 類服務：5 類服務用于同步、即時服務。但到目前為止還沒有被完整的定義，有可能會被廢棄。··第 6 類服務：多點傳送連接。第 6 類服務允許一個 N 端口和多個 N 端口建立同時的專用連接。一旦專用連接建立，它們就要由交換機維持和保證。第 6類的數(shù)據(jù)流只能由源 N 端口到目的N 端口。所有的目的 N 端口會發(fā)送適當?shù)逆溌坊貞獛o一個多點傳送服務器，多點傳送服務器會收集這些鏈路回應幀并返回一個單獨的鏈路回應幀給源 N 端口。··6.光纖通道數(shù)據(jù)單元·光纖通道幀和信令協(xié)議定義了 3 種協(xié)議數(shù)據(jù)單元：幀（Frame）、序列（Sequence）和交換（Exchange），它們之間的層次關系如圖所示。圖3 光纖通道幀與信令協(xié)議之間的層次關系圖幀都遵循通用的幀格式，其幀格式如圖所示。圖4 幀格式示意圖每個幀包括開始分隔符，大小為 24 個字節(jié)的固定幀頭，多種可操作服務頭，從 0 到 2112 個字節(jié)的長度靈活的有效載荷，一個幀標準循環(huán)冗余碼校驗和一個結束分隔符。序列是從一個 N 端口向另一個 N