FC總線技術(shù)簡介(一)

1、FC總線技術(shù)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(shù)，并認(rèn)為FC總線技術(shù)由于具備高速率的數(shù)據(jù)傳輸特性、較高可靠性、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)被認(rèn)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(shù)、FC-AE系列標(biāo)準(zhǔn)、FC-AE-1553及FC標(biāo)準(zhǔn)簇等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。在本期中，我們將對(duì)光纖通道的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹，包括分層結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、端口類型、服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織制

2、定的一簇協(xié)議族，用于詳細(xì)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(yīng)用)專用系統(tǒng)。該協(xié)議將快速可靠的通道技術(shù)和靈活的、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)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(shí)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(diǎn)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(yīng)

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(shí)時(shí)性：多種錯(cuò)誤處理策略，32位CRC 校驗(yàn)，利用優(yōu)先級(jí)不同適應(yīng)不同報(bào)文要求，并解決媒介訪問控制時(shí)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(yīng)答方式與傳感器數(shù)據(jù)傳輸；··統(tǒng)一性與可擴(kuò)展性：可以方便的增加和減少節(jié)點(diǎn)以滿足不同應(yīng)用需求，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)備的種類并降低經(jīng)濟(jì)成本；··開放式互連，遵循統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。·光纖通道（FC）是高吞吐量、低延時(shí)、包交換及面向連接的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列還在不斷的發(fā)展，其中用于航空領(lǐng)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(yuǎn)程直接存儲(chǔ)器訪問協(xié)議（FC-AE-RDMA）。2. 光纖通道分層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和 TCP/IP 的四層模型結(jié)構(gòu)，F(xiàn)C協(xié)議具有五層模型結(jié)構(gòu)。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(jī)制；FC-3 為通用服務(wù)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(jié)構(gòu)圖·FC-0層描述物理接口，包括傳送介質(zhì)、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)及其接口，F(xiàn)C-0層規(guī)定了各種介質(zhì)和與之有關(guān)的能以各種速率運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)機(jī)和接收機(jī)；··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(jī)制，在協(xié)議中，F(xiàn)C-2層是最復(fù)雜的一層，它提供不同類型的服務(wù)、分組、排序、檢錯(cuò)、傳送數(shù)據(jù)的分段重組；··FC-3層提供了一系列服務(wù)，是光纖通道節(jié)點(diǎn)的多個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)·光纖通道定義了3 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Point-to-Point）、仲裁環(huán)（Arbitrated Loop）和交換式

7、（Fabirc）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2 光纖通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接是3種結(jié)構(gòu)中最簡單的，如圖2（a）所示，通過光纜直接連接兩個(gè)設(shè)備的端口，能夠提供最大帶寬并可實(shí)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(diǎn)。仲裁環(huán)可以進(jìn)行126個(gè)設(shè)備的高速連接，數(shù)據(jù)在環(huán)路的一個(gè)方向上傳送，在任一時(shí)刻仲裁環(huán)只有一對(duì)端口進(jìn)行通信，環(huán)中的設(shè)備只有當(dāng)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(quán)，一個(gè)或多個(gè)仲裁環(huán)路的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以組成混合結(jié)構(gòu)。仲裁環(huán)可以作為機(jī)載系統(tǒng)中外部存儲(chǔ)設(shè)備間的連接或顯示陣列間的連接?？梢圆捎眉€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(duì)故障結(jié)點(diǎn)進(jìn)行旁路，進(jìn)一步提

8、高整個(gè)環(huán)的可靠性。交換式網(wǎng)絡(luò)在三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中功能最強(qiáng)大、可靠性最高、性能最好、帶寬最大，可以連接多達(dá) 1600 萬個(gè)設(shè)備，而且在同一時(shí)刻允許多個(gè)設(shè)備進(jìn)行高速通信，但是價(jià)格昂貴些。在一條連接通道中，交換機(jī)可同時(shí)建立共享連接鏈路和多條直接連接通道，即可以同時(shí)進(jìn)行分組交換和電路交換。各終端的端口通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙向連接與交換機(jī)端口互連，每個(gè)端口都可以最大速度與交換機(jī)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(luò)，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(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的硬件實(shí)體，通過光纖通道鏈路和相鄰的端口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)端口位置和

9、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的起點(diǎn)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(luò)是否正常工作；··F 端口，在光纖通道交換機(jī)中實(shí)現(xiàn)，為N端口之間提供管理和連接服務(wù)，是光纖通道網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)公用連接光纖通道環(huán)網(wǎng)，目的是為了降低光纖網(wǎng)絡(luò)的帶寬費(fèi)用；·NL 端口和 FL 端口，F(xiàn)L 端口在交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)，它作為一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)加入到光纖環(huán)網(wǎng)中，NL 端口位

10、于環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)，具有 N 端口和L 端口的雙重能力。··5.光纖通道服務(wù)類型·光纖通道定義了6類服務(wù)，使用的類別很大程度上依賴所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型。服務(wù)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(gè)N-Port 之間進(jìn)行通信或者一個(gè) N-Port 要注冊到交換式網(wǎng)絡(luò)，則至少需要1類公共服務(wù)支持，因?yàn)樾蛄泻徒粨Q需要使用1類服務(wù)，且在交換式網(wǎng)絡(luò)注冊和 N-Port 注冊的過程中信息進(jìn)行了交換。·第1類服務(wù)：專用連接。第1類服務(wù)建立的專用連接要由交換機(jī)維持和保證，交換機(jī)將會(huì)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(wù)：復(fù)用連

11、接。第2類服務(wù)是無連接的服務(wù)，收到數(shù)據(jù)幀后需要發(fā)送鏈路控制幀進(jìn)行確認(rèn)。在一個(gè)給定的序列內(nèi)部，發(fā)射器會(huì)以連續(xù)的順序發(fā)送第2類數(shù)據(jù)幀，但是交換機(jī)可能不能保證按序傳送。··第 3 類服務(wù)：數(shù)據(jù)報(bào)。第3類服務(wù)是無連接的服務(wù)，只支持無確認(rèn)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(jìn)行確認(rèn)。在一個(gè)給定的序列內(nèi)部，發(fā)射器會(huì)以連續(xù)的順序發(fā)送第 3 類數(shù)據(jù)幀。但是，交換機(jī)可能不能保證按順序傳送。··第 4 類服務(wù)：部分帶寬。利用交換機(jī)管理部分帶寬分配協(xié)議，第 4 類服務(wù)使用建立在交換機(jī)內(nèi)部和兩個(gè)正在通信的 N 端口之間的虛電路來彼此發(fā)送幀。在一個(gè)給定的序列內(nèi)部，發(fā)

12、射器會(huì)以連續(xù)的順序發(fā)送第 4類數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)會(huì)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(wù)：5 類服務(wù)用于同步、即時(shí)服務(wù)。但到目前為止還沒有被完整的定義，有可能會(huì)被廢棄。··第 6 類服務(wù)：多點(diǎn)傳送連接。第 6 類服務(wù)允許一個(gè) N 端口和多個(gè) N 端口建立同時(shí)的專用連接。一旦專用連接建立，它們就要由交換機(jī)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(huì)發(fā)送適當(dāng)?shù)逆溌坊貞?yīng)幀給一個(gè)多點(diǎn)傳送服務(wù)器，多點(diǎn)傳送服務(wù)器會(huì)收集這些鏈路回應(yīng)幀并返回一個(gè)單獨(dú)的鏈路回應(yīng)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(guān)系如圖所示。圖3 光纖通道幀與信令協(xié)議之間的層次關(guān)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(gè)幀包括開始分隔符，大小為 24 個(gè)字節(jié)的固定幀頭，多種可操作服務(wù)頭，從 0 到 2112 個(gè)字節(jié)的長度靈活的有效載荷，一個(gè)幀標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)冗余碼校驗(yàn)和一個(gè)結(jié)束分隔符。序列是從一個(gè) N 端口向另一個(gè) N