文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.041
中文引用格式： 黎小玉，王宏濤，李娟，等. FC網(wǎng)絡技術(shù)應用解決方案[J].電子技術(shù)應用，2016，42(9)：159-162.
英文引用格式： Li Xiaoyu，Wang Hongtao，Li Juan，et al. The scheme of application solution of FC network technology[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：159-162.
0 引言
隨著FC網(wǎng)絡[1]的廣泛應用，開發(fā)一套完整的FC網(wǎng)絡技術(shù)應用解決方案尤為重要，同時在實施應用解決方案的過程中需要構(gòu)建FC網(wǎng)絡，選定關(guān)鍵設備并對網(wǎng)絡進行功能檢測、性能監(jiān)控，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行[2]。
本文在協(xié)議分析、標準研究、需求理解和芯片研制的基礎上，突破系列關(guān)鍵技術(shù)，詳細說明了FC網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)建原理及應用設備，提出了一種FC網(wǎng)絡技術(shù)應用解決方案。
1 FC網(wǎng)絡技術(shù)
1.1 FC網(wǎng)絡構(gòu)建
FC網(wǎng)絡通常由核心網(wǎng)絡及其輔助設備組成。核心網(wǎng)絡包括交換機、節(jié)點機和傳輸鏈路，配套設備包括FC網(wǎng)絡仿真、FC網(wǎng)絡分析及FC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)記錄設備。
在構(gòu)建FC網(wǎng)絡過程中，根據(jù)系統(tǒng)應用需求確定核心網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡帶寬、交換機數(shù)目、節(jié)點機類型及數(shù)目、輔助設備類型及數(shù)目。核心網(wǎng)絡可選拓撲結(jié)構(gòu)有點到點、仲裁環(huán)和交換式3種，其中交換式是最具優(yōu)勢的拓撲結(jié)構(gòu)，具有通信帶寬高、可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸延遲小和擴展性好等優(yōu)點[3]。為支撐FC網(wǎng)絡的構(gòu)建及維護，可通過FC網(wǎng)絡配置工具生成配置表并加載到交換機和節(jié)點機上，完成網(wǎng)絡配置；通過FC網(wǎng)絡仿真設備模擬機載環(huán)境下網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，進行地面環(huán)境下仿真實驗；通過FC網(wǎng)絡分析設備監(jiān)控網(wǎng)絡動態(tài)并捕獲、分析數(shù)據(jù)；通過FC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)記錄設備采集、記錄網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。
1.2 應用設備
圖1所示為一個典型的FC網(wǎng)絡應用解決方案。其中，方框區(qū)域為FC網(wǎng)絡核心設備，圓框為FC網(wǎng)絡配套設備。
1.2.1 網(wǎng)絡核心設備
(1)FC節(jié)點機作為應用系統(tǒng)接入FC網(wǎng)絡的設備，負責消息的發(fā)送和接收，完成將應用系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝成FC幀發(fā)送至FC網(wǎng)絡，或?qū)腇C網(wǎng)絡接收到的FC幀轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)應用所需要的數(shù)據(jù)。
(2)FC交換機作為信息交換的設備，負責數(shù)據(jù)交換任務，接收源節(jié)點機發(fā)來的FC幀，按照配置表轉(zhuǎn)發(fā)給一個或多個目的節(jié)點，實現(xiàn)各個節(jié)點間的互聯(lián)通信。FC網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)：網(wǎng)絡中發(fā)送方與接收方之間的物理通路，負責將信號從一方傳輸?shù)搅硪环健?/p>
1.2.2 網(wǎng)絡配套設備
(1)FC網(wǎng)絡配置：網(wǎng)絡配置指對整個FC網(wǎng)絡進行統(tǒng)一規(guī)劃部署，以便完成網(wǎng)絡中各節(jié)點機之間的高效、高可靠數(shù)據(jù)通信。
(2)FC網(wǎng)絡仿真：作為構(gòu)建機載網(wǎng)絡地面仿真系統(tǒng)必不可少的設備，用于網(wǎng)絡仿真、流量測試、時鐘同步和網(wǎng)絡管理[4]。
(3)FC網(wǎng)絡分析：作為FC網(wǎng)絡的測試設備，用于對FC網(wǎng)絡進行測評[5]。
(4)FC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)記錄：作為FC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)記錄的設備，用于將網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行記錄，同時將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)進行采集。
2 FC應用解決方案的實施
實施FC應用解決方案的基礎是核心設備和配套設備的研制，網(wǎng)絡核心設備主要采用基于FPGA的方式實現(xiàn)，但其系統(tǒng)功耗大、維護成本高，且不能滿足軍用尤其是航空電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高性能、高可靠、高度綜合、復雜惡劣環(huán)境等應用要求。網(wǎng)絡配套設備主要依賴國外產(chǎn)品，國內(nèi)目前處于初步研制階段。
針對某綜合處理系統(tǒng)對FC網(wǎng)絡的需求提出如圖2所示的應用解決方案。該方案由1個交換機和4個節(jié)點機組成，4個節(jié)點機分別連接在交換機的通信端口，構(gòu)成交換式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。其中，網(wǎng)絡核心設備FC節(jié)點機和交換機采用自研芯片實現(xiàn)；配套應用設備采用基于自研芯片的FC-ASM仿真卡、FC總線分析儀及FC采集記錄器，此方案應用于地面仿真監(jiān)控、協(xié)議分析、采集記錄，實現(xiàn)了FC設備的自主保障功能。
根據(jù)應用需求使用FC網(wǎng)絡配置工具生成相應的配置表并加載到交換機和節(jié)點機上，用于作為網(wǎng)絡通信的依據(jù)；在系統(tǒng)運行過程中若需要模擬飛行中的數(shù)據(jù)（如飛行高度、速度、慣導等），則可通過FC-ASM仿真卡實現(xiàn)；在通信過程中若出現(xiàn)故障，如節(jié)點機3不能正常地進行數(shù)據(jù)通信，則可以將FC總線分析儀串聯(lián)在出現(xiàn)故障的鏈路中，對鏈路中的故障進行分析測試；若需要對整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)進行采集和記錄，則可將FC采集記錄器連接到FC交換機的監(jiān)控端口，用戶可根據(jù)應用需求，對FC采集記錄器進行配置，將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)（如飛機飛行高度、速度等信息）通過千兆以太網(wǎng)口實時地傳輸?shù)竭b測設備，供用戶分析；若FC網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)量較大，用戶不能同時對網(wǎng)絡上大量的數(shù)據(jù)進行分析，采集記錄器能將網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)進行百分百記錄，便于用戶事后分析。
2.1 網(wǎng)絡核心設備
2.1.1 FC節(jié)點機
FC節(jié)點機是網(wǎng)絡中的重要部件，作為終端可以通過交換機或者直接和節(jié)點機通信。此方案中FC節(jié)點機采用自研FC-ASM協(xié)議處理芯片實現(xiàn)。該芯片采用SMIC 0.13 ?滋m Logic工藝、CBGA440封裝形式、設計規(guī)模達到1730余萬門、芯片面積僅12.3×12.3 mm2。其集成度高、體積小、可靠性高、功耗低，滿足了航空電子系統(tǒng)應用要求。FC-ASM芯片主要功能及性能指標如下：
(1)內(nèi)嵌高性能嵌入式微處理器，運行頻率250 MHz、125 MHz可配置；
(2)內(nèi)嵌專用FC-AE-ASM協(xié)議處理引擎，F(xiàn)C接口速率1.062 5 Gb/s、2.125 Gb/s可配置；
(3)對外提供PCIe/RapidIO可配置主機接口，PCIe支持1x、4x模式，通道速率為2.5 Gb/s，RapidIO支持1x、4x模式，速率1.25 Gb/s、2.5 Gb/s、3.125 Gb/s可選擇。
(4)支持雙余度FC接口，通信誤碼率≤10-12；
(5)支持緊急消息、周期消息、事件消息、數(shù)據(jù)塊消息4種消息類型（緊急消息、周期消息、事件消息簡稱非數(shù)據(jù)塊消息）；
(6)非數(shù)據(jù)塊消息長度小于等于2 096 B，數(shù)據(jù)塊消息長度小于等于16 MB；支持256條非數(shù)據(jù)塊消息、16條數(shù)據(jù)塊消息；
(7)支持時鐘同步、網(wǎng)絡管理功能。
2.1.2 FC交換機
FC交換機是整個網(wǎng)絡的核心部件，具有線速交換功能，是連接各個節(jié)點機的交通樞紐。此方案中FC交換機采用自研FC-SW芯片實現(xiàn)。該芯片采用65 nm工藝，F(xiàn)C-CBGA625封裝形式、設計規(guī)模達到3 000余萬門，功能管腳約310個。以其高集成度、高可靠性、低功耗完成FC網(wǎng)絡高速無阻交換、數(shù)據(jù)監(jiān)控、通信配置、時鐘同步及網(wǎng)絡管理等功能。FC-SW芯片的主要功能、性能指標如下：
(1)支持46路通信端端口；
(2)單端口傳輸速率2.125/1.062 5 Gb/s；
(3)支持FC-2層幀的交換；
(4)支持單播、多播和廣播功能，最多支持255個多播組；
(5)具備廣播和多播端口屏蔽功能；
(6)支持F端口功能；
(7)支持四級E端口級聯(lián)，2個交換芯片之間最多可配置6個E端口；
(8)支持可配置的2級或者4級優(yōu)先級；
(9)支持可選的快速啟動能力，快速啟動模式下單播和廣播功能準備時間小于1 s；
(10)交換機端到端技術(shù)延遲小于2 
(11)支持物理端口與邏輯端口的動態(tài)映射；提供F端口工作狀態(tài)指示；
(12)支持F端口獨立上下線使能控制。
2.1.3 傳輸介質(zhì)
光纖是常用的FC網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)，按照光在光纖中的傳輸模式分為多模光纖和單模光纖。多模光纖最為常見，但其有效傳輸范圍是0～500 m；單模光纖直徑小，使得光信號不易損耗，所以傳輸距離較遠，但價格昂貴。在此應用解決方案中，依據(jù)用戶使用環(huán)境，短距離傳輸使用多模光纖，長距離傳輸使用單模光纖。
2.2 網(wǎng)絡配套設備
2.2.1 FC-ASM仿真卡
此方案中FC網(wǎng)絡仿真設備采用基于自研芯片的FC-ASM仿真卡。其與市場上同類型產(chǎn)品相比功耗減小到60%，體積減小到50%，重量減輕到60%，且FC鏈路速率可配置，使用靈活，顯著提高了功能、性能、可靠性。此外提供配套應用軟件具有友好的人機交互界面，可直觀地給出仿真結(jié)果，為網(wǎng)絡通信綜合提供參考依據(jù)[6]。FC-ASM仿真卡的主要功能、性能指標如下：
(1)支持FC-AE-ASM協(xié)議；
(2)實現(xiàn)1.062 5 Gb/s或2.125 Gb/s的FC鏈路；
(3)全雙工通信，誤碼率≤10-12；
(4)支持點到點和交換拓撲結(jié)構(gòu)；
(5)可配置仿真消息參數(shù)和信號參數(shù)；
(6)可監(jiān)控發(fā)送/接收流量并以曲線形式顯示當前發(fā)送/接收流量趨勢圖；
(7)可統(tǒng)計發(fā)送/接收消息總數(shù)和執(zhí)行時間等信息；
(8)支持數(shù)據(jù)回放功能。通過數(shù)據(jù)回放功能發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行檢查；
(9)主機接口：支持PCI/PCIe/CPCI接口。
2.2.2 FC總線分析儀
此方案中FC網(wǎng)絡分析設備采用自研的FC總線分析儀，該分析儀可同時對6路1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s FC鏈路數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和分析、故障注入、流量測試和壓力測試，并提供配套應用軟件實時顯示FC鏈路狀態(tài)和錯誤統(tǒng)計信息，為FC網(wǎng)絡和系統(tǒng)開發(fā)及故障診斷提供支撐[7]。FC總線分析儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
FC總線分析儀使用時串聯(lián)在需要測試的鏈路中，當數(shù)據(jù)通過FC總線分析儀時，數(shù)據(jù)采集模塊會將鏈路中的數(shù)據(jù)復制一份交給數(shù)據(jù)處理模塊，而不影響網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的正常通信。數(shù)據(jù)處理模塊接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡狀態(tài)提交給PC機，PC機通過配套應用軟件對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行解析，并將解析結(jié)果實時顯示。
2.2.3 FC采集記錄器
此方案中FC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)記錄設備采用自研FC采集記錄器，該設備用于將網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行百分百記錄，同時將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)進行采集。FC采集記錄器可對接收到的FC幀進行完整性檢測，并根據(jù)事先設定的過濾條件對FC幀進行篩選過濾，符合要求的FC幀被附加上幀到達時刻的時間標記，按照IRIG106第十章的標準進行數(shù)據(jù)打包，然后存儲在采集記錄器的電子盤中，同時在FC幀數(shù)據(jù)中選擇用戶關(guān)心的參數(shù)，通過千兆以太網(wǎng)均衡流量輸出，實現(xiàn)實時監(jiān)控?？赏ㄟ^卸載設備卸載電子盤中的數(shù)據(jù)，以便用戶進行數(shù)據(jù)分析和處理。FC采集記錄器的主要功能和性能指標如下：
(1)符合FC-AE-ASM協(xié)議；
(2)具有采集和記錄功能；
(3)支持FC幀篩選過濾機制，篩選過濾條件可配置；
(4)提供IRIG-B/IEEE1588時碼；
(5)數(shù)據(jù)存儲接口采用SATA標準總線接口，記錄數(shù)據(jù)格式符合IRIG106-10標準；
(6)提供掉電保護功能，保證當前接收數(shù)據(jù)能及時完整性的存盤；
(7)具有硬件看門狗、開機整機自動測試、自動故障檢測功能；
(8)可將用戶關(guān)心的參數(shù)通過千兆以太網(wǎng)均衡流量輸出，進行實時監(jiān)控；
(9)提供卸載設備，用于卸載電子盤中的數(shù)據(jù)，以便用戶進行數(shù)據(jù)分析和處理。
FC采集記錄器內(nèi)部原理圖如圖4所示。其工作流程如下：
用戶根據(jù)應用需求，通過專用編程檢查裝置，將用戶配置寫入設備中，光纖數(shù)據(jù)接收模塊接收到來自FC光纖通信網(wǎng)絡交換機的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)復制為兩份，一份根據(jù)用戶配置信息，將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)進行挑選傳輸?shù)街骺刂破髂K，主控制器模塊接收到數(shù)據(jù)后通過千兆網(wǎng)口整形輸出到遙測設備；另一份數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)全部記錄到高速固態(tài)存儲模塊中。在設備使用的過程中用戶可使用遠程控制單元使能或禁止數(shù)據(jù)的記錄。
3 小結(jié)
針對不同型號及實驗室環(huán)境下FC網(wǎng)絡研制的技術(shù)需求，本文提出了一種FC網(wǎng)絡技術(shù)應用解決方案，詳細說明了FC網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)建原理及應用設備。該方案能夠滿足新一代機載FC網(wǎng)絡應用中的分析、采集、記錄、仿真等各種需求，應用于協(xié)議分析、機載試飛、地面監(jiān)控、地面仿真、綜合測試等領域。
本文所提出的FC網(wǎng)絡技術(shù)應用解決方案已經(jīng)成功運用在實際工程中，功能、性能穩(wěn)定可靠，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)了我國機載FC網(wǎng)絡技術(shù)的自主保障、自主發(fā)展，為產(chǎn)品開發(fā)、系統(tǒng)設計和系統(tǒng)綜合驗證等完整的FC網(wǎng)絡總線技術(shù)體系和產(chǎn)品體系打下了堅實的基礎。
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