0 引言

　　FC（Fibre Channel，光纖通道）以其Gbit傳輸速率、抗干擾能力強(qiáng)、重量輕、適合高速遠(yuǎn)距離傳輸?shù)裙逃屑夹g(shù)優(yōu)勢(shì)[1]，成為新一代航空電子系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)。FC網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)是基于FC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求搭建的與真實(shí)系統(tǒng)等價(jià)的原型驗(yàn)證平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的仿真、測試、監(jiān)控、分析以及記錄等功能，為高效、快速地構(gòu)建FC網(wǎng)絡(luò)提供分析、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、決策、測試等手段。

　　目前，國外很多公司和研究機(jī)構(gòu)現(xiàn)在已開發(fā)出光纖通道網(wǎng)絡(luò)適配卡、儲(chǔ)存設(shè)備、路由器以及相關(guān)的測試設(shè)備。國內(nèi)在FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域尚處于初步研究階段，急需開展FC網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的研究，為FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用推廣提供基礎(chǔ)理論支持、系統(tǒng)解決方案及測試驗(yàn)證平臺(tái)。

　　本文基于對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及普遍應(yīng)用中對(duì)協(xié)議分析、數(shù)據(jù)傳輸、采集、記錄、仿真等需求的研究，闡述了FC網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的構(gòu)建過程，突破了FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、交換、監(jiān)控、分析、記錄等關(guān)鍵技術(shù)，為FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 FC協(xié)議解讀和分析

　　正確解讀與分析FC協(xié)議是構(gòu)建FC網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(FC-PI、FC-FS、FC-AE-ASM、FC-AV、FC-SW等)的全面解讀與分析，結(jié)合新一代飛機(jī)對(duì)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的需求，參考國外F-35、AWACS、B-1B、F/A-18、V-22等先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)應(yīng)用，從數(shù)據(jù)流量、可靠性、實(shí)時(shí)性、確定性以及安全性等多個(gè)方面對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行論證，構(gòu)建FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指標(biāo)、系列產(chǎn)品及網(wǎng)絡(luò)評(píng)測體系，探索有效實(shí)現(xiàn)FC網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的方法。

2 FC網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)建

　　FC網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)由FC核心網(wǎng)絡(luò)及其配套支撐環(huán)境兩部分組成，典型的FC核心網(wǎng)絡(luò)包括交換機(jī)、節(jié)點(diǎn)機(jī)和傳輸鏈路。FC節(jié)點(diǎn)機(jī)負(fù)責(zé)消息的發(fā)送和接收；FC交換機(jī)作為信息交換的設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換任務(wù)。配套支撐環(huán)境包括FC網(wǎng)絡(luò)配置工具、FC仿真卡、FC分析儀及FC記錄儀。FC網(wǎng)絡(luò)配置工具用于生成配置表并加載到交換機(jī)和節(jié)點(diǎn)機(jī)上，完成網(wǎng)絡(luò)配置；FC仿真卡用于模擬真實(shí)的FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；FC分析儀用于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)并捕獲分析數(shù)據(jù)；FC記錄儀用于采集、保存網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)。

　　FC仿真驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)建過程中首先需確定FC核心網(wǎng)絡(luò)，然后再選擇配套的支撐環(huán)境。構(gòu)建FC核心網(wǎng)絡(luò)過程中，需要根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用需求確定FC核心網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、交換機(jī)和節(jié)點(diǎn)機(jī)類型及數(shù)目。FC網(wǎng)絡(luò)可采用點(diǎn)到點(diǎn)、仲裁環(huán)和交換結(jié)構(gòu)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中交換結(jié)構(gòu)是最具優(yōu)勢(shì)的拓?fù)浣Y(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(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。FC核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定后，再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的測試目的選擇合適的測試設(shè)備連接在網(wǎng)絡(luò)中。

圖1  雙余度交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　圖1所示為一個(gè)典型的基于交換架構(gòu)的FC仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，在構(gòu)建該系統(tǒng)過程中，首先采用交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用兩臺(tái)交換機(jī)、4個(gè)FC節(jié)點(diǎn)機(jī)和若干根光纖搭建出雙余度FC核心交換網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中發(fā)送節(jié)點(diǎn)機(jī)將數(shù)據(jù)封裝為符合FC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，通過光纖發(fā)送到FC交換機(jī)，交換機(jī)收到FC幀后，按照配置好的數(shù)據(jù)傳輸路徑將其轉(zhuǎn)發(fā)到目的端口節(jié)點(diǎn)機(jī)，目的端口節(jié)點(diǎn)機(jī)收到FC數(shù)據(jù)幀后，對(duì)FC數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析處理；然后選用FC仿真卡、FC分析儀及FC采集記錄器作為測試設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)測試過程中，F(xiàn)C仿真卡替代節(jié)點(diǎn)機(jī)，模擬飛行數(shù)據(jù)； FC分析儀串聯(lián)在需要監(jiān)測的FC網(wǎng)絡(luò)鏈路中，將鏈路中數(shù)據(jù)復(fù)制一份用于分析，同時(shí)不影響鏈路的正常通信；FC采集記錄器連接到FC交換機(jī)監(jiān)控端口，對(duì)用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，并將FC網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)保存在SATA盤中。該仿真驗(yàn)證系統(tǒng)所需設(shè)備清單及設(shè)備功能如表1所示。

3 網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 核心網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

　　FC仿真測試驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)建過程中需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)交換、網(wǎng)絡(luò)分析及測試、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和記錄。

　　在構(gòu)建交換式FC網(wǎng)絡(luò)過程中，解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)交換是其核心關(guān)鍵，本節(jié)詳細(xì)介紹了FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)交換解決方案。

　　3.1.1 數(shù)據(jù)收發(fā)

　　FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)由FC節(jié)點(diǎn)機(jī)負(fù)責(zé)完成。根據(jù)收發(fā)數(shù)據(jù)的類型，設(shè)計(jì)支持FC-AE-ASM協(xié)議的FC節(jié)點(diǎn)機(jī)仿真卡完成通信數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)計(jì)支持FC-AV協(xié)議的FC節(jié)點(diǎn)機(jī)仿真卡完成視頻數(shù)據(jù)的傳輸；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量，確定傳輸速率和節(jié)點(diǎn)數(shù)目；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類型，設(shè)計(jì)具有友好人機(jī)交互界面的網(wǎng)絡(luò)仿真配置軟件，以支持多種網(wǎng)絡(luò)配置方案，提供高效的仿真數(shù)據(jù)編輯、批量生成接口。FC節(jié)點(diǎn)機(jī)仿真卡功能框圖如圖2所示，用戶可通過FC-AE-ASM協(xié)議處理用戶模塊完成FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖2  FC仿真卡功能框圖

　　中航工業(yè)計(jì)算所針對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)研制出FIC節(jié)點(diǎn)機(jī)和FAV節(jié)點(diǎn)機(jī)。其中，F(xiàn)IC節(jié)點(diǎn)機(jī)用于收發(fā)符合FC-AE-ASM協(xié)議通信數(shù)據(jù)，提供雙余度1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s速率可配置串行FC鏈路，支持256條短消息和16條長消息的處理和調(diào)度，支持雙余度FC鏈路和網(wǎng)絡(luò)管理功能[2]；FAV節(jié)點(diǎn)機(jī)用于收發(fā)符合FC-AV協(xié)議視頻數(shù)據(jù)，提供雙余度2.125 Gb/s速率FC鏈路，支持多種分辨率視頻圖像雙向傳輸，支持兩組數(shù)字RGB接口用于視頻接收和發(fā)送。

　　3.1.2 數(shù)據(jù)交換

　　FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換由FC交換機(jī)負(fù)責(zé)完成。FC交換機(jī)支持FC-SW協(xié)議，具備一個(gè)或多個(gè)交換端口，實(shí)現(xiàn)多幀交換或電路交換，能夠按照配置文件要求，以預(yù)定的機(jī)制和傳輸速率（1 Gb/s以上）將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地址（路由功能），能夠挑選出源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最佳傳輸路徑，能夠使每個(gè)交換單元在網(wǎng)絡(luò)中具備唯一的端口標(biāo)識(shí)（地址管理），此外，交換機(jī)還可以接收指令并產(chǎn)生響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的各個(gè)單元的控制。交換機(jī)的內(nèi)部通信流程如圖3所示。

圖3  交換機(jī)通信原理圖

　　通過對(duì)國外高速交換芯片、國內(nèi)外商用FC交換機(jī)設(shè)計(jì)方案的深入分析及研究，為實(shí)現(xiàn)高效的FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)C交換機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)可采用如下方案：

　　(1)主體架構(gòu)：一片或多片專用交換芯片（或邏輯電路）+控制器（片外或片內(nèi)處理器），完成交換及網(wǎng)絡(luò)控制。

　　(2)交換算法：基于VOQ隊(duì)列+Crossbar結(jié)構(gòu)，采用包交換方式實(shí)現(xiàn)高速交換。

　　中航工業(yè)計(jì)算所及翔騰公司已研制出8端口、16端口、32端口、46端口的FC交換機(jī)及核心芯片，完成了FC網(wǎng)絡(luò)高速無阻交換、數(shù)據(jù)監(jiān)控、通信配置及網(wǎng)絡(luò)管理功能，支持最多46路通信端口和4路監(jiān)控端口的無阻交換，端對(duì)端延遲小于2 ?滋s，可交換支持FC-AE-ASM/FC-AV協(xié)議的數(shù)據(jù)，支持兩級(jí)級(jí)聯(lián)以及支持單播、組播和廣播。

　　3.2 配套支持環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)

　　配套支持環(huán)境作為構(gòu)建交換式FC網(wǎng)絡(luò)的重要部分，其主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析及測試，以及數(shù)據(jù)采集和記錄兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

　　3.2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析及測試

　　FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析及測試主要由FC分析儀完成。FC分析儀在鏈路數(shù)據(jù)監(jiān)控方面，需實(shí)時(shí)監(jiān)控串聯(lián)到FC分析儀設(shè)備上的FC鏈路中的通信數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示FC鏈路的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)；在數(shù)據(jù)分析方面，需保存FC鏈路上數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，可獲取FC網(wǎng)絡(luò)的通道速率、鏈路速率、鏈路狀態(tài)，能同時(shí)統(tǒng)計(jì)保存數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤類型和錯(cuò)誤數(shù)量；在網(wǎng)絡(luò)測試方面，需向FC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行錯(cuò)誤數(shù)據(jù)注入和正確數(shù)據(jù)注入，進(jìn)行錯(cuò)誤注入測試、流量測試和壓力測試[3]。

　　針對(duì)分析儀使用方式以及對(duì)端口數(shù)目的實(shí)際需求，可設(shè)計(jì)出手持便攜式分析儀或機(jī)架式分析儀，當(dāng)監(jiān)控端口數(shù)量較少時(shí)，手持分析儀使用靈活、便于攜帶，但當(dāng)監(jiān)控的端口數(shù)量較多時(shí)，貨架式分析儀可同時(shí)監(jiān)控多路端口。在監(jiān)控鏈路數(shù)據(jù)過程中，需要設(shè)置條件來觸發(fā)開始捕獲或停止捕獲，可選方案有時(shí)間觸發(fā)和模板觸發(fā)兩種觸發(fā)方式。開始捕獲后，可選擇將鏈路中數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在DDR中，等捕獲完成后發(fā)送到PC進(jìn)行分析，也可以在捕獲過程中直接將數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)送到PC，達(dá)到實(shí)時(shí)分析的目的，使用千兆以太網(wǎng)或PCIe等接口發(fā)送數(shù)據(jù)。在PC接收到鏈路數(shù)據(jù)后，使用文件流或fopen的方式載入數(shù)據(jù)，之后選擇將數(shù)據(jù)完全顯示或挑選部分關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行顯示，如：數(shù)據(jù)類型、時(shí)標(biāo)、錯(cuò)誤類型等，顯示數(shù)據(jù)方式提供多種方案，如：直方圖、表格、儀表盤等。分析儀的網(wǎng)絡(luò)測試功能主要由正確數(shù)據(jù)注入和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)注入實(shí)現(xiàn)，注入數(shù)據(jù)的方式有兩種，一種是全字段輸入，發(fā)送到鏈路中的數(shù)據(jù)每個(gè)字節(jié)均需用戶鍵入，操作靈活，但對(duì)不了解FC協(xié)議的人，使用較為困難；第二種是使用預(yù)設(shè)模板的方式完成數(shù)據(jù)輸入，所有數(shù)據(jù)中相同或類似的字段(如SOF、EOF、CRC等)在模板中設(shè)置完畢，用戶只需要輸入消息負(fù)載就可以完成數(shù)據(jù)輸入，在該方式下還能根據(jù)不同的錯(cuò)誤類型，選擇不同的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)模板，直接完成鏈路的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)注入功能。

　　目前，國外分析儀代表產(chǎn)品有JDSU公司的Finasar，該分析儀支持多種協(xié)議，但功能冗余，操作復(fù)雜，價(jià)格昂貴，技術(shù)服務(wù)少。西安翔騰微電子科技有限公司根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，結(jié)合國外通用FC分析儀的基礎(chǔ)功能，開發(fā)出6端口、通信速率為1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s、使用以太網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)和通信指令、實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)也可將數(shù)據(jù)保存以供事后分析、具備完全自主產(chǎn)權(quán)的FC分析儀。

　　3.2.2 數(shù)據(jù)采集和記錄

　　FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和記錄主要由FC記錄儀完成。在數(shù)據(jù)采集方面，可以挑選關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]；在數(shù)據(jù)記錄方面，可完成在復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)的快速記錄，同時(shí)保證數(shù)據(jù)完整性，并將記錄到數(shù)據(jù)保存到固態(tài)盤以供分析使用。

　　根據(jù)物理結(jié)構(gòu)，將記錄儀分為主控模塊、FC模塊、DPM模塊和電源模塊，在這種設(shè)計(jì)方案下，任何模塊損壞可直接替換。其中，主控模塊向FC模塊發(fā)送采集記錄條件，控制FC模塊開始/停止接收數(shù)據(jù)，同時(shí)主控模塊控制DPM模塊使能記錄和停止記錄；FC模塊用于接收鏈路數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按照采集記錄條件挑選后，將數(shù)據(jù)傳輸給主控模塊用于采集或傳輸給DPM模塊用于記錄；DPM模塊以適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)（NTFS、IRIG）將接收到數(shù)據(jù)通過SATA接口保存到固態(tài)盤，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的完整性；電源模塊向整個(gè)設(shè)備提供穩(wěn)定的電流輸出，并提供掉電保護(hù)。此外，將數(shù)據(jù)保存到固態(tài)盤后，通過專用軟件將數(shù)據(jù)卸載到PC，當(dāng)固態(tài)盤中部分?jǐn)?shù)據(jù)損壞時(shí)，軟件可以將未損壞的數(shù)據(jù)恢復(fù)，數(shù)據(jù)卸載完成后，可以對(duì)固態(tài)盤進(jìn)行格式化后以重復(fù)使用。

　　目前，國外尚無類似產(chǎn)品可采集和記錄符合FC-AE協(xié)議的數(shù)據(jù)。西安翔騰微電子科技有限公司基于自研FC-IP、FC-AE-ASM協(xié)議處理關(guān)鍵電路，采用FPGA方案，研制出符合機(jī)載采集和記錄要求的FC記錄儀。該記錄儀可采集和記錄鏈路速率為1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s的、符合FC-AE協(xié)議的FC數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集方面，記錄儀使用千兆以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的采集以及監(jiān)控參數(shù)的傳遞；在數(shù)據(jù)記錄方面，記錄儀使用SATA3接口傳輸數(shù)據(jù)，基于IRIG標(biāo)準(zhǔn)制定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，挑選磁盤容量為512 GB的固態(tài)盤完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。同時(shí)，記錄儀的配套卸載軟件，可通過SATA接口，以最低200 MB/s的速率將固態(tài)盤中數(shù)據(jù)卸載到PC上，并使用可靠、高效的算法恢復(fù)異常固態(tài)盤中未損壞數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

　　目前，國外很多公司和研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)出光纖通道網(wǎng)絡(luò)適配卡、儲(chǔ)存設(shè)備、路由器以及相關(guān)的測試設(shè)備。國內(nèi)在FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域尚處于初步研究階段，尚無FC仿真驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)建方案。該仿真驗(yàn)證系統(tǒng)是根據(jù)應(yīng)用需求建立的FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，模擬真實(shí)的FC網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并借助配套設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效、快速的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建。本文基于對(duì)FC協(xié)議及應(yīng)用需求的解讀和分析，介紹了FC仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的構(gòu)建及FC仿真驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，為新一代綜合化航空電子系統(tǒng)FC通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了有力支撐。

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