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2017-01-04

FC总线技术简介(1/3)

FC总线技术由于具备高速率的数据传输特性、较高可靠性、可扩展性强等特点被认为是未来航空总线发展的主要数据总线之一。我们将从光纤通道技术、FC-AE系列标准、FC-AE-1553及FC标准簇等方面进行详细介绍。在本期中,我们将对光纤通道的相关技术进行介绍,包括分层结构、拓扑结构、端口类型、服务类型及端口单元等方面。

1.光纤通道简介

光纤通道航空环境(FC-AE:Fiber Channel Avionics Environment)是光纤通道(Fiber Channel)标准开发组织制定的一簇协议族,用于详细定义可用于光纤通道航空电子环境上的(包含军事以及商业应用)专用系统。该协议将快速可靠的通道技术和灵活的、可扩展的网络技术有机融合在一起。FC 协议发展至今,已经能够支持很多上层协议和指令集,例如:MIL-STD-1553B、IP、ATM 等协议以及 HIPPI、IPI、SCSI等指令集,支持光纤和铜缆等多种物理介质。FC 协议能够很好地实现全双工、半双工和单工的通信模式。

光纤通道的基本特点如下:

高带宽、多媒介、长距离传输:串行传输速率已由最初的1Gbps 提高到4Gbps ,并且正在向更高速率、更大数据吞吐量发展,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,低成本的铜缆传输距离为25m,多模光纤传输距离为0.5km,单模光纤传输距离为10km;

· 可靠性与实时性:多种错误处理策略,32位CRC 校验,利用优先级不同适应不同报文要求,并解决媒介访问控制时的冲突,传输误码率低于10-12,端到端的传输延迟小于10us,支持非应答方式与传感器数据传输;

· 统一性与可扩展性:可以方便的增加和减少节点以满足不同应用需求,拓扑结构灵活,支持多层次系统互连,利用高层协议映射提高兼容和适应能力。可以把SCSI、IP、ATM等协议映射到光纤通道上,以有效地减少物理器件与附加设备的种类并降低经济成本;

· 开放式互连,遵循统一的国际标准。

光纤通道(FC)是高吞吐量、低延时、包交换及面向连接的网络技术。整个标准系列还在不断的发展,其中用于航空领域-航空电子系统环境工程(FC-AE)的协议规范已经定制了5种,分别是:无签名的匿名消息传输(FC-AE-ASM)、MIL-STD-1553高层协议(FC-AE-1553)、虚拟接口(FC-AE-VI)、FC轻量协议(FC-AE-FCLP)、远程直接存储器访问协议(FC-AE-RDMA)。

2.光纤通道分层结构

光纤通道主要分为5层(FC-0到FC-4),类似于 OSI 的七层模型结构和 TCP/IP 的四层模型结构,FC协议具有五层模型结构。FC-0 接口与媒体层,用来定义物理链路及特性;FC-1 传输协议层,定义了编码/解码方案、字节同步和有序集;FC-2 链路控制层,定义了传送成块数据的规则和机制;FC-3 为通用服务层;FC-4 协议映射层,定义高层协议映射到低层协议的方法。其协议分层如图1所示:

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图1光纤通道分层结构图


FC-0层描述物理接口,包括传送介质、发射机和接收机及其接口,FC-0层规定了各种介质和与之有关的能以各种速率运行的驱动机和接收机;

FC-1层描述了8B/10B编码,该码型使控制字节与数据字节分离且可简化比特、字节和字同步;

FC-2层是信令协议层,它规定了需要传送成块数据的规则和机制,在协议中,FC-2层是最复杂的一层,它提供不同类型的服务、分组、排序、检错、传送数据的分段重组;

FC-3层提供了一系列服务,是光纤通道节点的多个N端口所公用的;

FC-4层提供了光纤通道容量到已存在的更上层协议的映射。

3.光纤通道的拓扑结构

光纤通道定义了3 种拓扑结构,分别是点对点(Point-to-Point)、仲裁环(Arbitrated Loop)和交换式(Fabirc)拓扑结构,如图2所示。

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图2 光纤通道拓扑结构示意图

点对点连接是3种结构中最简单的,如图2(a)所示,通过光缆直接连接两个设备的端口,能够提供最大带宽并可实现全双工连接,可用于连接有大量持续数据传输要求的节点。

仲裁环可以进行126个设备的高速连接,数据在环路的一个方向上传送,在任一时刻仲裁环只有一对端口进行通信,环中的设备只有当环处于空闲状态,才能通过仲裁获得仲裁环的使用权,一个或多个仲裁环路的网状结构可以组成混合结构。仲裁环可以作为机载系统中外部存储设备间的连接或显示阵列间的连接。可以采用集线器式的环模式提高环连接的可靠性,如果加入端口旁路功能,则可对故障结点进行旁路,进一步提高整个环的可靠性。

交换式网络在三种拓扑结构中功能最强大、可靠性最高、性能最好、带宽最大,可以连接多达 1600 万个设备,而且在同一时刻允许多个设备进行高速通信,但是价格昂贵些。在一条连接通道中,交换机可同时建立共享连接链路和多条直接连接通道,即可以同时进行分组交换和电路交换。各终端的端口通过点对点的双向连接与交换机端口互连,每个端口都可以最大速度与交换机的端口建立连接。

光纤通道可以根据需要配置成以上三种方式的混合网络,从而提供最大限度的灵活性。

 

4.光纤通道端口类型

在光纤通道协议中,端口是通信的基本单元。所谓端口是一个节点内部的硬件实体,通过光纤通道链路和相邻的端口进行数据通信。根据端口位置和拓扑结构的不同,光纤通道协议定义了以下类型的端口:

N 端口,N 端口是实现整个网络的起点和入口,它是光纤通道协议中最简单的端口,它的功能正确与否直接决定网络是否正常工作;

F 端口,在光纤通道交换机中实现,为N端口之间提供管理和连接服务,是光纤通道网络中数据的中转者;

L 端口,L 端口存在于光纤通道环网中,环状网络中的节点共享一个公用连接光纤通道环网,目的是为了降低光纤网络的带宽费用;

NL 端口和 FL 端口,FL 端口在交换机上实现,它作为一个特殊的节点加入到光纤环网中,NL 端口位于环结构内,具有 N 端口和L 端口的双重能力。

5.光纤通道服务类型

光纤通道定义了6类服务,使用的类别很大程度上依赖所传输的数据类型。服务类别之间的主要区别是使用不同的流控制类型。如果两个N-Port 之间进行通信或者一个 N-Port 要注册到交换式网络,则至少需要1类公共服务支持,因为序列和交换需要使用1类服务,且在交换式网络注册和 N-Port 注册的过程中信息进行了交换。

第1类服务:专用连接。第1类服务建立的专用连接要由交换机维持和保证,交换机将会按照源N端口的发送顺序将帧发送给目的 N端口。

第 2 类服务:复用连接。第2类服务是无连接的服务,收到数据帧后需要发送链路控制帧进行确认。在一个给定的序列内部,发射器会以连续的顺序发送第2类数据帧,但是交换机可能不能保证按序传送。

第 3 类服务:数据报。第3类服务是无连接的服务,只支持无确认的传送,在接收到合法的数据帧后不发送任何链路控制帧进行确认。在一个给定的序列内部,发射器会以连续的顺序发送第 3 类数据帧。但是,交换机可能不能保证按顺序传送。

第 4 类服务:部分带宽。利用交换机管理部分带宽分配协议,第 4 类服务使用建立在交换机内部和两个正在通信的 N 端口之间的虚电路来彼此发送帧。在一个给定的序列内部,发射器会以连续的顺序发送第 4类数据帧,交换机会以和源 N 端口发送顺序相同的顺序发送帧到目的 N 端口。

第 5 类服务:5 类服务用于同步、即时服务。但到目前为止还没有被完整的定义,有可能会被废弃。

第 6 类服务:多点传送连接。第 6 类服务允许一个 N 端口和多个 N 端口建立同时的专用连接。一旦专用连接建立,它们就要由交换机维持和保证。第 6类的数据流只能由源 N 端口到目的N 端口。所有的目的 N 端口会发送适当的链路回应帧给一个多点传送服务器,多点传送服务器会收集这些链路回应帧并返回一个单独的链路回应帧给源 N 端口。

6.光纤通道数据单元

光纤通道帧和信令协议定义了 3 种协议数据单元:帧(Frame)、序列(Sequence)和交换(Exchange),它们之间的层次关系如图所示。

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图3 光纤通道帧与信令协议之间的层次关系图

帧都遵循通用的帧格式,其帧格式如图所示。

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图4 帧格式示意图

每个帧包括开始分隔符,大小为 24 个字节的固定帧头,多种可操作服务头,从 0 到 2112 个字节的长度灵活的有效载荷,一个帧标准循环冗余码校验和一个结束分隔符。序列是从一个 N 端口向另一个 N 端口单向传送的一个或多个相关的帧,序列是单向传送的。交换由一个或多个非并发的序列组成,既可以是单向的也可以双向的。


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