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2017-01-05

FC总线技术简介(二)

在上一期中我们了解到光纤通道(FC)是高吞吐量、低延时、低误码率的网络技术。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:MIL-STD-1553高层协议(FC-AE-1553)、无签名的匿名消息传输(FC-AE-ASM)、FC轻量协议(FC-AE-FCLP)、远程直接存储器访问协议(FC-AE-RDMA)及虚拟接口(FC-AE-VI)。因此,本期我们将对FC-AE的系列标准进行介绍。

1. 简介

    FC-AE 标准是 Fiber Channel-Avionics Environment 的简称,即光纤通道在航空电子领域的应用,它是由美国国家信息委员会(ANSI)组织制订的一组草案。FC-AE定义的是一组协议集,这些协议主要用于航空电子的控制工作、命令指示、信号处理、仪表检测、仿真验证和视频信号或者传感器数据的分配。FC-AE 标准所涉及的应用协议都有着许多相同的特点,如它们都具有实时性、高可靠性、可确定性带宽和可确定性延迟。FC-AE 规范中定义的在航电系统中采用光纤通道的环路拓扑与交换网络来连接设,以及兼容 MIL-STD-1553B 终端的能力。

FC-AE-ASM:ASM 是 Anonymous Subscriber Messaging 的缩写,即匿名订制信息传输协议。该协议用于支持航空电子应用的处理器、传感器和显示器之间确定、安全、低延迟的通信。

    FC-AE-FCLP:FCLP 是 Fiber Channel Lightweight Protocol 的缩写,即轻量协议传输。FCLP 协议是以 FCP 协议为基础的,由 INCITS 制定的 SCSI-FCP 协议进行具体规范。FCP 协议工作于 FC-4 层以下的各层协议中,主要是对高层协议 SCSI 的映射机制。而 SCSI 协议是在 I/O 设备(特别是存储设备)通信领域所广泛使用的通信协议。

FC-AE-RDMA:RDMA 是 Remote Direct Memory Access 的缩写,即远程直接存储器访问传输。该协议底层服务部分遵循于 FCP 协议,其主要特点在于允许信息发起者对远程目标存储器进行低延迟的数据读写操作。

FC-AE-VI:VI 是 Virtual Interface 的缩写,即基于光纤通道的航空电子环境中的虚拟接口。该协议遵循 FC-VI 协议和 FC-FS 协议。FC-VI 是在光纤通道上实现VI 架构,它允许数据在光纤通道节点的内存地址之间快速转移。FC-FS 则是光纤通道信号与信令协议,用于定义 FC-1 和 FC-2 层的内容

FC-AE 协议集的每一部分都支持一个或多个高层协议和拓扑结构,能共同使用并实现实时光纤通道网络的特征,具备了支持不同航空电子系统需求的网络能力。因此,FC-AE 协议集将凭借其卓越的性能为新一代高性能航空电子系统做出巨大的贡献。

2. FC-AE-1553

FC-AE-1553 是 Fiber Channel-Avionics Environment-Upper Layer Protocol MIL-STD-1553B Notice 2 的简称,是在光纤通道的 FC-4 层实现对传统MIL-STD-1553B Notice 2 总线协议的映射,以实现在实时的航空应用中,以命令/响应的模式进行具有确定性的通信。由于 FC-AE-1553采用了光纤通道技术,所以FC-AE-1553的性能较之 MIL-STD-1553B 总线有了很大的扩展,远远超过传统 MIL-STD-1553B 总线的功能。这些扩展功能包括足够多的终端数(支持224个)、消息长度 (232个 32 位字)和子地址个数(232个)。

一个典型的 FC-AE-1553 网络组成为:网络控制器(NC)、网络终端(NT)、光纤通道网络自身、FC-AE-1553 总线桥、MIL-STD-1553B 总线。FC-AE-1553总线与MIL-STD-1553B 总线有着诸多的相同点和不同点。控制器方面,MIL-STD-1553B 总线内只有一个 BC,而在 FC-AE-1553 网络中可能有一个或多个激活的 NC。NC 主要的作用在于安排 FC-AE-1553 的数据传输。终端方面,MIL-STD-1553B 总线的 RT 始终是被动的,而 FC-AE-1553 网络中的一些节点可以通过动态网络控制功能同时作为 NC 和 NT 来工作。传输格式方面,与传统的MIL-STD-1553B 总线类似,FC-AE-1553 总线也有十种传输方式。但在 NT-to-NT和 NT-to-NTs 的交换上,FC-AE-1553 总线有了NC是否监控的选项。

FC-AE-1553网络可以对现有的MIL-STD-1553网络设计、软件和硬件进行平滑升级。FC-AE-1553 网络既具有 MIL-STD-1553B 网络的基本特性,又具有光纤通道的良好网络性能,是对 MIL-STD-1553B 很好的传承。

3. FC-AE-ASM

FC-AE-ASM (Fiber Channel Avionics Environment Anonymous Subscriber Message:光纤通道-航空电子环境-匿名用户消息)协议作为上层协议遵循支持航空电子系统中确定、安全、低负载以及低开销的通信要求,可轻易映射到其它的物理层上进行传输,并将标记FC-AE-ASM协议的头部字段独立并恰当放到光纤通道各类数据域上。

FC-AE-ASM 中的每一条消息都源于一个单一序列的单向交换。接收方希望消息是按照预先确定的速率到达,而不需要知道消息的物理源头在哪里。从多消息源发出的一个单一消息应是一个单一的帧序列,多帧消息需只来源于单一源头,多帧序列应该基于消息ID 和相对偏移而被重新组合,所有帧的ASM 帧头在重组发生前被去掉。

根据FC-AE-ASM协议的特点以及帧的基本工作方式,通过发送消息端口的ID号以及应用类型完成对FC-AE-ASM帧的消息ID的定义以及区分,并在FC-2层完成对消息帧的分段以及重组。

FC-AE-ASM协议只支持第三类服务,该类服务提供N端口之间没有确认的无连接服务。该类帧的传送与路由和第二类服务一样,即每个帧通过交换结构独立路由,所以一个N端口可以发送连续的帧到不同的目的端口,也可以从不同的端口接收连续的帧。在这种情况下,消息ID的设计变的尤为重要。考虑这种情况,在系统设计时,每个网络节点都应该有自己的ID号,用于唯一标识该节点,并且该节点作为网络节点的地址将用于定义FC网络数据帧头中的消息源和消息目的域。根据协议要求,该号码由3个字节组成,其中高位字节为域标识,次高为字节为区标识,最后一个字节为节点编号。

同时需要注意的是N端口传送FC-AE-ASM帧之间没有确认,所以除通过帧中已定义的偏移量进行差错检测外,在某些情况下须用ULP(upper level protocol)完成差错检测与恢复。协议规定,在交换式网络中,每条FC-AE-ASM数据都是节点主动发出的,没有触发数据,接收节点只要接收数据即可,无须知道数据的发送节点地址,接收节点将根据数据的标识符来确定是否是自己需要的数据和该条数据的含义。

FC-AE-ASM协议底层遵循 FC-FS和FC-AL-2标准,具有消息传输安全性高、延时低等特点,适应于航空电子中处理器与传感器、测试设备和显示器间通信的应用模式。

4. FC-AE-FCLP

FCLP 是 Fiber Channel Lightweight Protocol 的缩写,即轻量协议。FC-AE-FCLP是FC-AE提出的5种高层协议之一, 该协议用于航空电子系统各部分之间的通信服务。FC-AE-FCLP该协议是在FCP, FC-FS和FC-AL-2标准基础上, 依赖上述协议标准支持的各种服务定义的。针对航空电子环境中高可靠性、高传输效率的要求, 将FCP的SCSI命令简化, 增加通道建立、关闭等命令类型, 去除多余命令, 简化协议接口而形成的, 以此提供低延迟、低开销的航空电子系统各部分间的通信服务。

FCLP协议作为FCP基础上的高速轻载通信协议,属于端到端协议。该协议通信系统为用户提供了简单的应用程序接口来实现数据的高速传输。FCLP协议通信主要使用三个FCP I/O命令,分别是FCP读命令、FCP写命令和FCP控制命令。因此FCLP协议允许一个物理连接建立多个通道。在建立好的通道上,通信两端可以互相发送数据。

FCLP协议通信原型系统从功能上进行划分4大功能管理模块,分别是设备管理功能模块、任务管理功能模块、通信连接管理功能模块和错误处理功能模块。

在FCP协议中,支持光纤通道处理并完成SCSI initiator功能和SCSI target功能的N端口或者NL端口被统一称之为FCP端口。此时光纤通道协议的FC-2层被用来看作支持信息组和几种服务类型的底层高性能传输服务机制,位于FC-4层次的FCP协议映射层使用底层光纤通道提供的服务来执行具体操作步骤,从而实现FC-4层所要求的各项功能。具体来说FCLP协议层根据已定义好的协议规则,实现FCP网络通信功能并构造典型的端到端网络通信模式,从而为上层应用提供应用接口。

5. FC-AE-RDMA

FC-AE-RDMA:RDMA 是 Remote Direct Memory Access 的缩写,即远程直接数据存储。该协议底层服务部分遵循于FCP 协议,其主要特点在于允许信息发起者对远程目标存储器进行低延迟的数据读写操作。RDMA 通过网络把数据直接从一端的计算机存储空间传入另一端的计算机的存储区,这种快速的数据转移,不需要经过处理器耗时的传输和繁杂的复制操作。这种技术消除了大量冗余的数据复制操作,减少了数据跨层转移的时延,使系统能够腾出总线空间和 CPU 周期用于改进应用系统性能,节省了大量的内存带宽,提高了 CPU 的利用率,显著降低了时延。

FC-AE-RDMA 的关键性质是其允许一个发起端(Initiator)以P2P(peer-to-peer)(类似于 SCSI-3 的处理器设备类型)模式从一个远程目标的内存中读数据或向其写数据。所有 FC-AE-RDMA 设备能够既作为发起端操作,也能作为目标端工作。

FC-AE-RDMA 的工作原理为两个设备节点分为客户端和服务器端,中间链路由光纤链路连接,两个节点主要完成数据迁移任务,即一个节点可以直接将数据从内存中通过网络传送到另一个节点的内存中,而不对操作系统造成任何影响。从节点的内部组成来说,由于 FC-AE-RDMA 节点是利用 FCP 协议进行传输,所以节点应具有 FCP协议处理功能,并且从 RDMA 技术角度出发,数据的移动过程中应消除冗余数据复制操作,减轻 CPU 负担,使系统能够充分利用总线带宽和 CPU 周期等系统资源来改善应用系统性能,减少对带宽和处理器开销的需要,降低时延。节点间的数据迁移主要是 FC-AE-RDMA 的读或写,根据协议标准,在节点间进行 FC-AE-RDMA的读写动作前,系统间应完成节点的发现和注册,登录过程。所以在上层应用中,我们应该实现系统注册登录控制,应用能够利用底层提供的接口进行数据的读写操作。

FC-AE-RDMA 作为 FC-AE 的子协议,定义了 FC-AE 对 RDMA 的上层协议映射,作为基于 FC 技术的一种轻量级协议,其目的就是允许利用 FCP 协议,通过建立映射而使用熟悉的 RDMA 概念,能够在航空系统的节点所提供的服务中支持低延迟,低通信消耗,适合于航空电子系统中紧急和关键数据的传输。

6. FC-AE-VI

FC-AE-VI 是 Virtual Interface 的缩写,即基于光纤通道的航空电子环境中的虚拟接口。该协议遵循 FC-VI 协议和 FC-FS 协议。FC-VI 是在光纤通道上实现VI 架构,它允许数据在光纤通道节点的内存地址之间快速转移。FC-FS 则是光纤通道信号与信令协议,用于定义 FC-1 和 FC-2 层的内容。

FC-AE-VI的拓扑结构与FC-VI的拓扑结构一致,即采用仲裁环和交换式结构,并支持点对点和双冗余的连接模式。FC-VI的设计初衷是为了达到集群计算机之间通信等待减少和高带宽的效果。

VI提供面向连接的网络协议,与传统网络协议如TCP、UDP不同,在VI中,控制数据与消息数据时分开传输的。因此,在FC-VI中,也借鉴了VI的通信机制,实现VI消息和VI连接在FC-PH上的映射。

由于FC-VI使用了特殊的通信协议,在数据的传输速度上远远高于普通的交换设备,大大减少了CPU资源的占用。FC-VI对高速低延迟的网络数据进行优化,可有效的消除系统中节点之间通信的瓶颈。



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