文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.043
中文引用格式： 劉娟，王宏濤，李娟，等. FC網絡仿真驗證系統構建及關鍵技術[J].電子技術應用，2016，42(8)：172-174，182.
英文引用格式： Liu Juan，Wang Hongtao，Li Juan，et al. The construction and key technologies of FC network simulation and verification system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：172-174，182.
0 引言
FC（Fibre Channel，光纖通道）以其Gbit傳輸速率、抗干擾能力強、重量輕、適合高速遠距離傳輸等固有技術優勢[1]，成為新一代航空電子系統的主干網絡。FC網絡仿真驗證系統是基于FC網絡應用需求搭建的與真實系統等價的原型驗證平臺，主要實現FC網絡數據的仿真、測試、監控、分析以及記錄等功能，為高效、快速地構建FC網絡提供分析、設計、評價、決策、測試等手段。
目前，國外很多公司和研究機構現在已開發出光纖通道網絡適配卡、儲存設備、路由器以及相關的測試設備。國內在FC網絡技術領域尚處于初步研究階段，急需開展FC網絡仿真驗證系統的研究，為FC網絡技術的應用推廣提供基礎理論支持、系統解決方案及測試驗證平臺。
本文基于對FC網絡協議及普遍應用中對協議分析、數據傳輸、采集、記錄、仿真等需求的研究，闡述了FC網絡仿真驗證系統的構建過程，突破了FC網絡數據收發、交換、監控、分析、記錄等關鍵技術，為FC網絡技術的應用奠定了基礎。
1 FC協議解讀和分析
正確解讀與分析FC協議是構建FC網絡仿真驗證系統的基礎。通過對FC網絡協議(FC-PI、FC-FS、FC-AE-ASM、FC-AV、FC-SW等)的全面解讀與分析，結合新一代飛機對機載網絡的需求，參考國外F-35、AWACS、B-1B、F/A-18、V-22等先進戰機應用，從數據流量、可靠性、實時性、確定性以及安全性等多個方面對FC網絡進行論證，構建FC網絡技術指標、系列產品及網絡評測體系，探索有效實現FC網絡仿真驗證系統的方法。
2 FC網絡仿真驗證系統構建
FC網絡仿真驗證系統由FC核心網絡及其配套支撐環境兩部分組成，典型的FC核心網絡包括交換機、節點機和傳輸鏈路。FC節點機負責消息的發送和接收；FC交換機作為信息交換的設備，負責數據交換任務。配套支撐環境包括FC網絡配置工具、FC仿真卡、FC分析儀及FC記錄儀。FC網絡配置工具用于生成配置表并加載到交換機和節點機上，完成網絡配置；FC仿真卡用于模擬真實的FC網絡數據；FC分析儀用于監控網絡動態并捕獲分析數據；FC記錄儀用于采集、保存網絡中數據。
FC仿真驗證系統構建過程中首先需確定FC核心網絡，然后再選擇配套的支撐環境。構建FC核心網絡過程中，需要根據系統應用需求確定FC核心網絡的拓撲結構、網絡帶寬、交換機和節點機類型及數目。FC網絡可采用點到點、仲裁環和交換結構3種拓撲結構。其中交換結構是最具優勢的拓撲結構，具有通信帶寬高、可靠性高、數據傳輸延遲小和擴展性好等優點。FC核心網絡結構確定后，再根據網絡的測試目的選擇合適的測試設備連接在網絡中。
圖1 雙余度交換拓撲結構
圖1所示為一個典型的基于交換架構的FC仿真驗證系統，在構建該系統過程中，首先采用交換式拓撲結構，使用兩臺交換機、4個FC節點機和若干根光纖搭建出雙余度FC核心交換網絡，在網絡運行過程中發送節點機將數據封裝為符合FC協議的網絡數據幀，通過光纖發送到FC交換機，交換機收到FC幀后，按照配置好的數據傳輸路徑將其轉發到目的端口節點機，目的端口節點機收到FC數據幀后，對FC數據幀進行解析處理；然后選用FC仿真卡、FC分析儀及FC采集記錄器作為測試設備，在網絡測試過程中，FC仿真卡替代節點機，模擬飛行數據； FC分析儀串聯在需要監測的FC網絡鏈路中，將鏈路中數據復制一份用于分析，同時不影響鏈路的正常通信；FC采集記錄器連接到FC交換機監控端口，對用戶關心的數據進行實時轉發，并將FC網絡中的數據保存在SATA盤中。該仿真驗證系統所需設備清單及設備功能如表1所示。
3 網絡仿真系統構建關鍵技術
3.1 核心網絡關鍵技術
FC仿真測試驗證系統構建過程中需要突破的關鍵技術包括FC網絡數據收發、數據交換、網絡分析及測試、網絡數據采集和記錄。
在構建交換式FC網絡過程中，解決網絡數據收發和數據交換是其核心關鍵，本節詳細介紹了FC網絡數據收發和數據交換解決方案。
3.1.1 數據收發
FC網絡數據收發由FC節點機負責完成。根據收發數據的類型，設計支持FC-AE-ASM協議的FC節點機仿真卡完成通信數據的傳輸，設計支持FC-AV協議的FC節點機仿真卡完成視頻數據的傳輸；根據網絡負載量，確定傳輸速率和節點數目；根據網絡業務類型，設計具有友好人機交互界面的網絡仿真配置軟件，以支持多種網絡配置方案，提供高效的仿真數據編輯、批量生成接口。FC節點機仿真卡功能框圖如圖2所示，用戶可通過FC-AE-ASM協議處理用戶模塊完成FC網絡數據收發。
圖2 FC仿真卡功能框圖
中航工業計算所針對FC網絡數據收發研制出FIC節點機和FAV節點機。其中，FIC節點機用于收發符合FC-AE-ASM協議通信數據，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度，支持雙余度FC鏈路和網絡管理功能[2]；FAV節點機用于收發符合FC-AV協議視頻數據，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，支持兩組數字RGB接口用于視頻接收和發送。
3.1.2 數據交換
FC網絡數據交換由FC交換機負責完成。FC交換機支持FC-SW協議，具備一個或多個交換端口，實現多幀交換或電路交換，能夠按照配置文件要求，以預定的機制和傳輸速率（1 Gb/s以上）將數據發送到目的地址（路由功能），能夠挑選出源節點到目的節點的最佳傳輸路徑，能夠使每個交換單元在網絡中具備唯一的端口標識（地址管理），此外，交換機還可以接收指令并產生響應，從而實現了對交換網絡內部的各個單元的控制。交換機的內部通信流程如圖3所示。
圖3 交換機通信原理圖
通過對國外高速交換芯片、國內外商用FC交換機設計方案的深入分析及研究，為實現高效的FC網絡數據交換，FC交換機實現時可采用如下方案：
(1)主體架構：一片或多片專用交換芯片（或邏輯電路）+控制器（片外或片內處理器），完成交換及網絡控制。
(2)交換算法：基于VOQ隊列+Crossbar結構，采用包交換方式實現高速交換。
中航工業計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交換機及核心芯片，完成了FC網絡高速無阻交換、數據監控、通信配置及網絡管理功能，支持最多46路通信端口和4路監控端口的無阻交換，端對端延遲小于2 ?滋s，可交換支持FC-AE-ASM/FC-AV協議的數據，支持兩級級聯以及支持單播、組播和廣播。
3.2 配套支持環境關鍵技術
配套支持環境作為構建交換式FC網絡的重要部分，其主要包括數據監控、分析及測試，以及數據采集和記錄兩個關鍵技術。
3.2.1 數據監控、分析及測試
FC網絡數據監控、分析及測試主要由FC分析儀完成。FC分析儀在鏈路數據監控方面，需實時監控串聯到FC分析儀設備上的FC鏈路中的通信數據，實時顯示FC鏈路的網絡狀態和錯誤統計；在數據分析方面，需保存FC鏈路上數據并進行分析，可獲取FC網絡的通道速率、鏈路速率、鏈路狀態，能同時統計保存數據中錯誤類型和錯誤數量；在網絡測試方面，需向FC網絡進行錯誤數據注入和正確數據注入，進行錯誤注入測試、流量測試和壓力測試[3]。
針對分析儀使用方式以及對端口數目的實際需求，可設計出手持便攜式分析儀或機架式分析儀，當監控端口數量較少時，手持分析儀使用靈活、便于攜帶，但當監控的端口數量較多時，貨架式分析儀可同時監控多路端口。在監控鏈路數據過程中，需要設置條件來觸發開始捕獲或停止捕獲，可選方案有時間觸發和模板觸發兩種觸發方式。開始捕獲后，可選擇將鏈路中數據暫時保存在DDR中，等捕獲完成后發送到PC進行分析，也可以在捕獲過程中直接將數據及網絡狀態發送到PC，達到實時分析的目的，使用千兆以太網或PCIe等接口發送數據。在PC接收到鏈路數據后，使用文件流或fopen的方式載入數據，之后選擇將數據完全顯示或挑選部分關鍵參數進行顯示，如：數據類型、時標、錯誤類型等，顯示數據方式提供多種方案，如：直方圖、表格、儀表盤等。分析儀的網絡測試功能主要由正確數據注入和錯誤數據注入實現，注入數據的方式有兩種，一種是全字段輸入，發送到鏈路中的數據每個字節均需用戶鍵入，操作靈活，但對不了解FC協議的人，使用較為困難；第二種是使用預設模板的方式完成數據輸入，所有數據中相同或類似的字段(如SOF、EOF、CRC等)在模板中設置完畢，用戶只需要輸入消息負載就可以完成數據輸入，在該方式下還能根據不同的錯誤類型，選擇不同的錯誤數據模板，直接完成鏈路的錯誤數據注入功能。
目前，國外分析儀代表產品有JDSU公司的Finasar，該分析儀支持多種協議，但功能冗余，操作復雜，價格昂貴，技術服務少。西安翔騰微電子科技有限公司根據網絡應用需求，結合國外通用FC分析儀的基礎功能，開發出6端口、通信速率為1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s、使用以太網傳送數據和通信指令、實時顯示網絡狀態也可將數據保存以供事后分析、具備完全自主產權的FC分析儀。
3.2.2 數據采集和記錄
FC網絡數據采集和記錄主要由FC記錄儀完成。在數據采集方面，可以挑選關鍵參數進行實時監控[4]；在數據記錄方面，可完成在復雜環境下數據的快速記錄，同時保證數據完整性，并將記錄到數據保存到固態盤以供分析使用。
根據物理結構，將記錄儀分為主控模塊、FC模塊、DPM模塊和電源模塊，在這種設計方案下，任何模塊損壞可直接替換。其中，主控模塊向FC模塊發送采集記錄條件，控制FC模塊開始/停止接收數據，同時主控模塊控制DPM模塊使能記錄和停止記錄；FC模塊用于接收鏈路數據，對接收到的數據按照采集記錄條件挑選后，將數據傳輸給主控模塊用于采集或傳輸給DPM模塊用于記錄；DPM模塊以適當的標準（NTFS、IRIG）將接收到數據通過SATA接口保存到固態盤，同時保證數據的完整性；電源模塊向整個設備提供穩定的電流輸出，并提供掉電保護。此外，將數據保存到固態盤后，通過專用軟件將數據卸載到PC，當固態盤中部分數據損壞時，軟件可以將未損壞的數據恢復，數據卸載完成后，可以對固態盤進行格式化后以重復使用。
目前，國外尚無類似產品可采集和記錄符合FC-AE協議的數據。西安翔騰微電子科技有限公司基于自研FC-IP、FC-AE-ASM協議處理關鍵電路，采用FPGA方案，研制出符合機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協議的FC數據。在數據采集方面，記錄儀使用千兆以太網完成數據的采集以及監控參數的傳遞；在數據記錄方面，記錄儀使用SATA3接口傳輸數據，基于IRIG標準制定數據存儲格式，挑選磁盤容量為512 GB的固態盤完成數據存儲。同時，記錄儀的配套卸載軟件，可通過SATA接口，以最低200 MB/s的速率將固態盤中數據卸載到PC上，并使用可靠、高效的算法恢復異常固態盤中未損壞數據。
4 總結
目前，國外很多公司和研究機構已開發出光纖通道網絡適配卡、儲存設備、路由器以及相關的測試設備。國內在FC網絡技術領域尚處于初步研究階段，尚無FC仿真驗證系統構建方案。該仿真驗證系統是根據應用需求建立的FC網絡系統模型，模擬真實的FC網絡環境，并借助配套設備進行網絡數據分析和網絡性能評估，從而優化網絡架構，實現高效、快速的網絡系統的構建。本文基于對FC協議及應用需求的解讀和分析，介紹了FC仿真驗證系統的構建及FC仿真驗證系統設計關鍵技術，為新一代綜合化航空電子系統FC通信網絡應用提供了有力支撐。
參考文獻
[1] NCITS/Project 1331-D，fibre channel framing and signaling[S].2002.
[2] 霍衛濤，田澤，李攀，等.基于FPGA的光纖通道網絡監控卡設計與實現[J].計算機技術與發展，2014(5)：199-203.
[3] 黎小玉，田澤，劉娟，等.FC協議分析儀軟件設計與實現[J].計算機技術與發展，2013（8）：31-34.
[4] 鄧軻，田澤，郭亮，等.機載光纖通道采集記錄儀的設計及實現[J].計算機技術與發展，2015（4）：162-165.