劉　娟，王宏濤，李　娟，田文娟

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

FC網(wǎng)絡仿真驗證系統(tǒng)構(gòu)建及關鍵技術*

劉娟1，2，王宏濤3，李娟3，田文娟3

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

FC網(wǎng)絡仿真驗證系統(tǒng)為高效、快速構(gòu)建FC網(wǎng)絡提供了有效途徑?；趯C協(xié)議及應用需求的解讀和分析，詳細闡述了FC仿真驗證系統(tǒng)的構(gòu)建過程及相關網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)、交換、監(jiān)控、分析、采集和記錄等關鍵技術的解決途徑,為FC網(wǎng)絡技術的應用提供了基礎理論體系、系統(tǒng)解決方案及測試驗證平臺。

仿真驗證；數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析、測試；數(shù)據(jù)采集和記錄

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?shù)裙逃屑夹g優(yōu)勢[1]，成為新一代航空電子系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡。FC網(wǎng)絡仿真驗證系統(tǒng)是基于FC網(wǎng)絡應用需求搭建的與真實系統(tǒng)等價的原型驗證平臺，主要實現(xiàn)FC網(wǎng)絡數(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(gòu)現(xiàn)在已開發(fā)出光纖通道網(wǎng)絡適配卡、儲存設備、路由器以及相關的測試設備。國內(nèi)在FC網(wǎng)絡技術領域尚處于初步研究階段，急需開展FC網(wǎng)絡仿真驗證系統(tǒng)的研究，為FC網(wǎng)絡技術的應用推廣提供基礎理論支持、系統(tǒng)解決方案及測試驗證平臺。

本文基于對FC網(wǎng)絡協(xié)議及普遍應用中對協(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)絡仿真驗證系統(tǒng)的構(gòu)建過程，突破了FC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)、交換、監(jiān)控、分析、記錄等關鍵技術，為FC網(wǎng)絡技術的應用奠定了基礎。

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)絡仿真驗證系統(tǒng)的基礎。通過對 FC網(wǎng)絡協(xié)議(FC-PI、FC-FS、FCAE-ASM、FC-AV、FC-SW等)的全面解讀與分析，結(jié)合新一代飛機對機載網(wǎng)絡的需求，參考國外F-35、AWACS、B-1B、F/A-18、V-22等先進戰(zhàn)機應用，從數(shù)據(jù)流量、可靠性、實時性、確定性以及安全性等多個方面對FC網(wǎng)絡進行論證，構(gòu)建FC網(wǎng)絡技術指標、系列產(chǎn)品及網(wǎng)絡評測體系，探索有效實現(xiàn)FC網(wǎng)絡仿真驗證系統(tǒng)的方法。

2　FC網(wǎng)絡仿真驗證系統(tǒng)構(gòu)建

FC網(wǎng)絡仿真驗證系統(tǒng)由FC核心網(wǎng)絡及其配套支撐環(huán)境兩部分組成，典型的FC核心網(wǎng)絡包括交換機、節(jié)點機和傳輸鏈路。FC節(jié)點機負責消息的發(fā)送和接收；FC交換機作為信息交換的設備，負責數(shù)據(jù)交換任務。配套支撐環(huán)境包括FC網(wǎng)絡配置工具、FC仿真卡、FC分析儀及FC記錄儀。FC網(wǎng)絡配置工具用于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；FC仿真卡用于模擬真實的FC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；FC分析儀用于監(jiān)控網(wǎng)絡動態(tài)并捕獲分析數(shù)據(jù)；FC記錄儀用于采集、保存網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)。

FC仿真驗證系統(tǒng)構(gòu)建過程中首先需確定FC核心網(wǎng)絡，然后再選擇配套的支撐環(huán)境。構(gòu)建FC核心網(wǎng)絡過程中，需要根據(jù)系統(tǒng)應用需求確定FC核心網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡帶寬、交換機和節(jié)點機類型及數(shù)目。FC網(wǎng)絡可采用點到點、仲裁環(huán)和交換結(jié)構(gòu)3種拓撲結(jié)構(gòu)。其中交換結(jié)構(gòu)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。FC核心網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)確定后，再根據(jù)網(wǎng)絡的測試目的選擇合適的測試設備連接在網(wǎng)絡中。

圖1所示為一個典型的基于交換架構(gòu)的FC仿真驗證系統(tǒng)，在構(gòu)建該系統(tǒng)過程中，首先采用交換式拓撲結(jié)構(gòu)，使用兩臺交換機、4個FC節(jié)點機和若干根光纖搭建出雙余度FC核心交換網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡運行過程中發(fā)送節(jié)點機將數(shù)據(jù)封裝為符合FC協(xié)議的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀，通過光纖發(fā)送到FC交換機，交換機收到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)點機，目的端口節(jié)點機收到FC數(shù)據(jù)幀后，對FC數(shù)據(jù)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(wǎng)絡測試過程中，F(xiàn)C仿真卡替代節(jié)點機，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)絡鏈路中，將鏈路中數(shù)據(jù)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(jiān)控端口，對用戶關心的數(shù)據(jù)進行實時轉(zhuǎn)發(fā)，并將FC網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)保存在SATA盤中。該仿真驗證系統(tǒng)所需設備清單及設備功能如表1所示。

圖1　雙余度交換拓撲結(jié)構(gòu)

表1FC仿真驗證所需設備清單

3　網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)構(gòu)建關鍵技術

3.1核心網(wǎng)絡關鍵技術

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

在構(gòu)建交換式FC網(wǎng)絡過程中，解決網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)交換是其核心關鍵，本節(jié)詳細介紹了FC網(wǎng)絡數(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)絡數(shù)據(jù)收發(fā)由FC節(jié)點機負責完成。根據(jù)收發(fā)數(shù)據(jù)的類型，設計支持FC-AE-ASM協(xié)議的FC節(jié)點機仿真卡完成通信數(shù)據(jù)的傳輸，設計支持FC-AV協(xié)議的FC節(jié)點機仿真卡完成視頻數(shù)據(jù)的傳輸；根據(jù)網(wǎng)絡負載量，確定傳輸速率和節(jié)點數(shù)目；根據(jù)網(wǎng)絡業(yè)務類型，設計具有友好人機交互界面的網(wǎng)絡仿真配置軟件，以支持多種網(wǎng)絡配置方案，提供高效的仿真數(shù)據(jù)編輯、批量生成接口。FC節(jié)點機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)絡數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖2　FC仿真卡功能框圖

中航工業(yè)計算所針對FC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)研制出FIC節(jié)點機和 FAV節(jié)點機。其中，F(xiàn)IC節(jié)點機用于收發(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)絡管理功能[2]；FAV節(jié)點機用于收發(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)絡數(shù)據(jù)交換由FC交換機負責完成。FC交換機支持FC-SW協(xié)議，具備一個或多個交換端口，實現(xiàn)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(shù)據(jù)發(fā)送到目的地址（路由功能），能夠挑選出源節(jié)點到目的節(jié)點的最佳傳輸路徑，能夠使每個交換單元在網(wǎng)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(chǎn)生響應，從而實現(xiàn)了對交換網(wǎng)絡內(nèi)部的各個單元的控制。交換機的內(nèi)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(nèi)外商用FC交換機設計方案的深入分析及研究，為實現(xiàn)高效的FC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)C交換機實現(xiàn)時可采用如下方案：

(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)絡控制。

(2)交換算法：基于VOQ隊列+Crossbar結(jié)構(gòu)，采用包交換方式實現(xiàn)高速交換。

中航工業(yè)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(wǎng)絡高速無阻交換、數(shù)據(jù)監(jiān)控、通信配置及網(wǎng)絡管理功能，支持最多46路通信端口和4路監(jiān)控端口的無阻交換，端對端延遲小于 2 μs，可交換支持 FC-AE-ASM/FC-AV協(xié)議的數(shù)據(jù)，支持兩級級聯(lián)以及支持單播、組播和廣播。

3.2配套支持環(huán)境關鍵技術

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

3.2.1數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析及測試

FC網(wǎng)絡數(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，需實時監(jiān)控串聯(lián)到FC分析儀設備上的FC鏈路中的通信數(shù)據(jù)，實時顯示FC鏈路的網(wǎng)絡狀態(tài)和錯誤統(tǒng)計；在數(shù)據(jù)分析方面，需保存FC鏈路上數(shù)據(jù)并進行分析，可獲取FC網(wǎng)絡的通道速率、鏈路速率、鏈路狀態(tài)，能同時統(tǒng)計保存數(shù)據(jù)中錯誤類型和錯誤數(shù)量；在網(wǎng)絡測試方面，需向FC網(wǎng)絡進行錯誤數(shù)據(jù)注入和正確數(shù)據(jù)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(shù)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(jiān)控端口數(shù)量較少時，手持分析儀使用靈活、便于攜帶，但當監(jiān)控的端口數(shù)量較多時，貨架式分析儀可同時監(jiān)控多路端口。在監(jiān)控鏈路數(shù)據(jù)過程中，需要設置條件來觸發(fā)開始捕獲或停止捕獲，可選方案有時間觸發(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)暫時保存在DDR中，等捕獲完成后發(fā)送到PC進行分析，也可以在捕獲過程中直接將數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡狀態(tài)發(fā)送到PC，達到實時分析的目的，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鍵參數(shù)進行顯示，如：數(shù)據(jù)類型、時標、錯誤類型等，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)絡測試功能主要由正確數(shù)據(jù)注入和錯誤數(shù)據(jù)注入實現(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)每個字節(jié)均需用戶鍵入，操作靈活，但對不了解FC協(xié)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(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)在模板中設置完畢，用戶只需要輸入消息負載就可以完成數(shù)據(jù)輸入，在該方式下還能根據(jù)不同的錯誤類型，選擇不同的錯誤數(shù)據(jù)模板，直接完成鏈路的錯誤數(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(jù)網(wǎng)絡應用需求，結(jié)合國外通用FC分析儀的基礎功能，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、實時顯示網(wǎng)絡狀態(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，可以挑選關鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控[4]；在數(shù)據(jù)記錄方面，可完成在復雜環(huán)境下數(shù)據(jù)的快速記錄，同時保證數(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(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?shù)臉藴剩∟TFS、IRIG）將接收到數(shù)據(jù)通過SATA接口保存到固態(tài)盤，同時保證數(shù)據(jù)的完整性；電源模塊向整個設備提供穩(wěn)定的電流輸出，并提供掉電保護。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，當固態(tài)盤中部分數(shù)據(jù)損壞時，軟件可以將未損壞的數(shù)據(jù)恢復，數(shù)據(jù)卸載完成后，可以對固態(tài)盤進行格式化后以重復使用。

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(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標準制定數(shù)據(jù)存儲格式，挑選磁盤容量為512 GB的固態(tài)盤完成數(shù)據(jù)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(tài)盤中數(shù)據(jù)卸載到PC上，并使用可靠、高效的算法恢復異常固態(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構(gòu)已開發(fā)出光纖通道網(wǎng)絡適配卡、儲存設備、路由器以及相關的測試設備。國內(nèi)在FC網(wǎng)絡技術領域尚處于初步研究階段，尚無FC仿真驗證系統(tǒng)構(gòu)建方案。該仿真驗證系統(tǒng)是根據(jù)應用需求建立的FC網(wǎng)絡系統(tǒng)模型，模擬真實的FC網(wǎng)絡環(huán)境，并借助配套設備進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡性能評估，從而優(yōu)化網(wǎng)絡架構(gòu)，實現(xiàn)高效、快速的網(wǎng)絡系統(tǒng)的構(gòu)建。本文基于對FC協(xié)議及應用需求的解讀和分析，介紹了FC仿真驗證系統(tǒng)的構(gòu)建及FC仿真驗證系統(tǒng)設計關鍵技術，為新一代綜合化航空電子系統(tǒng)FC通信網(wǎng)絡應用提供了有力支撐。

[1]NCITS/Project 1331-D，fibre channel framing and signaling[S]. 2002.

[2]霍衛(wèi)濤，田澤，李攀，等.基于 FPGA的光纖通道網(wǎng)絡監(jiān)控卡設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展，2014(5)：199-203.

[3]黎小玉，田澤，劉娟，等.FC協(xié)議分析儀軟件設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)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(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展，2015（4）：162-165.

The construction and key technologies of FC network simulation and verification system

Liu Juan1，2，Wang Hongtao3，Li Juan3，Tian Wenjuan3
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

The FC simulation and verification system provides an effective way for construction of FC network.This paper introduces the process of the construction of the FC simulation system and the solutions of the key technologies such as the related data transceiver,exchange,monitoring,analysis,collection and record of the key technologies in details.FC simulation and verification system provides the basis system of theory,solutions of system and test verification platform for application of FC network technology.

simulation and verification；monitoring，analysis and testing of data；collection and record of data

TN91

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.043

航空科學基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-06-12）

劉娟（1984-），女，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

王宏濤（1987-），男，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

李娟（1987-），女，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

田文娟（1989-），女，本科，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

中文引用格式：劉娟，王宏濤，李娟，等.FC網(wǎng)絡仿真驗證系統(tǒng)構(gòu)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.