0 引言

　　隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)的發(fā)展,航空電子系統(tǒng)進一步向統(tǒng)一化、靈活化和便于融合的方向發(fā)展，對總線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸要求也越來越高。光纖通道(Fiber Channel，簡稱FC)具有高帶寬、低延遲、長距離傳輸、拓撲靈活、支持多種上層協(xié)議等優(yōu)點[1]，是一個為適應高性能數(shù)據(jù)傳輸要求而設(shè)計的通信協(xié)議。

　　當前光纖通道在商業(yè)領(lǐng)域中已被廣泛采用，并且能夠提供航空電子系統(tǒng)下新一代的統(tǒng)一航電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建支持。美國國家標準委員會還專門成立了研究光纖通道用于航空電子系統(tǒng)的分委員會（ANSI FC-AE），該分委員會與波音公司、洛克西德馬丁公司等合作制定了一組專門用于航空電子系統(tǒng)的FC協(xié)議子集，即光纖通道航空電子環(huán)境（FC-AE），其中FC高層協(xié)議采用的就是FC-AE下的匿名簽署消息傳輸協(xié)議（FC-AE-ASM）。光纖通道替代當前的航空電子主網(wǎng)絡(luò)MIL-STD-1553，已成為航空電子系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，光纖通道也將成為構(gòu)建新一代的統(tǒng)一航空電子網(wǎng)絡(luò)的首選。

　　光纖通道將通道傳輸?shù)母咚傩院途W(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)撵`活性結(jié)合在一起，采用層次化的結(jié)構(gòu)，共分為5層：FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4；定義了3種拓撲結(jié)構(gòu)：點對點、交換式、仲裁環(huán)網(wǎng)絡(luò)，既能方便地實現(xiàn)高速高效的傳輸，同時也提供了極大的靈活性，特別是交換式網(wǎng)絡(luò)的拓撲，為復雜設(shè)備的互連提供了一種很好的解決方案。

1 光纖通道關(guān)鍵技術(shù)

　　光纖通道以COTS為基礎(chǔ)，它綜合了計算機通道和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的概念，提出了一個不同于傳統(tǒng)的通道和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的互連方案，是一種具有高實時性、高可靠性、高帶寬、高性價比的開放式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]。采用通道技術(shù)控制信號傳輸，使用仲裁或交換方式處理共享沖突，并采用了基于信用的流量控制策略。

　　1.1 FC協(xié)議分層模型

　　與通用的OSI7層網(wǎng)絡(luò)模型類似，F(xiàn)C協(xié)議也采用分層協(xié)議模型，分別為FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4層，如圖1所示。其中FC-0層定義了接口和介質(zhì)的物理特性；FC-1定義了編解碼和傳輸協(xié)議；FC-2層規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則；FC-3層為一些高級特性提供了所需要的通用服務；FC-4層規(guī)定了上層協(xié)議到FC協(xié)議的映射。

　　T11小組制定了系列標準約束了各層協(xié)議的具體功能如下：

　　FC-PH(Fibre Channel Physical and Signaling Interface)：約束了FC-0、FC-1、FC-2層應遵循的規(guī)定，定義了和計算機直連時的機械、光學、信號協(xié)議的詳細規(guī)范。

　　FC-FS(Fibre Channel Framing and Singnaling)：約束了FC-1、FC-2、FC-3層應遵循的規(guī)定，定義了FC傳輸?shù)幕究刂铺匦院凸卜铡?/p>

　　在FC-4層制定了與通道相關(guān)的IPI、SCSI、HIPPI和SBCCS等標準，與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的FC-AE、FC-AV、FC-SW等標準。

　　FC-AE主要涉及的應用領(lǐng)域在航空電子指揮、控制、監(jiān)測、仿真、信號處理和傳感器/視頻數(shù)據(jù)分發(fā)方面。FC-AE主要包括5個部分：無簽名的匿名消息傳輸FC-AE-ASM(Anonymous Subscriber Messaging)、MIL-STD-1553高層協(xié)議FC-AE-1553、虛擬接口FC-AE-VI(Virtual Interface)、FC輕量協(xié)議FC-AE-LP(Lightweight Protocol)、遠程直接存儲器訪問協(xié)議FC-AE-RDMA（Remote Direct Memory Access）[3，4]。每一部分都支持一個或多個高層協(xié)議和拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)實時光纖通道網(wǎng)絡(luò)特征，具備了支持不同航空電子系統(tǒng)需求的網(wǎng)絡(luò)能力。

　　FC-AV定義了利用光纖通道交換、序列、幀的組織形式，傳送音頻、視頻、輔助數(shù)據(jù)和控制流的標準方法，為視頻設(shè)備之間互連提供一種接口標準。FC-AV通信接口實現(xiàn)FC-AV中簡單控制協(xié)議FHCP，提供視頻源到顯示設(shè)備之間的高速通信接口及對各種拓撲結(jié)構(gòu)的支持。

　　1.2 FC網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

　　FC拓撲結(jié)構(gòu)與FC節(jié)點類型密切相關(guān)，即不同的節(jié)點類型所應用的網(wǎng)絡(luò)拓撲不同。在介紹FC拓撲結(jié)構(gòu)之前先對相關(guān)概念給出如下說明：

　　(1)N_Port：Node Port節(jié)點端口，光纖通道通信的終端，可以擔當應答或發(fā)送方的硬件實體，包含了一個鏈路控制設(shè)備（LCF），但是不能用于仲裁環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)中。

　　(2)L_Port：光纖通道通信的終端，可以擔當應答或發(fā)送方的硬件實體，包含了一個鏈路控制設(shè)備（LCF），而且支持仲裁環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)。

　　(3)NL_Port：Node Loop Port節(jié)點環(huán)路端口，同時具備N端口和L端口功能的FC端口設(shè)備。

　　(4)F_Port：Fabric Port光纖端口，一種交換連接端口，交換結(jié)構(gòu)中位于交換機內(nèi)部用于和N端口相連的FC鏈路控制設(shè)備。

　　(5)FL_Port：Fabric Loop Port光纖環(huán)路端口，交換結(jié)構(gòu)中位于交換機內(nèi)部用于和N端口相連的FC鏈路控制設(shè)備，同時可以作為仲裁環(huán)上的一個節(jié)點使用。

　　FC標準定義了3種基本的拓撲結(jié)構(gòu)：點到點、仲裁環(huán)和交換結(jié)構(gòu)。

　　(1)點對點網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。點對點網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)在2個直接相連的N-Port中進行通信，不需要交換網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)在應用中具有帶寬高、數(shù)據(jù)順序傳輸及低延時等優(yōu)點，但該網(wǎng)絡(luò)拓撲可擴展性和靈活性較差。

　　(2)仲栽環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)。仲栽環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)允許2個或更多L-Port相互通信而不使用交換網(wǎng)，仲栽環(huán)路在同一時刻最多支持一個點對點回路。當2個L-Port互相通信時，仲栽環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)支持同時發(fā)生的、對稱的雙向流動。其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)成本低，但容錯性差、帶寬較低。

　　(3)交換式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。交換式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是使用交換機將需要通信的N_Port連接起來構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)。理論上，結(jié)構(gòu)中連接的設(shè)備數(shù)最多可達1 500萬個以上，而且允許多個設(shè)備在同一時刻進行高速通信。其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。該網(wǎng)絡(luò)拓撲擴展性較好、帶寬高、隔離性強，但網(wǎng)絡(luò)搭建成本高、設(shè)計難度大。

　　(4)融合式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。在實際應用中，單一的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)并不能滿足不同的應用需求，需要將以上基本的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)合使用，構(gòu)建更適合應用環(huán)境的融合式網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了以上網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，為復雜應用環(huán)境的FC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供了解決方案。

　　1.3 FC技術(shù)特點

　　1.3.1 FC幀格式

　　FC網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇荈C幀，在FC-2中對幀的格式給出了統(tǒng)一的規(guī)定:一個FC幀是由SOF、幀內(nèi)容以及EOF 3部分組成，而幀內(nèi)容又可以分為幀頭、數(shù)據(jù)字段及CRC 3個部分。FC幀格式如圖5所示。

　　幀中的各個部分解釋如下：

　　(1)SOF和EOF：這2個有序集用于標識幀的開始和結(jié)束，且SOF和EOF在不同的幀、不同的使用環(huán)境中的具體數(shù)值是不一樣的。

　　(2)幀頭：在幀格式中，幀頭是一個24 B的字段，按照字邊界進行傳輸。用于控制鏈路操作、設(shè)備協(xié)議的傳輸以及幀丟失或亂序檢測。在FC中對幀頭給出了統(tǒng)一的格式定義，參見圖6。

　　(3)CRC字段：該字段包含4 B的CRC校驗碼，用于驗證FC幀中的幀頭和數(shù)據(jù)字段的完整性，但是SOF和EOF沒有包含在CRC校驗中。

　　1.3.2 FC錯誤處理方式

　　在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，由于外界干擾、時鐘漂移、環(huán)境應力等因素的作用，在通信過程中可能會出現(xiàn)各種各樣的錯誤。在FC協(xié)議標準中將這些錯誤分為幀錯誤和鏈路錯誤2種：幀錯誤是指由于幀的丟失或損壞引起的錯誤，該錯誤可能進一步導致序列出現(xiàn)完整性錯誤；鏈路錯誤則是指檢測到比幀錯誤更低級別的基本特征信號出現(xiàn)錯誤，包括丟失信號錯誤，丟失同步錯誤和其他鏈路超時錯誤。

　　針對不同的錯誤類型，F(xiàn)C-2中給出了相應的錯誤檢測與恢復方法，以保證鏈路和數(shù)據(jù)通信的可靠性。

　　鏈路錯誤處理包括鏈路故障檢測、代碼損壞檢測和原語序列協(xié)議錯誤檢測，同時鏈路錯誤恢復使用原語序列協(xié)議來完成，包括3種原語序列協(xié)議：鏈路故障協(xié)議、鏈路初始化協(xié)議和鏈路復位協(xié)議。

　　幀錯誤可以分為序列錯誤和交換錯誤，交換錯誤處理策略包括丟棄多個序列、丟棄單個序列、丟棄多個序列并重傳丟棄序列和無限緩沖處理方式。

　　1.3.3 余度接口

　　在航空電子系統(tǒng)中為了增強傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性，通過FC MAC層雙通道控制實現(xiàn)了雙余度接口，支持雙通道容錯通信，對于航空電子系統(tǒng)中所包含的消息類型及應用環(huán)境的不同，可以通過通道選擇和收發(fā)控制達到余度容錯功能。

2 FC網(wǎng)絡(luò)特點及發(fā)展趨勢

　　2.1 FC網(wǎng)絡(luò)特點

　　(1)高帶寬、多媒介、長距離傳輸。串行傳輸速率1.062 Gb/s～32 Gb/s，數(shù)據(jù)吞吐量大，適用于不同模塊間大規(guī)模應用數(shù)據(jù)(如音頻、視頻數(shù)據(jù)流)交換；以光纖、銅纜或屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì)，低成本的銅線支持1 Gb/s的傳輸速率和25 m以上的距離傳輸，多模光纖傳輸距離為0.5 km，單模光纖傳輸距離為10 km。

　　(2)高可靠性與強實時性。多種錯誤處理策略，32 bit CRC；利用優(yōu)先級占先適應不同報文要求與解決媒體訪問控制時的沖突，傳輸位差錯率低于10～12 ；端到端傳輸延遲量級小于10 ?滋s，支持非應答方式與傳感器數(shù)據(jù)傳輸，滿足快速交付的性能等級要求。

　　(3)統(tǒng)一性與可擴展性。可方便地增加和減少節(jié)點以滿足不同應用的需求，拓撲結(jié)構(gòu)靈活，支持多層次系統(tǒng)互連；利用高層協(xié)議映射提供強大的兼容和適應能力，可有效地減少物理器件與附加設(shè)備的種類，并降低經(jīng)濟成本。

　　(4)開放式互連。遵循統(tǒng)一的國際標準，可確保不同生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品能夠互相協(xié)作使用。

　　2.2 FC網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

　　(1)隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，航空電子系統(tǒng)的系統(tǒng)組成方式在不斷變化[5]。航空電子系統(tǒng)從各子系統(tǒng)相互獨立的“分離式”到“聯(lián)合式”，再到正在使用的第三代“綜合式”和第四代“先進綜合式”，其體系結(jié)構(gòu)明顯呈現(xiàn)出融合的趨勢。新一代統(tǒng)一的光纖網(wǎng)絡(luò)航空電子系統(tǒng)將實現(xiàn)面向功能分區(qū)的信息通信的通用化，提高系統(tǒng)傳輸帶寬，統(tǒng)一系統(tǒng)信息的通信格式和標準。

　　(2)統(tǒng)一的光纖機載網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)任務的變化快速改變功能，具有良好的可擴展性，能夠完成比較復雜的任務。同時，機載系統(tǒng)部件的數(shù)據(jù)處理能力和機載系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的能力也在不斷增強。數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示需通過高速機載數(shù)據(jù)總線進行連接[6]。

　　(3)統(tǒng)一的光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅具有實時性和可維護性，還具有較強的容錯能力和苛刻環(huán)境的適應力；占用更少的空間和系統(tǒng)資源；增強航空電子的整體系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)應用軟件設(shè)計的靈活性。

　　(4)統(tǒng)一的光纖網(wǎng)絡(luò)在小型化、低功耗、高安全性、高度綜合、復雜惡劣環(huán)境等應用需求下，提供了較小的解決方案，同時隨著FC協(xié)議自身的不斷發(fā)展，也將同時提高FC網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和安全性。所以基于FC的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必將越來越廣泛地應用到航空電子系統(tǒng)中，成為航空網(wǎng)絡(luò)的首選方案。

3 小結(jié)

　　FC網(wǎng)絡(luò)是目前最具應用前景的航空電子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不僅可以滿足航空對高傳輸速率、高安全性和高兼容性的要求，而且還可以滿足新一代航電系統(tǒng)小型化和低功耗的標準。本文介紹了FC協(xié)議的起源與發(fā)展、FC協(xié)議分層模型、FC傳輸幀格式，以及FC網(wǎng)絡(luò)傳輸支持的錯誤處理方式和余度管理等，深入分析了基于FC協(xié)議構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及其特點，指導后續(xù)設(shè)計開發(fā)工作，為FC技術(shù)深入推廣到航空、航天和船舶領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

　　參考文獻

　　[1] INCITS.T11/08-013v1.Fibre channel avionics environementanonymous subscriber messaging(ASM)/Ammendment 1[S].Washington：InterNational Committee for Information Technology Standards，2008．

　　[2] 黎小玉，田澤．FC分析儀軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2013（8）．

　　[3] ANSI Fiber Channel Physical and Signaling Interface(FCPH)，X3[M]．US：ANSI，1994．

　　[4] ANSI Fiber Channel Avionics Environment-Anonymous Subscriber Messaging(FC-AE-ASM)，Ｒev1．2[M]．US：ANSI，2006．

　　[5] 王磊，裴麗．光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀和未來[J].中國科技信息，2006(4).

　　[6] 周耀榮.航空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢[Z].2006，5.

　　[7] 劉娟，田澤．光纖通道的核心技術(shù)與實現(xiàn)[D].西安：西安石油大學，2010(5).

　　[8] 劉鑫，陸文娟.光纖通道在航空電子環(huán)境的應用及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].光通信技術(shù)，2006(6).

　　[9] 林強.光纖通道綜述[J].計算機應用研究，2006(2).

　　[10] 王海青，王巖.光纖通道在航空電子環(huán)境中的應用[J].飛機設(shè)計，2014(2).