文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.041
中文引用格式： 黎小玉，王宏濤，李娟，等. FC網絡技術應用解決方案[J].電子技術應用，2016，42(9)：159-162.
英文引用格式： Li Xiaoyu，Wang Hongtao，Li Juan，et al. The scheme of application solution of FC network technology[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：159-162.
0 引言
隨著FC網絡[1]的廣泛應用，開發一套完整的FC網絡技術應用解決方案尤為重要，同時在實施應用解決方案的過程中需要構建FC網絡，選定關鍵設備并對網絡進行功能檢測、性能監控，以保證系統穩定、可靠運行[2]。
本文在協議分析、標準研究、需求理解和芯片研制的基礎上，突破系列關鍵技術，詳細說明了FC網絡系統構建原理及應用設備，提出了一種FC網絡技術應用解決方案。
1 FC網絡技術
1.1 FC網絡構建
FC網絡通常由核心網絡及其輔助設備組成。核心網絡包括交換機、節點機和傳輸鏈路，配套設備包括FC網絡仿真、FC網絡分析及FC網絡數據記錄設備。
在構建FC網絡過程中，根據系統應用需求確定核心網絡的拓撲結構、網絡帶寬、交換機數目、節點機類型及數目、輔助設備類型及數目。核心網絡可選拓撲結構有點到點、仲裁環和交換式3種，其中交換式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[3]。為支撐FC網絡的構建及維護，可通過FC網絡配置工具生成配置表并加載到交換機和節點機上，完成網絡配置；通過FC網絡仿真設備模擬機載環境下網絡數據，進行地面環境下仿真實驗；通過FC網絡分析設備監控網絡動態并捕獲、分析數據；通過FC網絡數據記錄設備采集、記錄網絡數據。
1.2 應用設備
圖1所示為一個典型的FC網絡應用解決方案。其中，方框區域為FC網絡核心設備，圓框為FC網絡配套設備。
1.2.1 網絡核心設備
(1)FC節點機作為應用系統接入FC網絡的設備，負責消息的發送和接收，完成將應用系統需要傳輸的數據封裝成FC幀發送至FC網絡，或將從FC網絡接收到的FC幀轉換為系統應用所需要的數據。
(2)FC交換機作為信息交換的設備，負責數據交換任務，接收源節點機發來的FC幀，按照配置表轉發給一個或多個目的節點，實現各個節點間的互聯通信。FC網絡傳輸介質：網絡中發送方與接收方之間的物理通路，負責將信號從一方傳輸到另一方。
1.2.2 網絡配套設備
(1)FC網絡配置：網絡配置指對整個FC網絡進行統一規劃部署，以便完成網絡中各節點機之間的高效、高可靠數據通信。
(2)FC網絡仿真：作為構建機載網絡地面仿真系統必不可少的設備，用于網絡仿真、流量測試、時鐘同步和網絡管理[4]。
(3)FC網絡分析：作為FC網絡的測試設備，用于對FC網絡進行測評[5]。
(4)FC網絡數據記錄：作為FC網絡數據記錄的設備，用于將網絡中的數據進行記錄，同時將用戶關心的數據進行采集。
2 FC應用解決方案的實施
實施FC應用解決方案的基礎是核心設備和配套設備的研制，網絡核心設備主要采用基于FPGA的方式實現，但其系統功耗大、維護成本高，且不能滿足軍用尤其是航空電子系統小型化、低功耗、高性能、高可靠、高度綜合、復雜惡劣環境等應用要求。網絡配套設備主要依賴國外產品，國內目前處于初步研制階段。
針對某綜合處理系統對FC網絡的需求提出如圖2所示的應用解決方案。該方案由1個交換機和4個節點機組成，4個節點機分別連接在交換機的通信端口，構成交換式網絡拓撲結構。其中，網絡核心設備FC節點機和交換機采用自研芯片實現；配套應用設備采用基于自研芯片的FC-ASM仿真卡、FC總線分析儀及FC采集記錄器，此方案應用于地面仿真監控、協議分析、采集記錄，實現了FC設備的自主保障功能。
根據應用需求使用FC網絡配置工具生成相應的配置表并加載到交換機和節點機上，用于作為網絡通信的依據；在系統運行過程中若需要模擬飛行中的數據（如飛行高度、速度、慣導等），則可通過FC-ASM仿真卡實現；在通信過程中若出現故障，如節點機3不能正常地進行數據通信，則可以將FC總線分析儀串聯在出現故障的鏈路中，對鏈路中的故障進行分析測試；若需要對整個網絡的數據進行采集和記錄，則可將FC采集記錄器連接到FC交換機的監控端口，用戶可根據應用需求，對FC采集記錄器進行配置，將用戶關心的數據（如飛機飛行高度、速度等信息）通過千兆以太網口實時地傳輸到遙測設備，供用戶分析；若FC網絡中數據量較大，用戶不能同時對網絡上大量的數據進行分析，采集記錄器能將網絡上的數據進行百分百記錄，便于用戶事后分析。
2.1 網絡核心設備
2.1.1 FC節點機
FC節點機是網絡中的重要部件，作為終端可以通過交換機或者直接和節點機通信。此方案中FC節點機采用自研FC-ASM協議處理芯片實現。該芯片采用SMIC 0.13 ?滋m Logic工藝、CBGA440封裝形式、設計規模達到1730余萬門、芯片面積僅12.3×12.3 mm2。其集成度高、體積小、可靠性高、功耗低，滿足了航空電子系統應用要求。FC-ASM芯片主要功能及性能指標如下：
(1)內嵌高性能嵌入式微處理器，運行頻率250 MHz、125 MHz可配置；
(2)內嵌專用FC-AE-ASM協議處理引擎，FC接口速率1.062 5 Gb/s、2.125 Gb/s可配置；
(3)對外提供PCIe/RapidIO可配置主機接口，PCIe支持1x、4x模式，通道速率為2.5 Gb/s，RapidIO支持1x、4x模式，速率1.25 Gb/s、2.5 Gb/s、3.125 Gb/s可選擇。
(4)支持雙余度FC接口，通信誤碼率≤10-12；
(5)支持緊急消息、周期消息、事件消息、數據塊消息4種消息類型（緊急消息、周期消息、事件消息簡稱非數據塊消息）；
(6)非數據塊消息長度小于等于2 096 B，數據塊消息長度小于等于16 MB；支持256條非數據塊消息、16條數據塊消息；
(7)支持時鐘同步、網絡管理功能。
2.1.2 FC交換機
FC交換機是整個網絡的核心部件，具有線速交換功能，是連接各個節點機的交通樞紐。此方案中FC交換機采用自研FC-SW芯片實現。該芯片采用65 nm工藝，FC-CBGA625封裝形式、設計規模達到3 000余萬門，功能管腳約310個。以其高集成度、高可靠性、低功耗完成FC網絡高速無阻交換、數據監控、通信配置、時鐘同步及網絡管理等功能。FC-SW芯片的主要功能、性能指標如下：
(1)支持46路通信端端口；
(2)單端口傳輸速率2.125/1.062 5 Gb/s；
(3)支持FC-2層幀的交換；
(4)支持單播、多播和廣播功能，最多支持255個多播組；
(5)具備廣播和多播端口屏蔽功能；
(6)支持F端口功能；
(7)支持四級E端口級聯，2個交換芯片之間最多可配置6個E端口；
(8)支持可配置的2級或者4級優先級；
(9)支持可選的快速啟動能力，快速啟動模式下單播和廣播功能準備時間小于1 s；
(10)交換機端到端技術延遲小于2 
(11)支持物理端口與邏輯端口的動態映射；提供F端口工作狀態指示；
(12)支持F端口獨立上下線使能控制。
2.1.3 傳輸介質
光纖是常用的FC網絡傳輸介質，按照光在光纖中的傳輸模式分為多模光纖和單模光纖。多模光纖最為常見，但其有效傳輸范圍是0～500 m；單模光纖直徑小，使得光信號不易損耗，所以傳輸距離較遠，但價格昂貴。在此應用解決方案中，依據用戶使用環境，短距離傳輸使用多模光纖，長距離傳輸使用單模光纖。
2.2 網絡配套設備
2.2.1 FC-ASM仿真卡
此方案中FC網絡仿真設備采用基于自研芯片的FC-ASM仿真卡。其與市場上同類型產品相比功耗減小到60%，體積減小到50%，重量減輕到60%，且FC鏈路速率可配置，使用靈活，顯著提高了功能、性能、可靠性。此外提供配套應用軟件具有友好的人機交互界面，可直觀地給出仿真結果，為網絡通信綜合提供參考依據[6]。FC-ASM仿真卡的主要功能、性能指標如下：
(1)支持FC-AE-ASM協議；
(2)實現1.062 5 Gb/s或2.125 Gb/s的FC鏈路；
(3)全雙工通信，誤碼率≤10-12；
(4)支持點到點和交換拓撲結構；
(5)可配置仿真消息參數和信號參數；
(6)可監控發送/接收流量并以曲線形式顯示當前發送/接收流量趨勢圖；
(7)可統計發送/接收消息總數和執行時間等信息；
(8)支持數據回放功能。通過數據回放功能發送接收到的數據，對接收到的數據進行檢查；
(9)主機接口：支持PCI/PCIe/CPCI接口。
2.2.2 FC總線分析儀
此方案中FC網絡分析設備采用自研的FC總線分析儀，該分析儀可同時對6路1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s FC鏈路數據進行監控和分析、故障注入、流量測試和壓力測試，并提供配套應用軟件實時顯示FC鏈路狀態和錯誤統計信息，為FC網絡和系統開發及故障診斷提供支撐[7]。FC總線分析儀結構示意圖如圖3所示。
FC總線分析儀使用時串聯在需要測試的鏈路中，當數據通過FC總線分析儀時，數據采集模塊會將鏈路中的數據復制一份交給數據處理模塊，而不影響網絡數據的正常通信。數據處理模塊接收到數據后將數據及網絡狀態提交給PC機，PC機通過配套應用軟件對網絡數據進行解析，并將解析結果實時顯示。
2.2.3 FC采集記錄器
此方案中FC網絡數據記錄設備采用自研FC采集記錄器，該設備用于將網絡中的數據進行百分百記錄，同時將用戶關心的數據進行采集。FC采集記錄器可對接收到的FC幀進行完整性檢測，并根據事先設定的過濾條件對FC幀進行篩選過濾，符合要求的FC幀被附加上幀到達時刻的時間標記，按照IRIG106第十章的標準進行數據打包，然后存儲在采集記錄器的電子盤中，同時在FC幀數據中選擇用戶關心的參數，通過千兆以太網均衡流量輸出，實現實時監控。可通過卸載設備卸載電子盤中的數據，以便用戶進行數據分析和處理。FC采集記錄器的主要功能和性能指標如下：
(1)符合FC-AE-ASM協議；
(2)具有采集和記錄功能；
(3)支持FC幀篩選過濾機制，篩選過濾條件可配置；
(4)提供IRIG-B/IEEE1588時碼；
(5)數據存儲接口采用SATA標準總線接口，記錄數據格式符合IRIG106-10標準；
(6)提供掉電保護功能，保證當前接收數據能及時完整性的存盤；
(7)具有硬件看門狗、開機整機自動測試、自動故障檢測功能；
(8)可將用戶關心的參數通過千兆以太網均衡流量輸出，進行實時監控；
(9)提供卸載設備，用于卸載電子盤中的數據，以便用戶進行數據分析和處理。
FC采集記錄器內部原理圖如圖4所示。其工作流程如下：
用戶根據應用需求，通過專用編程檢查裝置，將用戶配置寫入設備中，光纖數據接收模塊接收到來自FC光纖通信網絡交換機的數據后，將數據復制為兩份，一份根據用戶配置信息，將用戶關心的數據進行挑選傳輸到主控制器模塊，主控制器模塊接收到數據后通過千兆網口整形輸出到遙測設備；另一份數據傳輸到數據處理模塊，數據處理模塊接收到數據后，將數據全部記錄到高速固態存儲模塊中。在設備使用的過程中用戶可使用遠程控制單元使能或禁止數據的記錄。
3 小結
針對不同型號及實驗室環境下FC網絡研制的技術需求，本文提出了一種FC網絡技術應用解決方案，詳細說明了FC網絡系統構建原理及應用設備。該方案能夠滿足新一代機載FC網絡應用中的分析、采集、記錄、仿真等各種需求，應用于協議分析、機載試飛、地面監控、地面仿真、綜合測試等領域。
本文所提出的FC網絡技術應用解決方案已經成功運用在實際工程中，功能、性能穩定可靠，具有自主知識產權，實現了我國機載FC網絡技術的自主保障、自主發展，為產品開發、系統設計和系統綜合驗證等完整的FC網絡總線技術體系和產品體系打下了堅實的基礎。
參考文獻
[1] Lt Col Chuck Pinney，JAST Avionics Lead.Joint advanced strike technology program, avionics architecture definition issues/decisions/rationale document[EB/OL].(1994).ftp://ftp.jast.mil.
[2] NCITS/Project 1331-D.Fibre channel framing and signaling[S].2003.
[3] 田澤．嵌入式系統開發與應用[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2005．
[4] 劉軍偉，鄧發俊，武華．基于PC機環境下的FC仿真卡的研究與實現[J].硅谷，2011(9)．
[5] 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．
[6] 黃浩益.光纖通道技術在航電系統中的應用[J].航空電子技術，2005(3)．
[7] 張志翟，正軍，李想．航空電子光纖信道協議分析與適配卡設計[J]．測控技術，2010，29(2)：99－101．