0 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)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?fù)潇`活、支持多種上層協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)[1]，是一個(gè)為適應(yīng)高性能數(shù)據(jù)傳輸要求而設(shè)計(jì)的通信協(xié)議。

　　當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)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(huì)（ANSI FC-AE），該分委員會(huì)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(dāng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)對點(diǎn)、交換式、仲裁環(huán)網(wǎng)絡(luò)，既能方便地實(shí)現(xiàn)高速高效的傳輸，同時(shí)也提供了極大的靈活性，特別是交換式網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，為?fù)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(jì)算機(jī)通道和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的概念，提出了一個(gè)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(shí)時(shí)性、高可靠性、高帶寬、高性價(jià)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(wù)；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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)遵循的規(guī)定，定義了和計(jì)算機(jī)直連時(shí)的機(jī)械、光學(xué)、信號協(xié)議的詳細(xì)規(guī)范。

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

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

　　FC-AE主要涉及的應(yīng)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(gè)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(yuǎn)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(gè)或多個(gè)高層協(xié)議和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)方法，為視頻設(shè)備之間互連提供一種接口標(biāo)準(zhǔn)。FC-AV通信接口實(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的支持。

　　1.2 FC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　FC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與FC節(jié)點(diǎn)類型密切相關(guān)，即不同的節(jié)點(diǎn)類型所應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳煌?。在介紹FC拓?fù)浣Y(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(diǎn)端口，光纖通道通信的終端，可以擔(dān)當(dāng)應(yīng)答或發(fā)送方的硬件實(shí)體，包含了一個(gè)鏈路控制設(shè)備（LCF），但是不能用于仲裁環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

　　(2)L_Port：光纖通道通信的終端，可以擔(dān)當(dāng)應(yīng)答或發(fā)送方的硬件實(shí)體，包含了一個(gè)鏈路控制設(shè)備（LCF），而且支持仲裁環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　(3)NL_Port：Node Loop Port節(jié)點(diǎn)環(huán)路端口，同時(shí)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(jī)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(jī)內(nèi)部用于和N端口相連的FC鏈路控制設(shè)備，同時(shí)可以作為仲裁環(huán)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用。

　　FC標(biāo)準(zhǔn)定義了3種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)、仲裁環(huán)和交換結(jié)構(gòu)。

　　(1)點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在2個(gè)直接相連的N-Port中進(jìn)行通信，不需要交換網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在應(yīng)用中具有帶寬高、數(shù)據(jù)順序傳輸及低延時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，但該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇蓴U(kuò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許2個(gè)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(shí)刻最多支持一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)回路。當(dāng)2個(gè)L-Port互相通信時(shí)，仲栽環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持同時(shí)發(fā)生的、對稱的雙向流動(dòng)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成本低，但容錯(cuò)性差、帶寬較低。

　　(3)交換式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交換式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是使用交換機(jī)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(dá)1 500萬個(gè)以上，而且允許多個(gè)設(shè)備在同一時(shí)刻進(jìn)行高速通信。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽U(kuò)展性較好、帶寬高、隔離性強(qiáng)，但網(wǎng)絡(luò)搭建成本高、設(shè)計(jì)難度大。

　　(4)融合式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，單一的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不能滿足不同的應(yīng)用需求，需要將以上基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)合使用，構(gòu)建更適合應(yīng)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(diǎn)，為復(fù)雜應(yīng)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(diǎn)

　　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(gè)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(gè)部分。FC幀格式如圖5所示。

　　幀中的各個(gè)部分解釋如下：

　　(1)SOF和EOF：這2個(gè)有序集用于標(biāo)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(gè)24 B的字段，按照字邊界進(jìn)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(yàn)碼，用于驗(yàn)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(yàn)中。

　　1.3.2 FC錯(cuò)誤處理方式

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

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

　　鏈路錯(cuò)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(cuò)誤檢測，同時(shí)鏈路錯(cuò)誤恢復(fù)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(fù)位協(xié)議。

　　幀錯(cuò)誤可以分為序列錯(cuò)誤和交換錯(cuò)誤，交換錯(cuò)誤處理策略包括丟棄多個(gè)序列、丟棄單個(gè)序列、丟棄多個(gè)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(qiáng)傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性，通過FC MAC層雙通道控制實(shí)現(xiàn)了雙余度接口，支持雙通道容錯(cuò)通信，對于航空電子系統(tǒng)中所包含的消息類型及應(yīng)用環(huán)境的不同，可以通過通道選擇和收發(fā)控制達(dá)到余度容錯(cuò)功能。

2 FC網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢

　　2.1 FC網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

　　(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(yīng)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(qiáng)實(shí)時(shí)性。多種錯(cuò)誤處理策略，32 bit CRC；利用優(yōu)先級占先適應(yīng)不同報(bào)文要求與解決媒體訪問控制時(shí)的沖突，傳輸位差錯(cuò)率低于10～12 ；端到端傳輸延遲量級小于10 ?滋s，支持非應(yīng)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(kuò)展性?？煞奖愕卦黾雍蜏p少節(jié)點(diǎn)以滿足不同應(yīng)用的需求，拓?fù)浣Y(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(qiáng)大的兼容和適應(yīng)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(jì)成本。

　　(4)開放式互連。遵循統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，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(dú)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(jìn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)。

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

　　(3)統(tǒng)一的光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅具有實(shí)時(shí)性和可維護(hù)性，還具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力和苛刻環(huán)境的適應(yīng)力；占用更少的空間和系統(tǒng)資源；增強(qiáng)航空電子的整體系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)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(fù)雜惡劣環(huán)境等應(yīng)用需求下，提供了較小的解決方案，同時(shí)隨著FC協(xié)議自身的不斷發(fā)展，也將同時(shí)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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。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(cuò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)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)。

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