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(yōu)勢[1]，成為新一代航空電子系統(tǒng)的主干網絡。FC網絡仿真驗證系統(tǒng)是基于FC網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網絡數據的仿真、測試、監(jiān)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(xiàn)在已開發(fā)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(tǒng)的研究，為FC網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網絡協(xié)議及普遍應用中對協(xié)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(tǒng)的構建過程，突破了FC網絡數據收發(fā)、交換、監(jiān)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(xié)議解讀和分析

　　正確解讀與分析FC協(xié)議是構建FC網絡仿真驗證系統(tǒng)的基礎。通過對FC網絡協(xié)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(zhàn)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(xiàn)FC網絡仿真驗證系統(tǒng)的方法。

2 FC網絡仿真驗證系統(tǒng)構建

　　FC網絡仿真驗證系統(tǒng)由FC核心網絡及其配套支撐環(huán)境兩部分組成，典型的FC核心網絡包括交換機、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，負責數據交換任務。配套支撐環(huán)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(jié)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(jiān)控網絡動態(tài)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(tǒng)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(huán)境。構建FC核心網絡過程中，需要根據系統(tǒng)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(jié)點機類型及數目。FC網絡可采用點到點、仲裁環(huán)和交換結構3種拓撲結構。其中交換結構是最具優(yōu)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(yōu)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(tǒng)，在構建該系統(tǒng)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(jié)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(fā)送節(jié)點機將數據封裝為符合FC協(xié)議的網絡數據幀，通過光纖發(fā)送到FC交換機，交換機收到FC幀后，按照配置好的數據傳輸路徑將其轉發(fā)到目的端口節(jié)點機，目的端口節(jié)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，F(xiàn)C仿真卡替代節(jié)點機，模擬飛行數據； FC分析儀串聯(lián)在需要監(jiān)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(jiān)控端口，對用戶關心的數據進行實時轉發(fā)，并將FC網絡中的數據保存在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。

3 網絡仿真系統(tǒng)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(tǒng)構建過程中需要突破的關鍵技術包括FC網絡數據收發(fā)、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(fā)和數據交換是其核心關鍵，本節(jié)詳細介紹了FC網絡數據收發(fā)和數據交換解決方案。

　　3.1.1 數據收發(fā)

　　FC網絡數據收發(fā)由FC節(jié)點機負責完成。根據收發(fā)數據的類型，設計支持FC-AE-ASM協(xié)議的FC節(jié)點機仿真卡完成通信數據的傳輸，設計支持FC-AV協(xié)議的FC節(jié)點機仿真卡完成視頻數據的傳輸；根據網絡負載量，確定傳輸速率和節(jié)點數目；根據網絡業(yè)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(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網絡數據收發(fā)。

圖2  FC仿真卡功能框圖

　　中航工業(yè)計算所針對FC網絡數據收發(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(jié)點機用于收發(fā)符合FC-AV協(xié)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(fā)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(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）將數據發(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(xiàn)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(xiàn)高效的FC網絡數據交換，F(xiàn)C交換機實現(xiàn)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(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網絡高速無阻交換、數據監(jiān)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(jiān)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(xié)議的數據，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)境作為構建交換式FC網絡的重要部分，其主要包括數據監(jiān)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(jiān)控、分析及測試

　　FC網絡數據監(jiān)控、分析及測試主要由FC分析儀完成。FC分析儀在鏈路數據監(jiān)控方面，需實時監(jiān)控串聯(lián)到FC分析儀設備上的FC鏈路中的通信數據，實時顯示FC鏈路的網絡狀態(tài)和錯誤統(tǒng)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(tài)，能同時統(tǒng)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(jiān)控端口數量較少時，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)控鏈路數據過程中，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，可選擇將鏈路中數據暫時保存在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據及網絡狀態(tài)發(fā)送到PC，達到實時分析的目的，使用千兆以太網或PCIe等接口發(fā)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(xiàn)，注入數據的方式有兩種，一種是全字段輸入，發(fā)送到鏈路中的數據每個字節(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(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網絡應用需求，結合國外通用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、使用以太網傳送數據和通信指令、實時顯示網絡狀態(tài)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(jiān)控[4]；在數據記錄方面，可完成在復雜環(huán)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(tài)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(fā)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(tài)盤，同時保證數據的完整性；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，將數據保存到固態(tài)盤后，通過專用軟件將數據卸載到PC，當固態(tài)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(tài)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(xié)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(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(jiān)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(tài)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(tài)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(tài)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(fā)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(tǒng)構建方案。該仿真驗證系統(tǒng)是根據應用需求建立的FC網絡系統(tǒng)模型，模擬真實的FC網絡環(huán)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(yōu)化網絡架構，實現(xiàn)高效、快速的網絡系統(tǒng)的構建。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通信網絡應用提供了有力支撐。

　　參考文獻

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　　[2] 霍衛(wèi)濤，田澤，李攀，等.基于FPGA的光纖通道網絡監(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.