光纖通道仲裁環(huán)實時性能分析

王 珂，蔣華勤，王麗霞，遠(yuǎn) 方

（1.鄭州供電公司，河南 鄭州 450000；2.黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

光纖通道是美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會（ANSI）的X3T11小組制定的一套關(guān)于計算機(jī)之間以及計算機(jī)與I/O設(shè)備之間的一種開放式高速串行協(xié)議。它既具有通道的特點(diǎn)，又有網(wǎng)絡(luò)的特性，逐步成為計算機(jī)外設(shè)總線，以及當(dāng)今分布式、多協(xié)議高速局域網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇之一。光纖通道仲裁環(huán)（Fibre Channel Arbitrated Loop，F(xiàn)C-AL）是光纖通道拓?fù)渲幸环N重要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它提供了在共享式光纖網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中把多個節(jié)點(diǎn)連在一起的方法。

光纖通道具有高寬帶、低延遲、高可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而被認(rèn)為是取代MIL-STD-1553成為下一代軍用數(shù)據(jù)總線的首選方案。由于軍用數(shù)據(jù)總線應(yīng)用環(huán)境的特殊性，某些信息的丟失或者沒能按時傳遞到位，可能導(dǎo)致不可估量的后果，因此對總線的實時性能要求更高。能否確保消息的實時傳輸是衡量分布式實時應(yīng)用的重要指標(biāo)，仲裁環(huán)協(xié)議不僅能提供較高的網(wǎng)絡(luò)帶寬，而且有優(yōu)良的延時特性以確保消息的實時傳輸要求，因此在實時聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。

目前在對數(shù)據(jù)總線技術(shù)實時性能的研究中，為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實時傳輸特性，主要方法就是對網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行合理的分配。帶寬分配方法的選擇直接影響到網(wǎng)絡(luò)的實時性能。本文就仲裁環(huán)協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行了簡要分析，闡明了帶寬分配的必要性，并就目前存在的一些帶寬分配方法進(jìn)行了分析和比較，最后驗證了選擇合適的帶寬分配方法對提高網(wǎng)絡(luò)的實時性能有著關(guān)鍵的作用。

1 FC-AL網(wǎng)絡(luò)模型[1-2]

光纖通道仲裁環(huán)協(xié)議和令牌環(huán)協(xié)議一樣，都屬于公共信道多址接入?yún)f(xié)議，專門規(guī)定仲裁環(huán)的連接方式，通過一個環(huán)路將各個節(jié)點(diǎn)串接起來，各個節(jié)點(diǎn)之間通過競爭來訪問環(huán)網(wǎng)，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)檢測到環(huán)路處于空閑狀態(tài)時，可以通過贏得仲裁來獲得網(wǎng)絡(luò)的訪問權(quán)。一旦節(jié)點(diǎn)贏得仲裁后，就可以在目標(biāo)和源節(jié)點(diǎn)之間建立一條點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路，在完全保證連接帶寬的情況下可以進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的通信，直到節(jié)點(diǎn)釋放環(huán)路使用權(quán)為止。

當(dāng)系統(tǒng)上電后或者有新的節(jié)點(diǎn)加入環(huán)路時，光纖通道仲裁環(huán)體系都需要重新初始化程序?qū)Νh(huán)路進(jìn)行初始化，以確定環(huán)路中各個端口個數(shù)和狀態(tài)。環(huán)路初始化主要依靠環(huán)端口狀態(tài)機(jī)（LPSM）來完成，同時給各個節(jié)點(diǎn)分配仲裁環(huán)物理地址（AL_PA）以及建立地址的對應(yīng)關(guān)系，初始化后各個節(jié)點(diǎn)就處于激活狀態(tài)。其中所分配的仲裁環(huán)物理地址的范圍為1～127，地址越低，優(yōu)先權(quán)越高。初始化結(jié)束后，如果節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則向環(huán)路發(fā)送帶自己物理地址的仲裁申請原語信號ARB_x（x=AL_PA），同時，該節(jié)點(diǎn)還會不斷監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中的其他ARB原語信號，如果網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)也有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則收到其他節(jié)點(diǎn)的ARB原語后，將其所帶的AL-PA值和自己的AL-PA相比較，如果大于自己的物理地址，則表明優(yōu)先級比自己低，將收到的ARB_x原語丟棄，發(fā)送帶自己AL_PA值的ARB_y。否則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)收到的ARB原語。如果節(jié)點(diǎn)收到帶有自己AL-PA的ARB信號，則表明節(jié)點(diǎn)贏得仲裁，獲得環(huán)路的訪問權(quán)。此時該節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個OPN_yx（y=目標(biāo)節(jié)點(diǎn)AL-PA值，x=本節(jié)點(diǎn)AL-PA值）信號用來開放目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的通信。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到OPN信號后，則將自身的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為OPEN，和源節(jié)點(diǎn)建立起一個相當(dāng)于點(diǎn)到點(diǎn)的鏈接，直到接收節(jié)點(diǎn)或是發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到CLS原語信號，放棄鏈接。由于仲裁環(huán)也是一種帶優(yōu)先級的多址接入?yún)f(xié)議，因此也可能存在像其他帶優(yōu)先級協(xié)議一樣的問題，就是優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)可能無法獲得環(huán)路的訪問權(quán)。為了解決這一問題，F(xiàn)C-AL協(xié)議制定了訪問公平機(jī)制，即在某段時間區(qū)間內(nèi)，所有申請仲裁的節(jié)點(diǎn)組成一個“訪問窗”。訪問窗內(nèi)任何贏得仲裁的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完一個數(shù)據(jù)包后，即使還有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，也必須等待窗口內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)都發(fā)送過一次數(shù)據(jù)包之后才能重新申請下次環(huán)路的仲裁。例如，某節(jié)點(diǎn)贏得仲裁后，向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送了一個數(shù)據(jù)包，同時也發(fā)出一個ARB（F0）原語信號，這里的F0具有最低的優(yōu)先級，如果窗內(nèi)還有其他節(jié)點(diǎn)沒有發(fā)送過數(shù)據(jù)，則將ARB_x信號代替ARB（F0），這些節(jié)點(diǎn)重新比較優(yōu)先級的高低，依次發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)處于贏得仲裁的節(jié)點(diǎn)收到了ARB（F0）后，則認(rèn)為目前這個訪問窗內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)均發(fā)送過數(shù)據(jù)，開始傳送空閑信號Idle，此時還有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)可以重新申請仲裁，新的訪問窗口就可以建立，并且窗口大小將隨著正在仲裁的節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化而變化。

在“公平算法”中，各個節(jié)點(diǎn)訪問環(huán)路的機(jī)會基本上是平等的，這種方法比較適合于網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)載平均分布在各個節(jié)點(diǎn)上，并且在各個節(jié)點(diǎn)對消息時延差別不是很大的場合，但在實時性要求比較嚴(yán)格的領(lǐng)域，比如軍事領(lǐng)域，這種方法還存在著一定的缺陷。有些節(jié)點(diǎn)的實時性要求比較高，有些相對而言又比較低，如果還是按照公平算法，一個節(jié)點(diǎn)獲得仲裁后發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，然后等待訪問窗內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)均發(fā)送一次數(shù)據(jù)包后再重新申請仲裁。FC協(xié)議定義的幀結(jié)構(gòu)中，由于其數(shù)據(jù)域比較大（2 kbyte），在強(qiáng)實時性應(yīng)用環(huán)境下，如果其他節(jié)點(diǎn)均以最大的數(shù)據(jù)包發(fā)送，那么對實時性要求比較高的節(jié)點(diǎn)需要等待的時間就很長，從而可能導(dǎo)致其錯失消息發(fā)送的時限，消息不能實時傳輸。

2 任務(wù)模型

周期性任務(wù)模型是實時通信中經(jīng)常采用的一種工作模型，是一種確定性的工作負(fù)荷模型。通過它的各種擴(kuò)展，此模型精確地表示了許多傳統(tǒng)強(qiáng)實時應(yīng)用的特征，比如數(shù)字控制、實時監(jiān)視、常比特率音頻/視頻傳輸?；诖四Ｐ偷脑S多帶寬分配算法具有很好的性能和容易理解的行為。在目前存在的一些帶寬分配方法中，大多都采用了這種任務(wù)模型。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有n個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)i都有一個實時消息流Si需要在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，每個消息流Si可以表征為Si=(Ci,Pi,Di)，因此網(wǎng)絡(luò)上共有n個消息流S1,S2,…,Sn，組成一個消息集合M，即

消息流的特征表示為：

1）消息流Si的長度Ci表示傳輸這個消息所需的最大時間，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定的信息域和其他控制信息。

2）消息流產(chǎn)生周期Pi表示消息流Si的消息產(chǎn)生周期。

3）Di表示消息的最大允許延遲時間，即消息流Si的第j個消息達(dá)到時間為ti,j，則必須在ti,j+Di時刻以前被傳輸完。

3 帶寬分配方法及性能分析

目前在數(shù)據(jù)總線技術(shù)中應(yīng)用比較多的帶寬分配方法主要有[3-6]：

1）耗盡型。節(jié)點(diǎn)每次獲得網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)發(fā)送隊列里的全部消息，即

4）歸一化比例型。節(jié)點(diǎn)按歸一化消息流負(fù)載率分配網(wǎng)絡(luò)帶寬

6）負(fù)載匹配型。在本地型帶寬分配算法的基礎(chǔ)上，利用基于負(fù)載匹配的思想得出的一種帶寬分配算法，即

7）基于優(yōu)化算法的帶寬分配方法。根據(jù)公平訪問機(jī)制，得出了消息在最壞的情況下要實現(xiàn)實時傳輸所需滿足的條件為

將每個fi看成一個“粒子”，然后通過設(shè)立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，可將FC-AL網(wǎng)絡(luò)帶寬分配問題轉(zhuǎn)換成如下函數(shù)的優(yōu)化問題

4 性能分析

從消息產(chǎn)生到信息被接受之間的全部通信延遲稱作端到端延遲（ETE_delay），是構(gòu)成仲裁環(huán)節(jié)點(diǎn)間信息交互的一個重要部分。如果端到端的延遲要求不能滿足，則無法保證消息的實時性。本文對以上提及的部分方法進(jìn)行簡單比較，分析對網(wǎng)絡(luò)的實時性能產(chǎn)生的影響。消息流特征如表1所示。

表1 消息流特征

以上文提到的耗盡型、比例型、負(fù)載匹配型和基于優(yōu)化算法的帶寬分配方法為例，得出各種方法的ETE_de?lay情況如圖1～圖4所示。

本次實驗在各節(jié)點(diǎn)消息流要求的最大延遲時間中，最小的是0.12 ms，最大的是0.3 ms，可以看出在耗盡型下，大部分消息都不能得以實時傳輸，實時性能最差；比例型是基于各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載率進(jìn)行帶寬分配的，有利于重負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的傳輸，在本例中對提高消息的實時性起到了一定的作用；負(fù)載匹配型在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率小于50%時能滿足同優(yōu)先級消息實時性要求，在本例中效果不是十分明顯；基于優(yōu)化算法的帶寬分配方法對滿足消息的實時性上效果最好，所有消息均能在其傳輸時限之前得以發(fā)送。

5 小結(jié)

本文分析了光纖通道仲裁環(huán)的數(shù)據(jù)的傳輸過程，指出了其在實時環(huán)境中應(yīng)用的不足，并針對目前存在的一些帶寬分配方法進(jìn)行了分析比較，驗證了選擇合適的帶寬分配對仲裁環(huán)的實時性有著重要的影響。

[1]LIAO Zhihua，HAN Chuanjiu.Bandwidth allocation for FC-AL based on PSO[C]//Proc.International Conference on Communication Technology.Guilin：IEEE Press，2006：269-272.

[2]Fibre channel framing and signaling[EB/OL].[2010-09-23].http：//www.t11.org/ftp/t11/pub/fc/fs-3/09-112v2.pdf.

[3]Fibre channel arbitrate loop[EB/OL].[2010-09-23].http：//www.xilinx.com/support/documentation/ip_dc_fibrechannelal.htm.

[4]AGRAWAL G，CHEN B，ZHAO W，et al.Guaranteeing synchronous message deadlines with the timed token medium access control protocol[EB/OL].[2010-09-23].http：//citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.63.6084&rep=rep1&type=pdf.

[5]ZHOU Qiang，LUO Zhiqiang，LI Qiao，et al.An optimal bandwidth allocation scheme and real—time performance analysis for LTPB network[C]//Proc.National Aerospace and Electronics Conference.Dayton，OH，USA：IEEE Press，2000：180-186.

[6]林強(qiáng)，熊華鋼，張其善.強(qiáng)實時條件下光纖通道仲裁環(huán)帶寬分配方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005，31（4）：443-446.