一種FC網(wǎng)絡(luò)管理軟件的設(shè)計(jì)

胡靖宇+薛楠+仲施平

摘要：FC網(wǎng)絡(luò)作為新型的高速通信技術(shù)，具有高速率、可靠性高等特點(diǎn)，是新一代綜合化航空電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的首選。但同時(shí)，又由于其綜合程度越來(lái)越高。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來(lái)越復(fù)雜，該文在介紹FC網(wǎng)絡(luò)及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同時(shí)，詳細(xì)介紹了一種FC網(wǎng)絡(luò)管理的方法，設(shè)計(jì)了一種交換結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的管理方式，為高性能的FC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：FC網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)管理；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

中圖分類(lèi)號(hào)：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）12-0030-03

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其對(duì)高速數(shù)據(jù)通信的需求也日益增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的ARINC429以及1553B總線傳輸速率分別只有100Kbps和1Mbps，其帶寬和速率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足當(dāng)代子系統(tǒng)間實(shí)時(shí)通訊的需要，無(wú)法為高性能的數(shù)據(jù)處理提供有力的支撐，因而提出了高帶寬的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的概念[1]。

光纖通道（ FC）的高帶寬、低延遲、低位錯(cuò)率和靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 使得它能夠很好地滿足未來(lái)航空電子系統(tǒng)互連的要求。其速率可達(dá)到1Gbps、2Gbps、4Gbps，現(xiàn)在最高可支持10Gbps的速率，同時(shí)還具備低延遲、可靠性高、重量輕、體積小等特點(diǎn)，并已成功應(yīng)用于美國(guó)F35 等戰(zhàn)機(jī)[2]。其開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用通道技術(shù)控制信號(hào)傳輸，基于信用流量控制策略，使用點(diǎn)到點(diǎn)、仲裁或交換方式處理共享沖突。因此， FC 將成為未來(lái)航空電子系統(tǒng)互連的首選標(biāo)準(zhǔn)之一。

航空電子系統(tǒng)綜合程度越來(lái)越高，系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可控性和安全性要求也隨之提高。不僅對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求更高，而且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和管理上也有更高的要求。特別是在交換方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)相對(duì)較多，這將會(huì)為它們的可靠性、可維護(hù)性以及之間的數(shù)據(jù)通信提出更高更新的要求。在這種背景下，網(wǎng)絡(luò)管理軟件應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)管理軟件可以構(gòu)建功能完備、運(yùn)行狀態(tài)可控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為系統(tǒng)應(yīng)用提供穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)。本文首先介紹了FC的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議，然后重點(diǎn)介紹FC網(wǎng)絡(luò)管理軟件的設(shè)計(jì)及其工作原理。

1 FC網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

1.1 FC網(wǎng)絡(luò)概念

FC網(wǎng)絡(luò)是綜合計(jì)算機(jī)通道和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)概念提出的一個(gè)不同于傳統(tǒng)的通道和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的互聯(lián)方案，是一種具有高實(shí)時(shí)性、可靠性、帶寬、性?xún)r(jià)比的開(kāi)放式通信技術(shù)，采用通道技術(shù)控制信號(hào)傳輸，使用交換或仲裁環(huán)拓?fù)涮幚斫橘|(zhì)訪問(wèn)沖突，采用信用策略控制網(wǎng)絡(luò)流量[3]。與通用的OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型類(lèi)似，光纖通道模型也采用了分層的協(xié)議模型，共分為5層，分別為FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4，其分層模型如圖1所示。

FC-0層定義了連接的物理端口特性，F(xiàn)C-1層是信號(hào)編碼和解碼層，F(xiàn)C-2 層是幀協(xié)議層，是FC用來(lái)識(shí)別、解釋和處理FC網(wǎng)絡(luò)信息流的核心層。FC-層3是FC的公共服務(wù)層，定義了一些通用服務(wù)功能。FC-4層包含了多種高層協(xié)議，如SCSI、IP、HIPPI、ATM等[4]。

1.2 FC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光纖通道標(biāo)準(zhǔn)定義了三種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)、仲裁環(huán)和交換結(jié)構(gòu)。其中交換結(jié)構(gòu)是使用最為廣泛的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。所有節(jié)點(diǎn)連接交換機(jī)構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性號(hào)，最多可支持16000000個(gè)設(shè)備接入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)[5]；隔離性好，系統(tǒng)中加入任何一處設(shè)備對(duì)其他結(jié)點(diǎn)沒(méi)有影響；帶寬高，交換機(jī)為任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間提供了數(shù)據(jù)通訊，在無(wú)沖突時(shí)，可保證每一個(gè)端口線速運(yùn)行。

這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

2 FC網(wǎng)絡(luò)管理軟件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)管理構(gòu)成及功能分配

網(wǎng)絡(luò)管理是在采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為交換結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，指定網(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)管理器（NC），另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為備份網(wǎng)絡(luò)管理器（BNC），其余節(jié)點(diǎn)均為網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程終端（NRT）。并以網(wǎng)絡(luò)管理器為核心，由其余網(wǎng)絡(luò)終端（BNC和NRT）以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（SW）協(xié)調(diào)完成。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)提供數(shù)據(jù)交換功能，響應(yīng)并執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理器的各種管理與運(yùn)行命令，能夠自主收集各個(gè)端口的鏈路狀態(tài)并定期進(jìn)行廣播。目的在于構(gòu)建功能完備，運(yùn)行狀態(tài)可控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為系統(tǒng)應(yīng)用提供穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)。航電應(yīng)用的系統(tǒng)管理實(shí)現(xiàn)，將直接依賴(lài)于該網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和控制管理的實(shí)現(xiàn)狀態(tài)，但這里的網(wǎng)絡(luò)管理本身不具有系統(tǒng)運(yùn)行控制的決策權(quán)，其作用主要體現(xiàn)在如下兩點(diǎn)：第一、以API接口的形式為系統(tǒng)管理提供網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行控制接口；第二、通過(guò)提供完整可靠的狀態(tài)信息為實(shí)現(xiàn)可控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供依據(jù)和支持。

網(wǎng)絡(luò)管理功能分別分配給的網(wǎng)絡(luò)管理器、備份網(wǎng)絡(luò)管理器和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程終端：

1）網(wǎng)絡(luò)管理器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中唯一存在，控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行方式與管理式。系統(tǒng)上電后，網(wǎng)絡(luò)管理器及備份網(wǎng)絡(luò)管理器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)獲取；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理器失效時(shí)，備份網(wǎng)絡(luò)管理器會(huì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)主控權(quán)的獲取。網(wǎng)絡(luò)管理器主要功能有網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)獲取、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方案加載/切換控制、FC節(jié)點(diǎn)的管理（包括節(jié)點(diǎn)上下網(wǎng)等）、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)信息收集（包括錯(cuò)誤信息、BIT測(cè)試結(jié)果等）、網(wǎng)絡(luò)事件的響應(yīng)。

2）備份網(wǎng)絡(luò)管理器也是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中唯一存在的，在網(wǎng)絡(luò)初始化過(guò)程中會(huì)與NC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)爭(zhēng)奪，當(dāng)NC已經(jīng)獲得網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)之后，BNC與其他的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程終端一樣。當(dāng)在運(yùn)行過(guò)程中NC出現(xiàn)故障不能再正常運(yùn)行時(shí)，BNC便替代故障的NC成為網(wǎng)絡(luò)管理器，履行網(wǎng)絡(luò)管理器的所有功能。

3）網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程終端受控于網(wǎng)絡(luò)管理器，響應(yīng)并執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理器的各種管理與運(yùn)行命令。主要功能有本地信息收集、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方案切換、FC節(jié)點(diǎn)機(jī)的配置和初始化、網(wǎng)絡(luò)事件的響應(yīng)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)管理功能設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)管理主要的功能有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)上下線管理、網(wǎng)絡(luò)上下網(wǎng)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備BIT控制、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行結(jié)構(gòu)切換控制、網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)加載等。其中網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)維護(hù)主要是網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)上下線狀態(tài)的更新，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)初始化完成之后，NRT和NC更新本地上下線表，NC更新完成后會(huì)周期性的廣播上下線表，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)周期性的設(shè)置網(wǎng)絡(luò)管理器上下線表。

為了防止網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間隨意無(wú)序的進(jìn)行通信，需要由網(wǎng)絡(luò)管理器對(duì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（NRT）的上下網(wǎng)進(jìn)行控制，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。NRT要與網(wǎng)絡(luò)中其他NRT進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，首先要向NC發(fā)出上網(wǎng)請(qǐng)求申請(qǐng)，然后NC將該請(qǐng)求上報(bào)給應(yīng)用，當(dāng)允許其上網(wǎng)之后，NC會(huì)更新并周期性的廣播上下網(wǎng)表以及ASM通信狀態(tài)表，最后NRT端啟動(dòng)ASM通信并更新通信狀態(tài)信息，便可與其他也上網(wǎng)的NRT進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.3 網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步控制設(shè)計(jì)

FC網(wǎng)絡(luò)管理軟件還實(shí)現(xiàn)了各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的時(shí)鐘同步功能，時(shí)鐘同步功能主要基于FC原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)，軟件需對(duì)時(shí)鐘同步功能進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置和控制。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中時(shí)鐘信息包括：

（1） DATE時(shí)間：32位寄存器，精確到天。

（2） RTC時(shí)間：42位計(jì)時(shí)器，精確到100ns，24小時(shí)清0。

網(wǎng)絡(luò)上的交換機(jī)和FC節(jié)點(diǎn)機(jī)都設(shè)計(jì)有一個(gè)RTC，每個(gè)RTC都具有計(jì)時(shí)功能。網(wǎng)絡(luò)管理器周期性（同步周期為1ms～10s可設(shè)置）利用幀間隔傳送本地時(shí)鐘信息，交換機(jī)端口收到時(shí)鐘信息后使用該信息修正交換機(jī)本地的RTC，并負(fù)責(zé)利用幀間隔發(fā)送交換機(jī)本地時(shí)鐘信息，其他網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程終端收到時(shí)鐘信息后使用該信息修正本地的RTC。網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)FC節(jié)點(diǎn)機(jī)都設(shè)計(jì)有一個(gè)32位DATE寄存器，網(wǎng)絡(luò)管理器在DATE寄存器狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)廣播該DATE數(shù)值，其他網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程終端接收到該DATE數(shù)值后使用該值更新本地DATE寄存器。

DATE時(shí)間與RTC時(shí)間組合起來(lái)共同構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一日歷時(shí)間，由網(wǎng)絡(luò)管理器進(jìn)行管理維護(hù)，其原理圖如圖5所示。

3 總結(jié)

本文介紹了一種FC的網(wǎng)絡(luò)管理方法，詳細(xì)介紹了網(wǎng)絡(luò)管理中的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)維護(hù)功能、上下網(wǎng)進(jìn)行控制功能和時(shí)鐘同步功能。提供了一種交換結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的管理方式，為高性能的FC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供一定的參考，為航電系統(tǒng)中的綜合聯(lián)試提供了有力支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高揚(yáng)，楊彥明.新一代軍用航空電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2004（ 5） ： 35-38.

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

[3] 牛文生. 機(jī)載計(jì)算機(jī)技術(shù)[M]. 航空工業(yè)出版社，2013.

[4] 廖寅龍. FC網(wǎng)絡(luò)通信中PCIe的接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 航空計(jì)算技術(shù)，2010（4）.

[5] 林強(qiáng)，熊華鋼，張其善.光纖通道綜述[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2006（2） ： 9-13.