FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案*

黎小玉，王宏濤，李　娟，宗有旺

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案*

黎小玉1，2，王宏濤3，李娟3，宗有旺3

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

FC網(wǎng)絡(luò)是一種新型的高速通信技術(shù)，是新一代綜合化航空電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的首選。國內(nèi)機載FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用缺少完整的技術(shù)體系，開發(fā)一套完整的FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案尤為重要。介紹了一種FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案，詳細說明了FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建原理及應(yīng)用設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)核心應(yīng)用設(shè)備包含F(xiàn)C交換機、FC節(jié)點機和傳輸介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)配套應(yīng)用設(shè)備包含F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)配置工具及FC協(xié)議分析、數(shù)據(jù)采集、記錄、仿真等設(shè)備。支撐并推動了重點型號項目的研制，促進了我國新一代機載FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

FC網(wǎng)絡(luò)；高速通信；FC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

0　引言

隨著 FC網(wǎng)絡(luò)[1]的廣泛應(yīng)用，開發(fā)一套完整的 FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案尤為重要，同時在實施應(yīng)用解決方案的過程中需要構(gòu)建FC網(wǎng)絡(luò)，選定關(guān)鍵設(shè)備并對網(wǎng)絡(luò)進行功能檢測、性能監(jiān)控，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行[2]。

本文在協(xié)議分析、標準研究、需求理解和芯片研制的基礎(chǔ)上，突破系列關(guān)鍵技術(shù)，詳細說明了FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建原理及應(yīng)用設(shè)備，提出了一種FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案。

1　FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1.1FC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

FC網(wǎng)絡(luò)通常由核心網(wǎng)絡(luò)及其輔助設(shè)備組成。核心網(wǎng)絡(luò)包括交換機、節(jié)點機和傳輸鏈路，配套設(shè)備包括FC網(wǎng)絡(luò)仿真、FC網(wǎng)絡(luò)分析及FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。

在構(gòu)建FC網(wǎng)絡(luò)過程中，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用需求確定核心網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、交換機數(shù)目、節(jié)點機類型及數(shù)目、輔助設(shè)備類型及數(shù)目。核心網(wǎng)絡(luò)可選拓撲結(jié)構(gòu)有點到點、仲裁環(huán)和交換式3種，其中交換式是最具優(yōu)勢的拓撲結(jié)構(gòu)，具有通信帶寬高、可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸延遲小和擴展性好等優(yōu)點[3]。為支撐 FC網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及維護，可通過FC網(wǎng)絡(luò)配置工具生成配置表并加載到交換機和節(jié)點機上，完成網(wǎng)絡(luò)配置；通過FC網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)備模擬機載環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，進行地面環(huán)境下仿真實驗；通過FC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)動態(tài)并捕獲、分析數(shù)據(jù)；通過FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備采集、記錄網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

1.2應(yīng)用設(shè)備

圖1所示為一個典型的FC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案。其中，方框區(qū)域為FC網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備，圓框為FC網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備。

圖1　典型的FC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案圖

1.2.1網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備

(1)FC節(jié)點機作為應(yīng)用系統(tǒng)接入FC網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，負責消息的發(fā)送和接收，完成將應(yīng)用系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝成FC幀發(fā)送至FC網(wǎng)絡(luò)，或?qū)腇C網(wǎng)絡(luò)接收到的FC幀轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)應(yīng)用所需要的數(shù)據(jù)。

(2)FC交換機作為信息交換的設(shè)備，負責數(shù)據(jù)交換任務(wù)，接收源節(jié)點機發(fā)來的FC幀，按照配置表轉(zhuǎn)發(fā)給一個或多個目的節(jié)點，實現(xiàn)各個節(jié)點間的互聯(lián)通信。FC網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)：網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送方與接收方之間的物理通路，負責將信號從一方傳輸?shù)搅硪环健?/p>

1.2.2網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備

(1)FC網(wǎng)絡(luò)配置：網(wǎng)絡(luò)配置指對整個FC網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)一規(guī)劃部署，以便完成網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點機之間的高效、高可靠數(shù)據(jù)通信。

(2)FC網(wǎng)絡(luò)仿真：作為構(gòu)建機載網(wǎng)絡(luò)地面仿真系統(tǒng)必不可少的設(shè)備，用于網(wǎng)絡(luò)仿真、流量測試、時鐘同步和網(wǎng)絡(luò)管理[4]。

(3)FC網(wǎng)絡(luò)分析：作為 FC網(wǎng)絡(luò)的測試設(shè)備，用于對FC網(wǎng)絡(luò)進行測評[5]。

(4)FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄：作為FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄的設(shè)備，用于將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進行記錄，同時將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)進行采集。

2　FC應(yīng)用解決方案的實施

實施FC應(yīng)用解決方案的基礎(chǔ)是核心設(shè)備和配套設(shè)備的研制，網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備主要采用基于FPGA的方式實現(xiàn)，但其系統(tǒng)功耗大、維護成本高，且不能滿足軍用尤其是航空電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高性能、高可靠、高度綜合、復(fù)雜惡劣環(huán)境等應(yīng)用要求。網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備主要依賴國外產(chǎn)品，國內(nèi)目前處于初步研制階段。

針對某綜合處理系統(tǒng)對FC網(wǎng)絡(luò)的需求提出如圖2所示的應(yīng)用解決方案。該方案由1個交換機和4個節(jié)點機組成，4個節(jié)點機分別連接在交換機的通信端口，構(gòu)成交換式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。其中，網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備FC節(jié)點機和交換機采用自研芯片實現(xiàn)；配套應(yīng)用設(shè)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(yīng)用于地面仿真監(jiān)控、協(xié)議分析、采集記錄，實現(xiàn)了FC設(shè)備的自主保障功能。

圖2　交換式FC網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)應(yīng)用需求使用FC網(wǎng)絡(luò)配置工具生成相應(yīng)的配置表并加載到交換機和節(jié)點機上，用于作為網(wǎng)絡(luò)通信的依據(jù)；在系統(tǒng)運行過程中若需要模擬飛行中的數(shù)據(jù)（如飛行高度、速度、慣導等），則可通過 FC-ASM仿真卡實現(xiàn)；在通信過程中若出現(xiàn)故障，如節(jié)點機3不能正常地進行數(shù)據(jù)通信，則可以將FC總線分析儀串聯(lián)在出現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)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(jiān)控端口，用戶可根據(jù)應(yīng)用需求，對FC采集記錄器進行配置，將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)（如飛機飛行高度、速度等信息）通過千兆以太網(wǎng)口實時地傳輸?shù)竭b測設(shè)備，供用戶分析；若FC網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量較大，用戶不能同時對網(wǎng)絡(luò)上大量的數(shù)據(jù)進行分析，采集記錄器能將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進行百分百記錄，便于用戶事后分析。

2.1網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備

2.1.1FC節(jié)點機

FC節(jié)點機是網(wǎng)絡(luò)中的重要部件，作為終端可以通過交換機或者直接和節(jié)點機通信。此方案中FC節(jié)點機采用自研FC-ASM協(xié)議處理芯片實現(xiàn)。該芯片采用SMIC 0.13 μm Logic工藝、CBGA440封裝形式、設(shè)計規(guī)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(tǒng)應(yīng)用要求。FC-ASM芯片主要功能及性能指標如下：

(1)內(nèi)嵌高性能嵌入式微處理器，運行頻率250 MHz、125 MHz可配置；

(2)內(nèi)嵌專用FC-AE-ASM協(xié)議處理引擎，F(xiàn)C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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)塊消息）；

(6)非數(shù)據(jù)塊消息長度小于等于 2 096 B，數(shù)據(jù)塊消息長度小于等于16 MB；支持 256條非數(shù)據(jù)塊消息、16條數(shù)據(jù)塊消息；

(7)支持時鐘同步、網(wǎng)絡(luò)管理功能。

2.1.2FC交換機

FC交換機是整個網(wǎng)絡(luò)的核心部件，具有線速交換功能，是連接各個節(jié)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(xiàn)。該芯片采用65 nm工藝，F(xiàn)C-CBGA625封裝形式、設(shè)計規(guī)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(wǎng)絡(luò)高速無阻交換、數(shù)據(jù)監(jiān)控、通信配置、時鐘同步及網(wǎng)絡(luò)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(lián)，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(yōu)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(shù)延遲小于2 μs；

(11)支持物理端口與邏輯端口的動態(tài)映射；提供 F端口工作狀態(tài)指示；

(12)支持F端口獨立上下線使能控制。

2.1.3傳輸介質(zhì)

光纖是常用的FC網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)，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(yīng)用解決方案中，依據(jù)用戶使用環(huán)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(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備

2.2.1FC-ASM仿真卡

此方案中FC網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)備采用基于自研芯片的FC-ASM仿真卡。其與市場上同類型產(chǎn)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(yīng)用軟件具有友好的人機交互界面，可直觀地給出仿真結(jié)果，為網(wǎng)絡(luò)通信綜合提供參考依據(jù)[6]。FC-ASM仿真卡的主要功能、性能指標如下：

(1)支持FC-AE-ASM協(xié)議；

(2)實現(xiàn)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(jié)構(gòu)；

(5)可配置仿真消息參數(shù)和信號參數(shù)；

(6)可監(jiān)控發(fā)送/接收流量并以曲線形式顯示當前發(fā)送/接收流量趨勢圖；

(7)可統(tǒng)計發(fā)送/接收消息總數(shù)和執(zhí)行時間等信息；

(8)支持數(shù)據(jù)回放功能。通過數(shù)據(jù)回放功能發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行檢查；

(9)主機接口：支持PCI/PCIe/CPCI接口。

2.2.2FC總線分析儀

此方案中FC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)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(shù)據(jù)進行監(jiān)控和分析、故障注入、流量測試和壓力測試，并提供配套應(yīng)用軟件實時顯示FC鏈路狀態(tài)和錯誤統(tǒng)計信息，為FC網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)開發(fā)及故障診斷提供支撐[7]。FC總線分析儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3　FC分析儀結(jié)構(gòu)示意圖

FC總線分析儀使用時串聯(lián)在需要測試的鏈路中，當數(shù)據(jù)通過FC總線分析儀時，數(shù)據(jù)采集模塊會將鏈路中的數(shù)據(jù)復(fù)制一份交給數(shù)據(jù)處理模塊，而不影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的正常通信。數(shù)據(jù)處理模塊接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)提交給PC機，PC機通過配套應(yīng)用軟件對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行解析，并將解析結(jié)果實時顯示。

2.2.3FC采集記錄器

此方案中FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備采用自研FC采集記錄器，該設(shè)備用于將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進行百分百記錄，同時將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)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(jù)事先設(shè)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(shù)據(jù)打包，然后存儲在采集記錄器的電子盤中，同時在FC幀數(shù)據(jù)中選擇用戶關(guān)心的參數(shù)，通過千兆以太網(wǎng)均衡流量輸出，實現(xiàn)實時監(jiān)控?？赏ㄟ^卸載設(shè)備卸載電子盤中的數(shù)據(jù)，以便用戶進行數(shù)據(jù)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(xié)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(shù)據(jù)存儲接口采用 SATA標準總線接口，記錄數(shù)據(jù)格式符合IRIG106-10標準；

(6)提供掉電保護功能，保證當前接收數(shù)據(jù)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(guān)心的參數(shù)通過千兆以太網(wǎng)均衡流量輸出，進行實時監(jiān)控；

(9)提供卸載設(shè)備，用于卸載電子盤中的數(shù)據(jù)，以便用戶進行數(shù)據(jù)分析和處理。

FC采集記錄器內(nèi)部原理圖如圖4所示。其工作流程如下：

圖4　FC采集記錄器內(nèi)部原理圖

用戶根據(jù)應(yīng)用需求，通過專用編程檢查裝置，將用戶配置寫入設(shè)備中，光纖數(shù)據(jù)接收模塊接收到來自FC光纖通信網(wǎng)絡(luò)交換機的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)復(fù)制為兩份，一份根據(jù)用戶配置信息，將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)進行挑選傳輸?shù)街骺刂破髂K，主控制器模塊接收到數(shù)據(jù)后通過千兆網(wǎng)口整形輸出到遙測設(shè)備；另一份數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)全部記錄到高速固態(tài)存儲模塊中。在設(shè)備使用的過程中用戶可使用遠程控制單元使能或禁止數(shù)據(jù)的記錄。

3　小結(jié)

針對不同型號及實驗室環(huán)境下FC網(wǎng)絡(luò)研制的技術(shù)需求，本文提出了一種FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案，詳細說明了FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建原理及應(yīng)用設(shè)備。該方案能夠滿足新一代機載FC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的分析、采集、記錄、仿真等各種需求，應(yīng)用于協(xié)議分析、機載試飛、地面監(jiān)控、地面仿真、綜合測試等領(lǐng)域。

本文所提出的FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案已經(jīng)成功運用在實際工程中，功能、性能穩(wěn)定可靠，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)了我國機載FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自主保障、自主發(fā)展，為產(chǎn)品開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)綜合驗證等完整的FC網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)體系和產(chǎn)品體系打下了堅實的基礎(chǔ)。

[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(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2005．

[4]劉軍偉，鄧發(fā)俊，武華．基于 PC機環(huán)境下的 FC仿真卡的研究與實現(xiàn)[J].硅谷，2011(9)．

[5]黎小玉，田澤，劉娟，等．FC協(xié)議分析儀軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2013．

[6]黃浩益.光纖通道技術(shù)在航電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].航空電子技術(shù)，2005(3)．

[7]張志翟，正軍，李想．航空電子光纖信道協(xié)議分析與適配卡設(shè)計[J]．測控技術(shù)，2010，29(2)：99－101．

The scheme of application solution of FC network technology

Li Xiaoyu1，2，Wang Hongtao3，Li Juan3，Zong Youwang3
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

FC network is a new pattern of technology of high speed communication and a new generation of first choice of integrated avionics system for communication network.FC network technology of domestic airborne lacks of a complete technology system.It is particularly important to develop a complete set of application solution of FC network technology.This paper introduces a scheme of solution of FC network technology.It details the constructing principle and application equipment of FC network system,introduces the application equipments of core network that include FC switches,FC node machine and transmission medium,and application equipments of network configuration which contain FC network configuration tool,FC protocol analysis, data collection,record,simulation,etc.It supports and promotes our country the development of a new generation of airborne FC network technology.

FC network；high speed communication；FC network structure

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.041

航空科學基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-08-10）

黎小玉（1983-），女，碩士，工程師，主要研究方向：SoC設(shè)計、驗證及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

王宏濤（1987-），男，大專，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)。

李娟（1987-），女，本科，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)。

宗有旺（1991-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：嵌入式硬件設(shè)計。

中文引用格式：黎小玉，王宏濤，李娟，等.FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案[J].電子技術(shù)應(yīng)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.