光纖通道速率自適應(yīng)設(shè)計(jì)?

吳楚雄 施海鋒

（南京電子技術(shù)研究所 南京 210039）

1 引言

隨著“萬物互聯(lián)”時(shí)代的到來，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備量和數(shù)據(jù)量爆炸式地增長(zhǎng)，這對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)提出了更高的要求。光纖通道（Fibre Channel，F(xiàn)C）技術(shù)兼具通道傳輸和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，傳輸帶寬高、延時(shí)低、擴(kuò)展性好和可靠性高，已廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Storage Area Network，SAN）、航空航天等領(lǐng)域［1］。光纖通道協(xié)議的快速更迭和蓬勃發(fā)展，不僅保證了通信系統(tǒng)能始終使用最先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，滿足性能需求；也使得數(shù)據(jù)傳輸速率需求不同的系統(tǒng)能夠采用相應(yīng)的光纖通道技術(shù)，用以節(jié)約成本［2］。然而，市面上光纖通道設(shè)備接口傳輸速率的不統(tǒng)一，也帶來了不同設(shè)備之間無法互連通信的問題。

為此，本文針對(duì)市面上不同速率接口光纖通道設(shè)備大量共存的現(xiàn)狀，在研究光纖通道協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)速率自適應(yīng)功能進(jìn)行分析與總結(jié)，設(shè)計(jì)了一種光纖通道速率自適應(yīng)狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)光纖通道模塊的兼容設(shè)計(jì)，使其能與不同傳輸速率的光纖通道設(shè)備互連通信。該設(shè)計(jì)方案具有一定的通用性，可應(yīng)用于其他光纖通道設(shè)備接口設(shè)計(jì)中，提高設(shè)備的可擴(kuò)展性和兼容性，方便不同設(shè)備之間的互連和組網(wǎng)，降低研發(fā)以及生產(chǎn)成本。

2 速率自適應(yīng)原理

光纖通道協(xié)議分層模型較為簡(jiǎn)單，一共分為5層，即FC-0層，F(xiàn)C-1層，F(xiàn)C-2層，F(xiàn)C-3層和FC-4層。其中FC-0層、FC-1層和FC-2層組成了物理和信號(hào)層，而FC-3層和FC-4層組成上層協(xié)議［3］。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，底層協(xié)議為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)接口與設(shè)備抽象，上層協(xié)議為用戶提供編程接口，并調(diào)用底層協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸。

速率自適應(yīng)功能作為FC-FS-4協(xié)議規(guī)定的可選功能，由FC-2層定義，是FC端口狀態(tài)機(jī)的子狀態(tài)機(jī)。FC端口狀態(tài)機(jī)一共由三個(gè)子狀態(tài)機(jī)組成，分別是速率協(xié)商狀態(tài)機(jī)、發(fā)射器訓(xùn)練狀態(tài)機(jī)和正常運(yùn)行狀態(tài)機(jī)［4］。其中，速率協(xié)商狀態(tài)機(jī)、發(fā)射器訓(xùn)練狀態(tài)機(jī)是可選功能，而正常運(yùn)行狀態(tài)機(jī)是必要功能。本文針對(duì)速率自適應(yīng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。

速率協(xié)商狀態(tài)機(jī)中，F(xiàn)C端口通過循環(huán)切換其支持的速率，直到它確定鏈路支持的最高速率［5］。本文所述“速率自適應(yīng)”功能中的“速率”指的是比特傳輸速率。速率自適應(yīng)功能能夠使鏈路實(shí)現(xiàn)以端口和連接端口的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)共有的最高速率進(jìn)行通信［6］。在速率自適應(yīng)功能中，每個(gè)端口最多可支持4個(gè)不同速率，且每個(gè)端口支持的4個(gè)速率可不相同，但需保證相連的端口至少支持一個(gè)相同的速率，從而使鏈路能夠正常進(jìn)行通信。

2.1 速率自適應(yīng)物理模型

圖1 速率自適應(yīng)鏈路物理架構(gòu)

如圖1所示，速率自適應(yīng)算法只針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的物理連接［7］。雖然速率自適應(yīng)算法能夠同時(shí)被兩個(gè)端口執(zhí)行，但是算法本身針對(duì)的是同一個(gè)物理端口。例如，當(dāng)端口A開始速率自適應(yīng)過程的時(shí)候，算法中所提到的發(fā)送器和接收器都是針對(duì)A端口的發(fā)送器和接收器，跟B端口無關(guān)。

速率自適應(yīng)過程應(yīng)當(dāng)在鏈路物理狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的情況下進(jìn)行，否則，速率自適應(yīng)算法可能不會(huì)將鏈路傳輸速率設(shè)置為兩端口支持的最大公共速率，而是根據(jù)當(dāng)前鏈路連接質(zhì)量將速率設(shè)定在一個(gè)相對(duì)欠優(yōu)的值。一旦鏈路以特定速率建立起連接，速率自適應(yīng)過程將不會(huì)再次啟動(dòng)，除非監(jiān)測(cè)到信號(hào)故障。

2.2 速率自適應(yīng)算法

速率自適應(yīng)算法一共由三個(gè)必要獨(dú)立的子協(xié)商過程構(gòu)成，依次是信號(hào)等待狀態(tài)、主協(xié)商狀態(tài)和從協(xié)商狀態(tài)。以上三個(gè)子協(xié)商狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)于速率自適應(yīng)過程中的一段時(shí)間，在這段時(shí)間中，進(jìn)行速率自適應(yīng)的光纖通道N端口將會(huì)通過一些重復(fù)性的活動(dòng)來確定鏈路連接的狀態(tài)以及對(duì)方相連端口的狀態(tài)，從而調(diào)整改變自己的狀態(tài)，達(dá)到速率自適應(yīng)的目的。在每一個(gè)子協(xié)商狀態(tài)中，F(xiàn)C端口滿足特定條件后就會(huì)進(jìn)入下一子協(xié)商狀態(tài)，最后，從協(xié)商狀態(tài)結(jié)束，標(biāo)志著FC端口成功完成速率協(xié)商，鏈路將以特定的傳輸速率進(jìn)行通信，F(xiàn)C端口退出速率協(xié)商狀態(tài)，進(jìn)入端口狀態(tài)機(jī)進(jìn)行下一步操作［8］。

2.2.1 信號(hào)等待狀態(tài)

在信號(hào)等待狀態(tài)下，Tx端口以一個(gè)較低的速度循環(huán)切換Tx端口所支持的速率，以使對(duì)方的Rx端口能夠進(jìn)行同步。同時(shí)，Rx循環(huán)切換Rx端口所支持的速率，以尋求對(duì)方的Tx端口發(fā)送來的信號(hào)。此狀態(tài)用來在端口連接后啟動(dòng)設(shè)備，使得Tx端口處于所支持的最高速率。

圖2 信號(hào)等待狀態(tài)流程圖

2.2.2 主協(xié)商狀態(tài)

在主協(xié)商狀態(tài)下，Tx端口一開始處于所支持的最高速率，然后向下循環(huán)切換速率。Tx端口每改變一次速率都會(huì)維持在該速率一段時(shí)間，以使得其他設(shè)備能夠與之進(jìn)行通信。如果通過了同步測(cè)試并且Rx端口速率大于等于Tx端口速率，則將結(jié)束主協(xié)商狀態(tài)，進(jìn)入速率自適應(yīng)從協(xié)商狀態(tài)。

圖3 主協(xié)商狀態(tài)流程圖

圖4 看門狗計(jì)時(shí)器流程圖

看門狗程序?qū)嶋H上是一個(gè)計(jì)時(shí)器，用來記錄主協(xié)商過程同步測(cè)試持續(xù)的時(shí)間，當(dāng)tneg大于或等于t_fail的時(shí)候，看門狗程序?qū)⒁龑?dǎo)整個(gè)系統(tǒng)回到信號(hào)等待狀態(tài)。

2.2.3 從協(xié)商狀態(tài)

在從協(xié)商狀態(tài)下，Tx端口速率等于Rx端口速率。從協(xié)商狀態(tài)用來測(cè)試Rx速率的穩(wěn)定性以確認(rèn)速率協(xié)商成功。如果由于不穩(wěn)定或者丟失信號(hào)等發(fā)生了超時(shí)的現(xiàn)象，那么系統(tǒng)將會(huì)返回到等待信號(hào)狀態(tài)。如果信號(hào)穩(wěn)定，那么系統(tǒng)將進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

速率從協(xié)商狀態(tài)使用的看門狗程序與速率主協(xié)商狀態(tài)中使用的看門狗程序是相同的。如果系統(tǒng)沒有通過同步測(cè)試，那么系統(tǒng)將改變Rx端口的速率來尋求同步，同步后，Tx端口的速率值將被設(shè)置為Rx端口的速率值，然后啟動(dòng)對(duì)t_stbl的計(jì)時(shí)器tsync。同步時(shí)間超過t_stbl后，則認(rèn)為系統(tǒng)成功完成速率自適應(yīng)過程，進(jìn)而可以進(jìn)入FC端口狀態(tài)機(jī)進(jìn)行端口狀態(tài)的調(diào)整。

圖5 從協(xié)商狀態(tài)流程圖

3 速率自適應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于速率自適應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)，本文采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，按照FC-FS-4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)章節(jié)的規(guī)定，對(duì)速率自適應(yīng)算法步驟進(jìn)行研究，逐步分解細(xì)化形成有限狀態(tài)機(jī)，配以若干計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)速率自適應(yīng)功能。設(shè)計(jì)出的速率自適應(yīng)控制模塊如圖6所示。速率自適應(yīng)控制模塊由速率自適應(yīng)控制狀態(tài)機(jī)與外部接口組成，通過速率自適應(yīng)控制狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)光纖通道速率自適應(yīng)算法，通過外部接口與端口進(jìn)行通信了解鏈路及端口的運(yùn)行狀態(tài)，并控制鏈路及端口的傳輸速率［9］。

該模塊中，輸入信號(hào)是FC原語序列和原語信號(hào)，用來指示鏈路的速率狀況以及相連端口的狀態(tài)。輸出信號(hào)一部分由速率自適應(yīng)控制模塊輸出的關(guān)于當(dāng)前端口發(fā)送端和接收端的速率信息組成，另一部分與鏈路層配置管理模塊、時(shí)鐘復(fù)位同步模塊和端口狀態(tài)機(jī)模塊相連，從而使速率自適應(yīng)控制模塊具有切換和控制鏈路層速率的功能。同時(shí)，模塊內(nèi)的速率自適應(yīng)控制狀態(tài)機(jī)模塊用于依據(jù)當(dāng)前端口和鏈路連接狀態(tài)，使用速率自適應(yīng)算法，完成算法對(duì)鏈路連接速率的調(diào)整。鏈路層配置管理模塊使用Xilinx FPGA芯片的動(dòng)態(tài)重配置端口（Dynamic Reconfiguration Port，DRP）對(duì)GTH高速收發(fā)器的速率進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變，使得鏈路的物理狀態(tài)與FPGA芯片內(nèi)部信號(hào)一致，正確完成速率的協(xié)商與適配。DRP端口為用戶提供了較為便捷的同步接口和控制信號(hào)，通過配置相應(yīng)的DRP地址對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，可以對(duì)實(shí)現(xiàn)光纖通道鏈路層的管理［10］。

圖6 速率自適應(yīng)控制模塊接口

圖7 速率自適應(yīng)算法狀態(tài)轉(zhuǎn)換

對(duì)于速率自適應(yīng)控制狀態(tài)機(jī)，由前文對(duì)速率自適應(yīng)算法的研究與分析，可以總結(jié)出相應(yīng)的速率自適應(yīng)算法狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖7所示。速率自適應(yīng)過程可分為信號(hào)等待、速率自適應(yīng)主協(xié)商、速率自適應(yīng)從協(xié)商、正常工作4種模式。信號(hào)等待、主協(xié)商和從協(xié)商狀態(tài)參照光纖通道協(xié)議的要求，對(duì)速率自適應(yīng)算法的實(shí)現(xiàn)步驟需要再次進(jìn)行細(xì)分，繼續(xù)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的有限狀態(tài)機(jī)［11］。正常工作模式是速率自適應(yīng)過程完成后進(jìn)入的工作狀態(tài)，用以維持速率自適應(yīng)的結(jié)果，并對(duì)鏈路信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在信號(hào)故障或者鏈路重啟時(shí)再次進(jìn)行速率自適應(yīng)過程。

在信號(hào)等待模式中，初始收發(fā)速率均工作于最大支持速率，并逐級(jí)下調(diào)收發(fā)速率，直至接收同步測(cè)試通過或信號(hào)未丟失才進(jìn)入速率自適應(yīng)主協(xié)商模式；在速率自適應(yīng)主協(xié)商模式中，收發(fā)速率按照以切換接收速率為內(nèi)循環(huán)、切換發(fā)送速率為外循環(huán)的方式進(jìn)行同步測(cè)試，若接收同步測(cè)試通過時(shí)接收速率不小于發(fā)送速率，則進(jìn)入速率自適應(yīng)從協(xié)商模式，否則繼續(xù)在速率自適應(yīng)主協(xié)商模式中循環(huán)測(cè)試；在速率自適應(yīng)從模式中，發(fā)送速率等于接收速率，通過切換收發(fā)速率直至通過同步穩(wěn)定性測(cè)試后進(jìn)入正常工作模式。在正常工作模式中，若遇到信號(hào)丟失或同步丟失超時(shí)或速率自適應(yīng)請(qǐng)求來臨，則重新進(jìn)入等待啟動(dòng)模式。

4 仿真與驗(yàn)證

基于FC-FS-4協(xié)議對(duì)FC端口狀態(tài)機(jī)的規(guī)定，本文針對(duì)Xilinx公司Kintex Ultrascale架構(gòu)的XCKU115芯片，在Vivado集成開發(fā)環(huán)境下，采用Verilog編程語言，實(shí)現(xiàn)FC端口速率自適應(yīng)功能［12］。由于光纖通道協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，支持速率自適應(yīng)功能的光纖通道端口至多可支持四種不同的線速率，因而設(shè)計(jì)的16G模塊向下與8G、4G和2G光纖通道模塊兼容。仿真實(shí)驗(yàn)中，將待測(cè)16G光纖通道N端口與不同速率的其他N端口相連，通過觀察兩個(gè)端口協(xié)商所得鏈路通信速率，進(jìn)行速率自適應(yīng)功能的評(píng)估。

由仿真結(jié)果可看出，當(dāng)speedneg_result_valid_o為1時(shí)，速率協(xié)商過程結(jié)束，此時(shí)，各連接條件下的仿真結(jié)果表明speedneg_transmit_speed_o和speedneg_receive_speed_o均相等，且為兩相連端口支持的最大公共速率，表明端口收發(fā)端速率相同且工作在最優(yōu)速率下，能夠完成速率自適應(yīng)功能?？梢钥吹剑郎y(cè)模塊與16G FC模塊相連時(shí)，兩個(gè)端口從16Gbps開始進(jìn)行速率協(xié)商，由于兩個(gè)端口均支持16G標(biāo)準(zhǔn)，因而速率協(xié)商過程中不需要頻繁切換端口速率，經(jīng)過若干個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換后，較快完成速率協(xié)商。而隨著相連端口之間速率差距的增加，速率自適應(yīng)過程所需時(shí)間也在增加，這是因?yàn)槊看吻袚Q速率，端口都會(huì)保持該速率一段時(shí)間以期鏈路同步，而相連端口速率差距越大，端口需要切換速率的次數(shù)就越多，消耗的時(shí)間也越長(zhǎng)。

5 結(jié)語

本文根據(jù)ANSI制定的FC-FS-4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)速率自適應(yīng)功能的有關(guān)規(guī)定，對(duì)速率自適應(yīng)算法進(jìn)行研究與細(xì)分，設(shè)計(jì)出有限狀態(tài)機(jī)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，并提出了一種基于FPGA的光纖通道速率自適應(yīng)功能的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果表明:使用FPGA實(shí)現(xiàn)的端口速率自適應(yīng)能夠完成協(xié)議中規(guī)定的各項(xiàng)功能，能夠根據(jù)相連端口所支持的傳輸速率以及鏈路連接質(zhì)量，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)本模塊收發(fā)端口的傳輸速率，與鏈路遠(yuǎn)端端口速率匹配，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的向下兼容，有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。該設(shè)計(jì)具有一定的通用性，可推廣到不同應(yīng)用場(chǎng)景下光纖通道設(shè)備的研發(fā)中，降低研發(fā)以及生產(chǎn)成本。