0 引言

　　隨著計算機技術,、通信技術和網(wǎng)絡構(gòu)建技術的發(fā)展,航空電子系統(tǒng)進一步向統(tǒng)一化,、靈活化和便于融合的方向發(fā)展，對總線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸要求也越來越高,。光纖通道(Fiber Channel,，簡稱FC)具有高帶寬、低延遲,、長距離傳輸,、拓撲靈活、支持多種上層協(xié)議等優(yōu)點[1],，是一個為適應高性能數(shù)據(jù)傳輸要求而設計的通信協(xié)議,。

　　當前光纖通道在商業(yè)領域中已被廣泛采用,，并且能夠提供航空電子系統(tǒng)下新一代的統(tǒng)一航電網(wǎng)絡構(gòu)建支持。美國國家標準委員會還專門成立了研究光纖通道用于航空電子系統(tǒng)的分委員會（ANSI FC-AE）,，該分委員會與波音公司,、洛克西德馬丁公司等合作制定了一組專門用于航空電子系統(tǒng)的FC協(xié)議子集，即光纖通道航空電子環(huán)境（FC-AE）,，其中FC高層協(xié)議采用的就是FC-AE下的匿名簽署消息傳輸協(xié)議（FC-AE-ASM）,。光纖通道替代當前的航空電子主網(wǎng)絡MIL-STD-1553，已成為航空電子系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢,，光纖通道也將成為構(gòu)建新一代的統(tǒng)一航空電子網(wǎng)絡的首選,。

　　光纖通道將通道傳輸?shù)母咚傩院途W(wǎng)絡傳輸?shù)撵`活性結(jié)合在一起，采用層次化的結(jié)構(gòu),，共分為5層：FC-0、FC-1,、FC-2,、FC-3和FC-4；定義了3種拓撲結(jié)構(gòu)：點對點,、交換式,、仲裁環(huán)網(wǎng)絡，既能方便地實現(xiàn)高速高效的傳輸,，同時也提供了極大的靈活性,，特別是交換式網(wǎng)絡的拓撲，為復雜設備的互連提供了一種很好的解決方案,。

1 光纖通道關鍵技術

　　光纖通道以COTS為基礎,，它綜合了計算機通道和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的概念，提出了一個不同于傳統(tǒng)的通道和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的互連方案,，是一種具有高實時性,、高可靠性、高帶寬,、高性價比的開放式網(wǎng)絡技術[2],。采用通道技術控制信號傳輸，使用仲裁或交換方式處理共享沖突,，并采用了基于信用的流量控制策略,。

　　1.1 FC協(xié)議分層模型

　　與通用的OSI7層網(wǎng)絡模型類似，F(xiàn)C協(xié)議也采用分層協(xié)議模型,，分別為FC-0,、FC-1、FC-2,、FC-3和FC-4層,，如圖1所示。其中FC-0層定義了接口和介質(zhì)的物理特性；FC-1定義了編解碼和傳輸協(xié)議,；FC-2層規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則,；FC-3層為一些高級特性提供了所需要的通用服務；FC-4層規(guī)定了上層協(xié)議到FC協(xié)議的映射,。

　　T11小組制定了系列標準約束了各層協(xié)議的具體功能如下：

　　FC-PH(Fibre Channel Physical and Signaling Interface)：約束了FC-0,、FC-1、FC-2層應遵循的規(guī)定,，定義了和計算機直連時的機械,、光學、信號協(xié)議的詳細規(guī)范,。

　　FC-FS(Fibre Channel Framing and Singnaling)：約束了FC-1,、FC-2、FC-3層應遵循的規(guī)定,，定義了FC傳輸?shù)幕究刂铺匦院凸卜铡?/p>

　　在FC-4層制定了與通道相關的IPI,、SCSI、HIPPI和SBCCS等標準,，與網(wǎng)絡相關的FC-AE,、FC-AV、FC-SW等標準,。

　　FC-AE主要涉及的應用領域在航空電子指揮,、控制、監(jiān)測,、仿真,、信號處理和傳感器/視頻數(shù)據(jù)分發(fā)方面。FC-AE主要包括5個部分：無簽名的匿名消息傳輸FC-AE-ASM(Anonymous Subscriber Messaging),、MIL-STD-1553高層協(xié)議FC-AE-1553,、虛擬接口FC-AE-VI(Virtual Interface)、FC輕量協(xié)議FC-AE-LP(Lightweight Protocol),、遠程直接存儲器訪問協(xié)議FC-AE-RDMA（Remote Direct Memory Access）[3,，4]。每一部分都支持一個或多個高層協(xié)議和拓撲結(jié)構(gòu),，實現(xiàn)實時光纖通道網(wǎng)絡特征,，具備了支持不同航空電子系統(tǒng)需求的網(wǎng)絡能力。

　　FC-AV定義了利用光纖通道交換,、序列,、幀的組織形式，傳送音頻,、視頻,、輔助數(shù)據(jù)和控制流的標準方法,，為視頻設備之間互連提供一種接口標準。FC-AV通信接口實現(xiàn)FC-AV中簡單控制協(xié)議FHCP,，提供視頻源到顯示設備之間的高速通信接口及對各種拓撲結(jié)構(gòu)的支持,。

　　1.2 FC網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

　　FC拓撲結(jié)構(gòu)與FC節(jié)點類型密切相關，即不同的節(jié)點類型所應用的網(wǎng)絡拓撲不同,。在介紹FC拓撲結(jié)構(gòu)之前先對相關概念給出如下說明：

　　(1)N_Port：Node Port節(jié)點端口,，光纖通道通信的終端，可以擔當應答或發(fā)送方的硬件實體,，包含了一個鏈路控制設備（LCF）,，但是不能用于仲裁環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)中。

　　(2)L_Port：光纖通道通信的終端,，可以擔當應答或發(fā)送方的硬件實體,，包含了一個鏈路控制設備（LCF），而且支持仲裁環(huán)拓撲結(jié)構(gòu),。

　　(3)NL_Port：Node Loop Port節(jié)點環(huán)路端口,，同時具備N端口和L端口功能的FC端口設備。

　　(4)F_Port：Fabric Port光纖端口,，一種交換連接端口，交換結(jié)構(gòu)中位于交換機內(nèi)部用于和N端口相連的FC鏈路控制設備,。

　　(5)FL_Port：Fabric Loop Port光纖環(huán)路端口,，交換結(jié)構(gòu)中位于交換機內(nèi)部用于和N端口相連的FC鏈路控制設備，同時可以作為仲裁環(huán)上的一個節(jié)點使用,。

　　FC標準定義了3種基本的拓撲結(jié)構(gòu)：點到點,、仲裁環(huán)和交換結(jié)構(gòu)。

　　(1)點對點網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),。點對點網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)在2個直接相連的N-Port中進行通信,，不需要交換網(wǎng)，其網(wǎng)絡拓撲如圖2所示,。該網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)在應用中具有帶寬高,、數(shù)據(jù)順序傳輸及低延時等優(yōu)點，但該網(wǎng)絡拓撲可擴展性和靈活性較差,。

　　(2)仲栽環(huán)網(wǎng)絡拓樸結(jié)構(gòu),。仲栽環(huán)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)允許2個或更多L-Port相互通信而不使用交換網(wǎng)，仲栽環(huán)路在同一時刻最多支持一個點對點回路,。當2個L-Port互相通信時,，仲栽環(huán)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)支持同時發(fā)生的、對稱的雙向流動,。其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示,。該網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)成本低,，但容錯性差、帶寬較低,。

　　(3)交換式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),。交換式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)是使用交換機將需要通信的N_Port連接起來構(gòu)成的通信網(wǎng)絡。理論上,，結(jié)構(gòu)中連接的設備數(shù)最多可達1 500萬個以上,，而且允許多個設備在同一時刻進行高速通信。其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示,。該網(wǎng)絡拓撲擴展性較好,、帶寬高、隔離性強,，但網(wǎng)絡搭建成本高,、設計難度大。

　　(4)融合式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),。在實際應用中,，單一的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)并不能滿足不同的應用需求，需要將以上基本的網(wǎng)絡拓撲結(jié)合使用,，構(gòu)建更適合應用環(huán)境的融合式網(wǎng)絡,。該網(wǎng)絡結(jié)合了以上網(wǎng)絡的優(yōu)點，為復雜應用環(huán)境的FC網(wǎng)絡構(gòu)建提供了解決方案,。

　　1.3 FC技術特點

　　1.3.1 FC幀格式

　　FC網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇荈C幀,，在FC-2中對幀的格式給出了統(tǒng)一的規(guī)定:一個FC幀是由SOF、幀內(nèi)容以及EOF 3部分組成,，而幀內(nèi)容又可以分為幀頭,、數(shù)據(jù)字段及CRC 3個部分。FC幀格式如圖5所示,。

　　幀中的各個部分解釋如下：

　　(1)SOF和EOF：這2個有序集用于標識幀的開始和結(jié)束,，且SOF和EOF在不同的幀、不同的使用環(huán)境中的具體數(shù)值是不一樣的,。

　　(2)幀頭：在幀格式中,，幀頭是一個24 B的字段，按照字邊界進行傳輸,。用于控制鏈路操作,、設備協(xié)議的傳輸以及幀丟失或亂序檢測。在FC中對幀頭給出了統(tǒng)一的格式定義,，參見圖6,。

　　(3)CRC字段：該字段包含4 B的CRC校驗碼，用于驗證FC幀中的幀頭和數(shù)據(jù)字段的完整性,，但是SOF和EOF沒有包含在CRC校驗中,。

　　1.3.2 FC錯誤處理方式

　　在數(shù)據(jù)通信領域,，由于外界干擾、時鐘漂移,、環(huán)境應力等因素的作用,，在通信過程中可能會出現(xiàn)各種各樣的錯誤。在FC協(xié)議標準中將這些錯誤分為幀錯誤和鏈路錯誤2種：幀錯誤是指由于幀的丟失或損壞引起的錯誤,，該錯誤可能進一步導致序列出現(xiàn)完整性錯誤,；鏈路錯誤則是指檢測到比幀錯誤更低級別的基本特征信號出現(xiàn)錯誤，包括丟失信號錯誤,，丟失同步錯誤和其他鏈路超時錯誤,。

　　針對不同的錯誤類型，F(xiàn)C-2中給出了相應的錯誤檢測與恢復方法,，以保證鏈路和數(shù)據(jù)通信的可靠性,。

　　鏈路錯誤處理包括鏈路故障檢測、代碼損壞檢測和原語序列協(xié)議錯誤檢測,，同時鏈路錯誤恢復使用原語序列協(xié)議來完成,，包括3種原語序列協(xié)議：鏈路故障協(xié)議、鏈路初始化協(xié)議和鏈路復位協(xié)議,。

　　幀錯誤可以分為序列錯誤和交換錯誤,，交換錯誤處理策略包括丟棄多個序列、丟棄單個序列,、丟棄多個序列并重傳丟棄序列和無限緩沖處理方式,。

　　1.3.3 余度接口

　　在航空電子系統(tǒng)中為了增強傳輸網(wǎng)絡可靠性，通過FC MAC層雙通道控制實現(xiàn)了雙余度接口,，支持雙通道容錯通信，對于航空電子系統(tǒng)中所包含的消息類型及應用環(huán)境的不同,，可以通過通道選擇和收發(fā)控制達到余度容錯功能,。

2 FC網(wǎng)絡特點及發(fā)展趨勢

　　2.1 FC網(wǎng)絡特點

　　(1)高帶寬、多媒介,、長距離傳輸,。串行傳輸速率1.062 Gb/s～32 Gb/s，數(shù)據(jù)吞吐量大,，適用于不同模塊間大規(guī)模應用數(shù)據(jù)(如音頻,、視頻數(shù)據(jù)流)交換；以光纖,、銅纜或屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì),，低成本的銅線支持1 Gb/s的傳輸速率和25 m以上的距離傳輸，多模光纖傳輸距離為0.5 km,，單模光纖傳輸距離為10 km,。

　　(2)高可靠性與強實時性,。多種錯誤處理策略，32 bit CRC,；利用優(yōu)先級占先適應不同報文要求與解決媒體訪問控制時的沖突,，傳輸位差錯率低于10～12 ；端到端傳輸延遲量級小于10 ?滋s,，支持非應答方式與傳感器數(shù)據(jù)傳輸,，滿足快速交付的性能等級要求。

　　(3)統(tǒng)一性與可擴展性,?？煞奖愕卦黾雍蜏p少節(jié)點以滿足不同應用的需求，拓撲結(jié)構(gòu)靈活,，支持多層次系統(tǒng)互連,；利用高層協(xié)議映射提供強大的兼容和適應能力，可有效地減少物理器件與附加設備的種類,，并降低經(jīng)濟成本,。

　　(4)開放式互連。遵循統(tǒng)一的國際標準,，可確保不同生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品能夠互相協(xié)作使用,。

　　2.2 FC網(wǎng)絡發(fā)展趨勢

　　(1)隨著航空技術的不斷發(fā)展，航空電子系統(tǒng)的系統(tǒng)組成方式在不斷變化[5],。航空電子系統(tǒng)從各子系統(tǒng)相互獨立的“分離式”到“聯(lián)合式”,，再到正在使用的第三代“綜合式”和第四代“先進綜合式”，其體系結(jié)構(gòu)明顯呈現(xiàn)出融合的趨勢,。新一代統(tǒng)一的光纖網(wǎng)絡航空電子系統(tǒng)將實現(xiàn)面向功能分區(qū)的信息通信的通用化,，提高系統(tǒng)傳輸帶寬，統(tǒng)一系統(tǒng)信息的通信格式和標準,。

　　(2)統(tǒng)一的光纖機載網(wǎng)絡可以根據(jù)任務的變化快速改變功能,，具有良好的可擴展性，能夠完成比較復雜的任務,。同時,，機載系統(tǒng)部件的數(shù)據(jù)處理能力和機載系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的能力也在不斷增強。數(shù)據(jù)的采集,、處理和顯示需通過高速機載數(shù)據(jù)總線進行連接[6],。

　　(3)統(tǒng)一的光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)不僅具有實時性和可維護性，還具有較強的容錯能力和苛刻環(huán)境的適應力,；占用更少的空間和系統(tǒng)資源,；增強航空電子的整體系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)應用軟件設計的靈活性,。

　　(4)統(tǒng)一的光纖網(wǎng)絡在小型化,、低功耗,、高安全性、高度綜合,、復雜惡劣環(huán)境等應用需求下,，提供了較小的解決方案，同時隨著FC協(xié)議自身的不斷發(fā)展,，也將同時提高FC網(wǎng)絡的傳輸速率和安全性,。所以基于FC的網(wǎng)絡系統(tǒng)必將越來越廣泛地應用到航空電子系統(tǒng)中，成為航空網(wǎng)絡的首選方案,。

3 小結(jié)

　　FC網(wǎng)絡是目前最具應用前景的航空電子網(wǎng)絡技術,，不僅可以滿足航空對高傳輸速率、高安全性和高兼容性的要求,，而且還可以滿足新一代航電系統(tǒng)小型化和低功耗的標準,。本文介紹了FC協(xié)議的起源與發(fā)展、FC協(xié)議分層模型,、FC傳輸幀格式,，以及FC網(wǎng)絡傳輸支持的錯誤處理方式和余度管理等，深入分析了基于FC協(xié)議構(gòu)建的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)及其特點,，指導后續(xù)設計開發(fā)工作,，為FC技術深入推廣到航空、航天和船舶領域奠定了基礎,。

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