光纤通道仲裁环实时性能分析

王 珂，蒋华勤，王丽霞，远 方

（1.郑州供电公司，河南 郑州 450000；2.黄河科技学院，河南 郑州 450000）

0 引言

光纤通道是美国国家标准委员会（ANSI）的X3T11小组制定的一套关于计算机之间以及计算机与I/O设备之间的一种开放式高速串行协议。它既具有通道的特点，又有网络的特性，逐步成为计算机外设总线，以及当今分布式、多协议高速局域网络的最佳选择之一。光纤通道仲裁环（Fibre Channel Arbitrated Loop，FC-AL）是光纤通道拓扑中一种重要的网络结构，它提供了在共享式光纤网络环境中把多个节点连在一起的方法。

光纤通道具有高宽带、低延迟、高可靠等一系列优点，因而被认为是取代MIL-STD-1553成为下一代军用数据总线的首选方案。由于军用数据总线应用环境的特殊性，某些信息的丢失或者没能按时传递到位，可能导致不可估量的后果，因此对总线的实时性能要求更高。能否确保消息的实时传输是衡量分布式实时应用的重要指标，仲裁环协议不仅能提供较高的网络带宽，而且有优良的延时特性以确保消息的实时传输要求，因此在实时联网环境中得到了广泛的应用。

目前在对数据总线技术实时性能的研究中，为了实现网络的实时传输特性，主要方法就是对网络带宽进行合理的分配。带宽分配方法的选择直接影响到网络的实时性能。本文就仲裁环协议的数据传输过程进行了简要分析，阐明了带宽分配的必要性，并就目前存在的一些带宽分配方法进行了分析和比较，最后验证了选择合适的带宽分配方法对提高网络的实时性能有着关键的作用。

1 FC-AL网络模型[1-2]

光纤通道仲裁环协议和令牌环协议一样，都属于公共信道多址接入协议，专门规定仲裁环的连接方式，通过一个环路将各个节点串接起来，各个节点之间通过竞争来访问环网，当某节点检测到环路处于空闲状态时，可以通过赢得仲裁来获得网络的访问权。一旦节点赢得仲裁后，就可以在目标和源节点之间建立一条点到点的链路，在完全保证连接带宽的情况下可以进行点到点的通信，直到节点释放环路使用权为止。

当系统上电后或者有新的节点加入环路时，光纤通道仲裁环体系都需要重新初始化程序对环路进行初始化，以确定环路中各个端口个数和状态。环路初始化主要依靠环端口状态机（LPSM）来完成，同时给各个节点分配仲裁环物理地址（AL_PA）以及建立地址的对应关系，初始化后各个节点就处于激活状态。其中所分配的仲裁环物理地址的范围为1～127，地址越低，优先权越高。初始化结束后，如果节点有数据需要发送，则向环路发送带自己物理地址的仲裁申请原语信号ARB_x（x=AL_PA），同时，该节点还会不断监视网络中的其他ARB原语信号，如果网络中其他节点也有数据要发送，则收到其他节点的ARB原语后，将其所带的AL-PA值和自己的AL-PA相比较，如果大于自己的物理地址，则表明优先级比自己低，将收到的ARB_x原语丢弃，发送带自己AL_PA值的ARB_y。否则继续转发收到的ARB原语。如果节点收到带有自己AL-PA的ARB信号，则表明节点赢得仲裁，获得环路的访问权。此时该节点发送一个OPN_yx（y=目标节点AL-PA值，x=本节点AL-PA值）信号用来开放目标节点之间的通信。当目标节点接收到OPN信号后，则将自身的状态转化为OPEN，和源节点建立起一个相当于点到点的链接，直到接收节点或是发送节点收到CLS原语信号，放弃链接。由于仲裁环也是一种带优先级的多址接入协议，因此也可能存在像其他带优先级协议一样的问题，就是优先级低的节点可能无法获得环路的访问权。为了解决这一问题，FC-AL协议制定了访问公平机制，即在某段时间区间内，所有申请仲裁的节点组成一个“访问窗”。访问窗内任何赢得仲裁的节点在发送完一个数据包后，即使还有数据需要发送，也必须等待窗口内其他节点都发送过一次数据包之后才能重新申请下次环路的仲裁。例如，某节点赢得仲裁后，向目标节点发送了一个数据包，同时也发出一个ARB（F0）原语信号，这里的F0具有最低的优先级，如果窗内还有其他节点没有发送过数据，则将ARB_x信号代替ARB（F0），这些节点重新比较优先级的高低，依次发送数据，当处于赢得仲裁的节点收到了ARB（F0）后，则认为目前这个访问窗内所有的节点均发送过数据，开始传送空闲信号Idle，此时还有数据需要发送的节点可以重新申请仲裁，新的访问窗口就可以建立，并且窗口大小将随着正在仲裁的节点数目的变化而变化。

在“公平算法”中，各个节点访问环路的机会基本上是平等的，这种方法比较适合于网络上的负载平均分布在各个节点上，并且在各个节点对消息时延差别不是很大的场合，但在实时性要求比较严格的领域，比如军事领域，这种方法还存在着一定的缺陷。有些节点的实时性要求比较高，有些相对而言又比较低，如果还是按照公平算法，一个节点获得仲裁后发送一个数据包，然后等待访问窗内的其他节点均发送一次数据包后再重新申请仲裁。FC协议定义的帧结构中，由于其数据域比较大（2 kbyte），在强实时性应用环境下，如果其他节点均以最大的数据包发送，那么对实时性要求比较高的节点需要等待的时间就很长，从而可能导致其错失消息发送的时限，消息不能实时传输。

2 任务模型

周期性任务模型是实时通信中经常采用的一种工作模型，是一种确定性的工作负荷模型。通过它的各种扩展，此模型精确地表示了许多传统强实时应用的特征，比如数字控制、实时监视、常比特率音频/视频传输。基于此模型的许多带宽分配算法具有很好的性能和容易理解的行为。在目前存在的一些带宽分配方法中，大多都采用了这种任务模型。

假设网络中有n个节点，每个节点i都有一个实时消息流Si需要在网络中传输，每个消息流Si可以表征为Si=(Ci,Pi,Di)，因此网络上共有n个消息流S1,S2,…,Sn，组成一个消息集合M，即

消息流的特征表示为：

1）消息流Si的长度Ci表示传输这个消息所需的最大时间，包括网络协议规定的信息域和其他控制信息。

2）消息流产生周期Pi表示消息流Si的消息产生周期。

3）Di表示消息的最大允许延迟时间，即消息流Si的第j个消息达到时间为ti,j，则必须在ti,j+Di时刻以前被传输完。

3 带宽分配方法及性能分析

目前在数据总线技术中应用比较多的带宽分配方法主要有[3-6]：

1）耗尽型。节点每次获得网络访问权发送队列里的全部消息，即

4）归一化比例型。节点按归一化消息流负载率分配网络带宽

6）负载匹配型。在本地型带宽分配算法的基础上，利用基于负载匹配的思想得出的一种带宽分配算法，即

7）基于优化算法的带宽分配方法。根据公平访问机制，得出了消息在最坏的情况下要实现实时传输所需满足的条件为

将每个fi看成一个“粒子”，然后通过设立目标函数和约束条件，可将FC-AL网络带宽分配问题转换成如下函数的优化问题

4 性能分析

从消息产生到信息被接受之间的全部通信延迟称作端到端延迟（ETE_delay），是构成仲裁环节点间信息交互的一个重要部分。如果端到端的延迟要求不能满足，则无法保证消息的实时性。本文对以上提及的部分方法进行简单比较，分析对网络的实时性能产生的影响。消息流特征如表1所示。

表1 消息流特征

以上文提到的耗尽型、比例型、负载匹配型和基于优化算法的带宽分配方法为例，得出各种方法的ETE_de⁃lay情况如图1～图4所示。

本次实验在各节点消息流要求的最大延迟时间中，最小的是0.12 ms，最大的是0.3 ms，可以看出在耗尽型下，大部分消息都不能得以实时传输，实时性能最差；比例型是基于各节点的负载率进行带宽分配的，有利于重负荷节点的传输，在本例中对提高消息的实时性起到了一定的作用；负载匹配型在网络负载率小于50%时能满足同优先级消息实时性要求，在本例中效果不是十分明显；基于优化算法的带宽分配方法对满足消息的实时性上效果最好，所有消息均能在其传输时限之前得以发送。

5 小结

本文分析了光纤通道仲裁环的数据的传输过程，指出了其在实时环境中应用的不足，并针对目前存在的一些带宽分配方法进行了分析比较，验证了选择合适的带宽分配对仲裁环的实时性有着重要的影响。

[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.

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[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.

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