FC网络技术应用解决方案*

黎小玉，王宏涛，李　娟，宗有旺

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安 710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068)

FC网络技术应用解决方案*

黎小玉1，2，王宏涛3，李娟3，宗有旺3

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安 710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068)

FC网络是一种新型的高速通信技术，是新一代综合化航空电子系统通信网络的首选。国内机载FC网络技术应用缺少完整的技术体系，开发一套完整的FC网络技术应用解决方案尤为重要。介绍了一种FC网络技术应用解决方案，详细说明了FC网络系统构建原理及应用设备。网络核心应用设备包含FC交换机、FC节点机和传输介质，网络配套应用设备包含FC网络配置工具及FC协议分析、数据采集、记录、仿真等设备。支撑并推动了重点型号项目的研制，促进了我国新一代机载FC网络技术的发展。

FC网络；高速通信；FC网络构建

0　引言

随着 FC网络[1]的广泛应用，开发一套完整的 FC网络技术应用解决方案尤为重要，同时在实施应用解决方案的过程中需要构建FC网络，选定关键设备并对网络进行功能检测、性能监控，以保证系统稳定、可靠运行[2]。

本文在协议分析、标准研究、需求理解和芯片研制的基础上，突破系列关键技术，详细说明了FC网络系统构建原理及应用设备，提出了一种FC网络技术应用解决方案。

1　FC网络技术

1.1FC网络构建

FC网络通常由核心网络及其辅助设备组成。核心网络包括交换机、节点机和传输链路，配套设备包括FC网络仿真、FC网络分析及FC网络数据记录设备。

在构建FC网络过程中，根据系统应用需求确定核心网络的拓扑结构、网络带宽、交换机数目、节点机类型及数目、辅助设备类型及数目。核心网络可选拓扑结构有点到点、仲裁环和交换式3种，其中交换式是最具优势的拓扑结构，具有通信带宽高、可靠性高、数据传输延迟小和扩展性好等优点[3]。为支撑 FC网络的构建及维护，可通过FC网络配置工具生成配置表并加载到交换机和节点机上，完成网络配置；通过FC网络仿真设备模拟机载环境下网络数据，进行地面环境下仿真实验；通过FC网络分析设备监控网络动态并捕获、分析数据；通过FC网络数据记录设备采集、记录网络数据。

1.2应用设备

图1所示为一个典型的FC网络应用解决方案。其中，方框区域为FC网络核心设备，圆框为FC网络配套设备。

图1　典型的FC网络应用解决方案图

1.2.1网络核心设备

(1)FC节点机作为应用系统接入FC网络的设备，负责消息的发送和接收，完成将应用系统需要传输的数据封装成FC帧发送至FC网络，或将从FC网络接收到的FC帧转换为系统应用所需要的数据。

(2)FC交换机作为信息交换的设备，负责数据交换任务，接收源节点机发来的FC帧，按照配置表转发给一个或多个目的节点，实现各个节点间的互联通信。FC网络传输介质：网络中发送方与接收方之间的物理通路，负责将信号从一方传输到另一方。

1.2.2网络配套设备

(1)FC网络配置：网络配置指对整个FC网络进行统一规划部署，以便完成网络中各节点机之间的高效、高可靠数据通信。

(2)FC网络仿真：作为构建机载网络地面仿真系统必不可少的设备，用于网络仿真、流量测试、时钟同步和网络管理[4]。

(3)FC网络分析：作为 FC网络的测试设备，用于对FC网络进行测评[5]。

(4)FC网络数据记录：作为FC网络数据记录的设备，用于将网络中的数据进行记录，同时将用户关心的数据进行采集。

2　FC应用解决方案的实施

实施FC应用解决方案的基础是核心设备和配套设备的研制，网络核心设备主要采用基于FPGA的方式实现，但其系统功耗大、维护成本高，且不能满足军用尤其是航空电子系统小型化、低功耗、高性能、高可靠、高度综合、复杂恶劣环境等应用要求。网络配套设备主要依赖国外产品，国内目前处于初步研制阶段。

针对某综合处理系统对FC网络的需求提出如图2所示的应用解决方案。该方案由1个交换机和4个节点机组成，4个节点机分别连接在交换机的通信端口，构成交换式网络拓扑结构。其中，网络核心设备FC节点机和交换机采用自研芯片实现；配套应用设备采用基于自研芯片的FC-ASM仿真卡、FC总线分析仪及FC采集记录器，此方案应用于地面仿真监控、协议分析、采集记录，实现了FC设备的自主保障功能。

图2　交换式FC网络

根据应用需求使用FC网络配置工具生成相应的配置表并加载到交换机和节点机上，用于作为网络通信的依据；在系统运行过程中若需要模拟飞行中的数据（如飞行高度、速度、惯导等），则可通过 FC-ASM仿真卡实现；在通信过程中若出现故障，如节点机3不能正常地进行数据通信，则可以将FC总线分析仪串联在出现故障的链路中，对链路中的故障进行分析测试；若需要对整个网络的数据进行采集和记录，则可将FC采集记录器连接到FC交换机的监控端口，用户可根据应用需求，对FC采集记录器进行配置，将用户关心的数据（如飞机飞行高度、速度等信息）通过千兆以太网口实时地传输到遥测设备，供用户分析；若FC网络中数据量较大，用户不能同时对网络上大量的数据进行分析，采集记录器能将网络上的数据进行百分百记录，便于用户事后分析。

2.1网络核心设备

2.1.1FC节点机

FC节点机是网络中的重要部件，作为终端可以通过交换机或者直接和节点机通信。此方案中FC节点机采用自研FC-ASM协议处理芯片实现。该芯片采用SMIC 0.13 μm Logic工艺、CBGA440封装形式、设计规模达到 1730余万门、芯片面积仅 12.3×12.3 mm2。其集成度高、体积小、可靠性高、功耗低，满足了航空电子系统应用要求。FC-ASM芯片主要功能及性能指标如下：

(1)内嵌高性能嵌入式微处理器，运行频率250 MHz、125 MHz可配置；

(2)内嵌专用FC-AE-ASM协议处理引擎，FC接口速率1.062 5 Gb/s、2.125 Gb/s可配置；

(3)对外提供PCIe/RapidIO可配置主机接口，PCIe支持 1x、4x模式，通道速率为 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可选择。

(4)支持双余度 FC接口，通信误码率≤10-12；

(5)支持紧急消息、周期消息、事件消息、数据块消息4种消息类型（紧急消息、周期消息、事件消息简称非数据块消息）；

(6)非数据块消息长度小于等于 2 096 B，数据块消息长度小于等于16 MB；支持 256条非数据块消息、16条数据块消息；

(7)支持时钟同步、网络管理功能。

2.1.2FC交换机

FC交换机是整个网络的核心部件，具有线速交换功能，是连接各个节点机的交通枢纽。此方案中FC交换机采用自研FC-SW芯片实现。该芯片采用65 nm工艺，FC-CBGA625封装形式、设计规模达到3 000余万门，功能管脚约310个。以其高集成度、高可靠性、低功耗完成FC网络高速无阻交换、数据监控、通信配置、时钟同步及网络管理等功能。FC-SW芯片的主要功能、性能指标如下：

(1)支持46路通信端端口；

(2)单端口传输速率2.125/1.062 5 Gb/s；

(3)支持FC-2层帧的交换；

(4)支持单播、多播和广播功能，最多支持 255个多播组；

(5)具备广播和多播端口屏蔽功能；

(6)支持F端口功能；

(7)支持四级 E端口级联，2个交换芯片之间最多可配置6个E端口；

(8)支持可配置的2级或者4级优先级；

(9)支持可选的快速启动能力，快速启动模式下单播和广播功能准备时间小于1 s；

(10)交换机端到端技术延迟小于2 μs；

(11)支持物理端口与逻辑端口的动态映射；提供 F端口工作状态指示；

(12)支持F端口独立上下线使能控制。

2.1.3传输介质

光纤是常用的FC网络传输介质，按照光在光纤中的传输模式分为多模光纤和单模光纤。多模光纤最为常见，但其有效传输范围是 0～500 m；单模光纤直径小，使得光信号不易损耗，所以传输距离较远，但价格昂贵。在此应用解决方案中，依据用户使用环境，短距离传输使用多模光纤，长距离传输使用单模光纤。

2.2网络配套设备

2.2.1FC-ASM仿真卡

此方案中FC网络仿真设备采用基于自研芯片的FC-ASM仿真卡。其与市场上同类型产品相比功耗减小到60%，体积减小到50%，重量减轻到60%，且FC链路速率可配置，使用灵活，显著提高了功能、性能、可靠性。此外提供配套应用软件具有友好的人机交互界面，可直观地给出仿真结果，为网络通信综合提供参考依据[6]。FC-ASM仿真卡的主要功能、性能指标如下：

(1)支持FC-AE-ASM协议；

(2)实现1.062 5 Gb/s或2.125 Gb/s的FC链路；

(3)全双工通信，误码率≤10-12；

(4)支持点到点和交换拓扑结构；

(5)可配置仿真消息参数和信号参数；

(6)可监控发送/接收流量并以曲线形式显示当前发送/接收流量趋势图；

(7)可统计发送/接收消息总数和执行时间等信息；

(8)支持数据回放功能。通过数据回放功能发送接收到的数据，对接收到的数据进行检查；

(9)主机接口：支持PCI/PCIe/CPCI接口。

2.2.2FC总线分析仪

此方案中FC网络分析设备采用自研的FC总线分析仪，该分析仪可同时对6路 1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s FC链路数据进行监控和分析、故障注入、流量测试和压力测试，并提供配套应用软件实时显示FC链路状态和错误统计信息，为FC网络和系统开发及故障诊断提供支撑[7]。FC总线分析仪结构示意图如图3所示。

图3　FC分析仪结构示意图

FC总线分析仪使用时串联在需要测试的链路中，当数据通过FC总线分析仪时，数据采集模块会将链路中的数据复制一份交给数据处理模块，而不影响网络数据的正常通信。数据处理模块接收到数据后将数据及网络状态提交给PC机，PC机通过配套应用软件对网络数据进行解析，并将解析结果实时显示。

2.2.3FC采集记录器

此方案中FC网络数据记录设备采用自研FC采集记录器，该设备用于将网络中的数据进行百分百记录，同时将用户关心的数据进行采集。FC采集记录器可对接收到的FC帧进行完整性检测，并根据事先设定的过滤条件对FC帧进行筛选过滤，符合要求的FC帧被附加上帧到达时刻的时间标记，按照 IRIG106第十章的标准进行数据打包，然后存储在采集记录器的电子盘中，同时在FC帧数据中选择用户关心的参数，通过千兆以太网均衡流量输出，实现实时监控。可通过卸载设备卸载电子盘中的数据，以便用户进行数据分析和处理。FC采集记录器的主要功能和性能指标如下：

(1)符合FC-AE-ASM协议；

(2)具有采集和记录功能；

(3)支持FC帧筛选过滤机制，筛选过滤条件可配置；

(4)提供IRIG-B/IEEE1588时码；

(5)数据存储接口采用 SATA标准总线接口，记录数据格式符合IRIG106-10标准；

(6)提供掉电保护功能，保证当前接收数据能及时完整性的存盘；

(7)具有硬件看门狗、开机整机自动测试、自动故障检测功能；

(8)可将用户关心的参数通过千兆以太网均衡流量输出，进行实时监控；

(9)提供卸载设备，用于卸载电子盘中的数据，以便用户进行数据分析和处理。

FC采集记录器内部原理图如图4所示。其工作流程如下：

图4　FC采集记录器内部原理图

用户根据应用需求，通过专用编程检查装置，将用户配置写入设备中，光纤数据接收模块接收到来自FC光纤通信网络交换机的数据后，将数据复制为两份，一份根据用户配置信息，将用户关心的数据进行挑选传输到主控制器模块，主控制器模块接收到数据后通过千兆网口整形输出到遥测设备；另一份数据传输到数据处理模块，数据处理模块接收到数据后，将数据全部记录到高速固态存储模块中。在设备使用的过程中用户可使用远程控制单元使能或禁止数据的记录。

3　小结

针对不同型号及实验室环境下FC网络研制的技术需求，本文提出了一种FC网络技术应用解决方案，详细说明了FC网络系统构建原理及应用设备。该方案能够满足新一代机载FC网络应用中的分析、采集、记录、仿真等各种需求，应用于协议分析、机载试飞、地面监控、地面仿真、综合测试等领域。

本文所提出的FC网络技术应用解决方案已经成功运用在实际工程中，功能、性能稳定可靠，具有自主知识产权，实现了我国机载FC网络技术的自主保障、自主发展，为产品开发、系统设计和系统综合验证等完整的FC网络总线技术体系和产品体系打下了坚实的基础。

[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]田泽．嵌入式系统开发与应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．

[4]刘军伟，邓发俊，武华．基于 PC机环境下的 FC仿真卡的研究与实现[J].硅谷，2011(9)．

[5]黎小玉，田泽，刘娟，等．FC协议分析仪软件设计与实现[J].计算机技术与发展，2013．

[6]黄浩益.光纤通道技术在航电系统中的应用[J].航空电子技术，2005(3)．

[7]张志翟，正军，李想．航空电子光纤信道协议分析与适配卡设计[J]．测控技术，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

航空科学基金（2015ZC51036）；中国航空工业集团公司创新基金(2010BD63111)

（2016-08-10）

黎小玉（1983-），女，硕士，工程师，主要研究方向：SoC设计、验证及嵌入式系统设计。

王宏涛（1987-），男，大专，助理工程师，主要研究方向：嵌入式系统设计与开发。

李娟（1987-），女，本科，助理工程师，主要研究方向：嵌入式系统设计与开发。

宗有旺（1991-），男，本科，助理工程师，主要研究方向：嵌入式硬件设计。

中文引用格式：黎小玉，王宏涛，李娟，等.FC网络技术应用解决方案[J].电子技术应用，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.