FC网络仿真验证系统构建及关键技术*

刘　娟，王宏涛，李　娟，田文娟

(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网络仿真验证系统构建及关键技术*

刘娟1，2，王宏涛3，李娟3，田文娟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网络仿真验证系统为高效、快速构建FC网络提供了有效途径。基于对FC协议及应用需求的解读和分析，详细阐述了FC仿真验证系统的构建过程及相关网络数据收发、交换、监控、分析、采集和记录等关键技术的解决途径,为FC网络技术的应用提供了基础理论体系、系统解决方案及测试验证平台。

仿真验证；数据监控、分析、测试；数据采集和记录

0　引言

FC（Fibre Channel，光纤通道）以其 Gbit传输速率、抗干扰能力强、重量轻、适合高速远距离传输等固有技术优势[1]，成为新一代航空电子系统的主干网络。FC网络仿真验证系统是基于FC网络应用需求搭建的与真实系统等价的原型验证平台，主要实现FC网络数据的仿真、测试、监控、分析以及记录等功能，为高效、快速地构建 FC网络提供分析、设计、评价、决策、测试等手段。

目前，国外很多公司和研究机构现在已开发出光纤通道网络适配卡、储存设备、路由器以及相关的测试设备。国内在FC网络技术领域尚处于初步研究阶段，急需开展FC网络仿真验证系统的研究，为FC网络技术的应用推广提供基础理论支持、系统解决方案及测试验证平台。

本文基于对FC网络协议及普遍应用中对协议分析、数据传输、采集、记录、仿真等需求的研究，阐述了FC网络仿真验证系统的构建过程，突破了FC网络数据收发、交换、监控、分析、记录等关键技术，为FC网络技术的应用奠定了基础。

1　FC协议解读和分析

正确解读与分析FC协议是构建FC网络仿真验证系统的基础。通过对 FC网络协议(FC-PI、FC-FS、FCAE-ASM、FC-AV、FC-SW等)的全面解读与分析，结合新一代飞机对机载网络的需求，参考国外F-35、AWACS、B-1B、F/A-18、V-22等先进战机应用，从数据流量、可靠性、实时性、确定性以及安全性等多个方面对FC网络进行论证，构建FC网络技术指标、系列产品及网络评测体系，探索有效实现FC网络仿真验证系统的方法。

2　FC网络仿真验证系统构建

FC网络仿真验证系统由FC核心网络及其配套支撑环境两部分组成，典型的FC核心网络包括交换机、节点机和传输链路。FC节点机负责消息的发送和接收；FC交换机作为信息交换的设备，负责数据交换任务。配套支撑环境包括FC网络配置工具、FC仿真卡、FC分析仪及FC记录仪。FC网络配置工具用于生成配置表并加载到交换机和节点机上，完成网络配置；FC仿真卡用于模拟真实的FC网络数据；FC分析仪用于监控网络动态并捕获分析数据；FC记录仪用于采集、保存网络中数据。

FC仿真验证系统构建过程中首先需确定FC核心网络，然后再选择配套的支撑环境。构建FC核心网络过程中，需要根据系统应用需求确定FC核心网络的拓扑结构、网络带宽、交换机和节点机类型及数目。FC网络可采用点到点、仲裁环和交换结构3种拓扑结构。其中交换结构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。FC核心网络结构确定后，再根据网络的测试目的选择合适的测试设备连接在网络中。

图1所示为一个典型的基于交换架构的FC仿真验证系统，在构建该系统过程中，首先采用交换式拓扑结构，使用两台交换机、4个FC节点机和若干根光纤搭建出双余度FC核心交换网络，在网络运行过程中发送节点机将数据封装为符合FC协议的网络数据帧，通过光纤发送到FC交换机，交换机收到FC帧后，按照配置好的数据传输路径将其转发到目的端口节点机，目的端口节点机收到FC数据帧后，对FC数据帧进行解析处理；然后选用 FC仿真卡、FC分析仪及 FC采集记录器作为测试设备，在网络测试过程中，FC仿真卡替代节点机，模拟飞行数据；FC分析仪串联在需要监测的FC网络链路中，将链路中数据复制一份用于分析，同时不影响链路的正常通信；FC采集记录器连接到FC交换机监控端口，对用户关心的数据进行实时转发，并将FC网络中的数据保存在SATA盘中。该仿真验证系统所需设备清单及设备功能如表1所示。

图1　双余度交换拓扑结构

表1FC仿真验证所需设备清单

3　网络仿真系统构建关键技术

3.1核心网络关键技术

FC仿真测试验证系统构建过程中需要突破的关键技术包括FC网络数据收发、数据交换、网络分析及测试、网络数据采集和记录。

在构建交换式FC网络过程中，解决网络数据收发和数据交换是其核心关键，本节详细介绍了FC网络数据收发和数据交换解决方案。

3.1.1数据收发

FC网络数据收发由FC节点机负责完成。根据收发数据的类型，设计支持FC-AE-ASM协议的FC节点机仿真卡完成通信数据的传输，设计支持FC-AV协议的FC节点机仿真卡完成视频数据的传输；根据网络负载量，确定传输速率和节点数目；根据网络业务类型，设计具有友好人机交互界面的网络仿真配置软件，以支持多种网络配置方案，提供高效的仿真数据编辑、批量生成接口。FC节点机仿真卡功能框图如图2所示，用户可通过FC-AE-ASM协议处理用户模块完成FC网络数据收发。

图2　FC仿真卡功能框图

中航工业计算所针对FC网络数据收发研制出FIC节点机和 FAV节点机。其中，FIC节点机用于收发符合FC-AE-ASM协议通信数据，提供双余度1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s速率可配置串行 FC链路，支持 256条短消息和16条长消息的处理和调度，支持双余度FC链路和网络管理功能[2]；FAV节点机用于收发符合FC-AV协议视频数据，提供双余度2.125 Gb/s速率FC链路，支持多种分辨率视频图像双向传输，支持两组数字RGB接口用于视频接收和发送。

3.1.2数据交换

FC网络数据交换由FC交换机负责完成。FC交换机支持FC-SW协议，具备一个或多个交换端口，实现多帧交换或电路交换，能够按照配置文件要求，以预定的机制和传输速率（1 Gb/s以上）将数据发送到目的地址（路由功能），能够挑选出源节点到目的节点的最佳传输路径，能够使每个交换单元在网络中具备唯一的端口标识（地址管理），此外，交换机还可以接收指令并产生响应，从而实现了对交换网络内部的各个单元的控制。交换机的内部通信流程如图3所示。

图3　交换机通信原理图

通过对国外高速交换芯片、国内外商用FC交换机设计方案的深入分析及研究，为实现高效的FC网络数据交换，FC交换机实现时可采用如下方案：

(1)主体架构：一片或多片专用交换芯片（或逻辑电路）+控制器（片外或片内处理器），完成交换及网络控制。

(2)交换算法：基于VOQ队列+Crossbar结构，采用包交换方式实现高速交换。

中航工业计算所及翔腾公司已研制出8端口、16端口、32端口、46端口的FC交换机及核心芯片，完成了FC网络高速无阻交换、数据监控、通信配置及网络管理功能，支持最多46路通信端口和4路监控端口的无阻交换，端对端延迟小于 2 μs，可交换支持 FC-AE-ASM/FC-AV协议的数据，支持两级级联以及支持单播、组播和广播。

3.2配套支持环境关键技术

配套支持环境作为构建交换式FC网络的重要部分，其主要包括数据监控、分析及测试，以及数据采集和记录两个关键技术。

3.2.1数据监控、分析及测试

FC网络数据监控、分析及测试主要由FC分析仪完成。FC分析仪在链路数据监控方面，需实时监控串联到FC分析仪设备上的FC链路中的通信数据，实时显示FC链路的网络状态和错误统计；在数据分析方面，需保存FC链路上数据并进行分析，可获取FC网络的通道速率、链路速率、链路状态，能同时统计保存数据中错误类型和错误数量；在网络测试方面，需向FC网络进行错误数据注入和正确数据注入，进行错误注入测试、流量测试和压力测试[3]。

针对分析仪使用方式以及对端口数目的实际需求，可设计出手持便携式分析仪或机架式分析仪，当监控端口数量较少时，手持分析仪使用灵活、便于携带，但当监控的端口数量较多时，货架式分析仪可同时监控多路端口。在监控链路数据过程中，需要设置条件来触发开始捕获或停止捕获，可选方案有时间触发和模板触发两种触发方式。开始捕获后，可选择将链路中数据暂时保存在DDR中，等捕获完成后发送到PC进行分析，也可以在捕获过程中直接将数据及网络状态发送到PC，达到实时分析的目的，使用千兆以太网或PCIe等接口发送数据。在PC接收到链路数据后，使用文件流或fopen的方式载入数据，之后选择将数据完全显示或挑选部分关键参数进行显示，如：数据类型、时标、错误类型等，显示数据方式提供多种方案，如：直方图、表格、仪表盘等。分析仪的网络测试功能主要由正确数据注入和错误数据注入实现，注入数据的方式有两种，一种是全字段输入，发送到链路中的数据每个字节均需用户键入，操作灵活，但对不了解FC协议的人，使用较为困难；第二种是使用预设模板的方式完成数据输入，所有数据中相同或类似的字段(如SOF、EOF、CRC等)在模板中设置完毕，用户只需要输入消息负载就可以完成数据输入，在该方式下还能根据不同的错误类型，选择不同的错误数据模板，直接完成链路的错误数据注入功能。

目前，国外分析仪代表产品有 JDSU公司的 Finasar，该分析仪支持多种协议，但功能冗余，操作复杂，价格昂贵，技术服务少。西安翔腾微电子科技有限公司根据网络应用需求，结合国外通用FC分析仪的基础功能，开发出6端口、通信速率为 1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s、使用以太网传送数据和通信指令、实时显示网络状态也可将数据保存以供事后分析、具备完全自主产权的FC分析仪。

3.2.2数据采集和记录

FC网络数据采集和记录主要由FC记录仪完成。在数据采集方面，可以挑选关键参数进行实时监控[4]；在数据记录方面，可完成在复杂环境下数据的快速记录，同时保证数据完整性，并将记录到数据保存到固态盘以供分析使用。

根据物理结构，将记录仪分为主控模块、FC模块、DPM模块和电源模块，在这种设计方案下，任何模块损坏可直接替换。其中，主控模块向FC模块发送采集记录条件，控制FC模块开始/停止接收数据，同时主控模块控制DPM模块使能记录和停止记录；FC模块用于接收链路数据，对接收到的数据按照采集记录条件挑选后，将数据传输给主控模块用于采集或传输给DPM模块用于记录；DPM模块以适当的标准（NTFS、IRIG）将接收到数据通过SATA接口保存到固态盘，同时保证数据的完整性；电源模块向整个设备提供稳定的电流输出，并提供掉电保护。此外，将数据保存到固态盘后，通过专用软件将数据卸载到PC，当固态盘中部分数据损坏时，软件可以将未损坏的数据恢复，数据卸载完成后，可以对固态盘进行格式化后以重复使用。

目前，国外尚无类似产品可采集和记录符合FC-AE协议的数据。西安翔腾微电子科技有限公司基于自研FC-IP、FC-AE-ASM协议处理关键电路，采用FPGA方案，研制出符合机载采集和记录要求的FC记录仪。该记录仪可采集和记录链路速率为 1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s的、符合FC-AE协议的FC数据。在数据采集方面，记录仪使用千兆以太网完成数据的采集以及监控参数的传递；在数据记录方面，记录仪使用SATA3接口传输数据，基于IRIG标准制定数据存储格式，挑选磁盘容量为512 GB的固态盘完成数据存储。同时，记录仪的配套卸载软件，可通过 SATA接口，以最低 200 MB/s的速率将固态盘中数据卸载到PC上，并使用可靠、高效的算法恢复异常固态盘中未损坏数据。

4　总结

目前，国外很多公司和研究机构已开发出光纤通道网络适配卡、储存设备、路由器以及相关的测试设备。国内在FC网络技术领域尚处于初步研究阶段，尚无FC仿真验证系统构建方案。该仿真验证系统是根据应用需求建立的FC网络系统模型，模拟真实的FC网络环境，并借助配套设备进行网络数据分析和网络性能评估，从而优化网络架构，实现高效、快速的网络系统的构建。本文基于对FC协议及应用需求的解读和分析，介绍了FC仿真验证系统的构建及FC仿真验证系统设计关键技术，为新一代综合化航空电子系统FC通信网络应用提供了有力支撑。

[1]NCITS/Project 1331-D，fibre channel framing and signaling[S]. 2002.

[2]霍卫涛，田泽，李攀，等.基于 FPGA的光纤通道网络监控卡设计与实现[J].计算机技术与发展，2014(5)：199-203.

[3]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（8）：31-34.

[4]邓轲，田泽，郭亮，等.机载光纤通道采集记录仪的设计及实现[J].计算机技术与发展，2015（4）：162-165.

The construction and key technologies of FC network simulation and verification system

Liu Juan1，2，Wang Hongtao3，Li Juan3，Tian Wenjuan3
(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)

The FC simulation and verification system provides an effective way for construction of FC network.This paper introduces the process of the construction of the FC simulation system and the solutions of the key technologies such as the related data transceiver,exchange,monitoring,analysis,collection and record of the key technologies in details.FC simulation and verification system provides the basis system of theory,solutions of system and test verification platform for application of FC network technology.

simulation and verification；monitoring，analysis and testing of data；collection and record of data

TN91

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.043

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

（2016-06-12）

刘娟（1984-），女，硕士，工程师，主要研究方向：嵌入式系统设计与开发。

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

田文娟（1989-），女，本科，主要研究方向：嵌入式系统设计与开发。

中文引用格式：刘娟，王宏涛，李娟，等.FC网络仿真验证系统构建及关键技术[J].电子技术应用，2016，42(8)：172-174，182.

英文引用格式：Liu Juan，Wang Hongtao，Li Juan，et al.The construction and key technologies of FC network simulation and verification system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：172-174，182.