FC总线总结.docx

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1、精品名师归纳总结FC总线技术简介（一）在前面的介绍中,我们介绍了航空航天数据总线技术,并认为FC总线技术由于具备高速率的数据传输特性、 较高牢靠性、 可扩展性强等特点被认为是将来航空总线进展的主要数据总线之一。因此,在接下来的几期文章中,我们将从光纤通道技术、FC-AE系列标准、 FC-AE-1553及 FC标准簇等方面进行具体介绍。在本期中,我们将对光纤通道的相关技术进行介绍,包括分层结构、拓扑结构、端口类型、服务类型及端口单元等方面。1. 光纤通道简介光纤通道航空环境 FC-AE：Fiber Channel Avionics Environment 是光纤通道 Fiber Channel标

2、准开发组织制定的一簇协议族,用于具体定义可用于光纤通道航空电子环境上的包含军事以及商业应用 专用系统。该协议将快速牢靠的通道技术和敏捷的、可扩展的网络技术有机融合在一起。 FC 协议进展至今, 已经能够支持很多上层协议和指令集,例如： MIL-STD-1553B、IP、ATM 等协议以及 HIPPI、IPI、SCSI 等指令集,支持光纤和铜缆等多种物理介质。FC 协议能够很好的实现全双工、半双工和单工的通信模式。光纤通道的基本特点如下：高带宽、多媒介、长距离传输：串行传输速率已由最初的 1Gbps 提高到 4Gbps ,并且正在向更高速率、更大数据吞吐量进展, 适用于不同模块间大规模应用数据

3、（如音频、 视频数据流）交换。以光纤、铜缆或屏蔽双绞线为传输介质,低成本的铜缆传输距离为 25m,多模光纤传输距离为 0.5km,单模光纤传输距离为 10km 。牢靠性与实时性： 多种错误处理策略, 32 位 CRC 校验, 利用优先级不同适应不同报文要求, 并解决媒介拜访掌握时的冲突,传输误码率低于10-12,端到端的传输推迟小于10us,支持非应答方式与传感器数据传输。统一性与可扩展性： 可以便利的增加和削减节点以满意不同应用需求,拓扑结构敏捷, 支持可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结多层次系统互连,利用高层协议映射提高兼容和适应才能。可以把SCS、I 射到光纤通道上,以有效

4、的削减物理器件与附加设备的种类并降低经济成本。 开放式互连,遵循统一的国际标准。IP、ATM 等协议映可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结光纤通道（ FC）是高吞吐量、低延时、包交换及面对连接的网络技术。整个标准系列仍在不断的进展, 其中用于航空领域-航空电子系统环境工程 （ FC-AE）的协议规范已经定制了5 种,分别是：无签名的匿名消息传输（FC-AE-ASM）、 MIL-STD-1553 高层协议（ FC-AE-1553）、虚拟接口（ FC-AE-V）I 、 FC轻量协议（ FC-AE-FCL）P、远程直接储备器拜访协议（FC-AE-RDMA）。2. 光纤通道分层结构光纤通道

5、主要分为5 层（ FC-0到 FC-4）,类似于OSI 的七层模型结构和TCP/IP 的四层模型结构, FC协议具有五层模型结构。FC-0 接口与媒体层,用来定义物理链路及特性。FC-1 传输协议层,定义了编码/ 解码方案、字节同步和有序集。FC-2 链路掌握层,定义了传送成块数据的规章和机制。 FC-3 为通用服务层。 FC-4 协议映射层,定义高层协议映射到低层协议的方法。其协议分层如图1 所示：图 1 光纤通道分层结构图FC-0 层描述物理接口,包括传送介质、发射机和接收机及其接口,FC-0 层规定了各种介质和与之有关的能以各种速率运行的驱动机和接收机。FC-1 层描述了 8B/10B

6、编码,该码型使掌握字节与数据字节分别且可简化比特、字节和字同步。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结FC-2 层是信令协议层,它规定了需要传送成块数据的规章和机制,在协议中,FC-2 层是最复杂的一层,它供应不同类型的服务、分组、排序、检错、传送数据的分段重组。FC-3 层供应了一系列服务,是光纤通道节点的多个N 端口所公用的。FC-4 层供应了光纤通道容量到已存在的更上层协议的映射。3.光纤通道的拓扑结构光纤通道定义了 3 种拓扑结构, 分别是点对点 （ Point-to-Point ）、仲裁环（Arbitrated Loop ）和交换式（ Fabirc）拓扑结构,如图2 所示。

7、图 2 光纤通道拓扑结构示意图点对点连接是3 种结构中最简洁的,如图2（ a）所示,通过光缆直接连接两个设备的端口, 能够供应最大带宽并可实现全双工连接,可用于连接有大量连续数据传输要求的节点。仲裁环可以进行 126 个设备的高速连接, 数据在环路的一个方向上传送,在任一时刻仲裁环只有一对端口进行通信, 环中的设备只有当环处于闲暇状态,才能通过仲裁获得仲裁环的使用权,一个或多个仲裁环路的网状结构可以组成混合结构。仲裁环可以作为机载系统中外部储备设备间的连接或显示阵列间的连接。可以采纳集线器式的环模式提高环连接的牢靠性,假如加入端口旁路功能,就可对故障结点进行旁路,进一步提高整个环的牢靠性。交换

8、式网络在三种拓扑结构中功能最强大、牢靠性最高、性能最好、带宽最大,可以连接多 达 1600 万个设备, 而且在同一时刻答应多个设备进行高速通信,但是价格昂贵些。 在一条连接通道中, 交换机可同时建立共享连接链路和多条直接连接通道,即可以同时进行分组交换和电路交换。 各终端的端口通过点对点的双向连接与交换机端口互连,每个端口都可以最大速度与交换机的端口建立连接。光纤通道可以依据需要配置成以上三种方式的混合网络,从而供应最大限度的敏捷性。4. 光纤通道端口类型在光纤通道协议中, 端口是通信的基本单元。所谓端口是一个节点内部的硬件实体,通过光纤通道链路和相邻的端口进行数据通信。依据端口位置和拓扑结构

9、的不同,光纤通道协议定义了以下类型的端口：N 端口, N 端口是实现整个网络的起点和入口,它是光纤通道协议中最简洁的端口,它的功能正确与否直接打算网络是否正常工作。F 端口,在光纤通道交换机中实现,为N 端口之间供应治理和连接服务,是光纤通道网络中数据的中转者。L 端口,L 端口存在于光纤通道环网中, 环状网络中的节点共享一个公用连接光纤通道环网, 目的是为了降低光纤网络的带宽费用。NL 端口和 FL 端口, FL 端口在交换机上实现,它作为一个特殊的节点加入到光纤环网中,NL 端口位于环结构内,具有N 端口和 L 端口的双重才能。5. 光纤通道服务类型光纤通道定义了 6 类服务, 使用的类别

10、很大程度上依靠所传输的数据类型。服务类别之间的主要区分是使用不同的流掌握类型。假如两个N-Port之间进行通信或者一个N-Port 要注册到交换式网络, 就至少需要 1 类公共服务支持, 由于序列和交换需要使用1 类服务, 且在交换式网络注册和N-Port注册的过程中信息进行了交换。第 1 类服务： 专用连接。 第 1 类服务建立的专用连接要由交换机维护和保证,交换机将会依据源 N 端口的发送次序将帧发送给目的N 端口。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结第 2 类服务：复用连接。第2 类服务是无连接的服务,收到数据帧后需要发送链路掌握帧进行确认。 在一个给定的序列内部, 发射器会

11、以连续的次序发送第2 类数据帧, 但是交换机可能不能保证按序传送。第 3 类服务：数据报。第3 类服务是无连接的服务,只支持无确认的传送,在接收到合法的数据帧后不发送任何链路掌握帧进行确认。在一个给定的序列内部, 发射器会以连续的次序发送第3 类数据帧。但是,交换机可能不能保证按次序传送。第 4 类服务： 部分带宽。 利用交换机治理部分带宽安排协议,第 4 类服务使用建立在交换机内部和两个正在通信的N 端口之间的虚电路来彼此发送帧。在一个给定的序列内部,发射器会以连续的次序发送第4 类数据帧, 交换机会以和源N 端口发送次序相同的次序发送帧到目的N 端口。第 5 类服务： 5 类服务用于同步、

12、即时服务。但到目前为止仍没有被完整的定义,有可能会被废弃。第 6 类服务：多点传送连接。第6 类服务答应一个N 端口和多个N 端口建立同时的专用连接。一旦专用连接建立, 它们就要由交换机维护和保证。第 6 类的数据流只能由源N 端口到目的 N 端口。全部的目的 N 端口会发送适当的链路回应帧给一个多点传送服务器,多点传送服务器会收集这些链路回应帧并返回一个单独的链路回应帧给源N 端口。6. 光纤通道数据单元光纤通道帧和信令协议定义了3 种协议数据单元：帧（Frame）、序列（ Sequence）和交换（Exchange）,它们之间的层次关系如下列图。图 3 光纤通道帧与信令协议之间的层次关系图

13、帧都遵循通用的帧格式,其帧格式如下列图。图 4 帧格式示意图每个帧包括开头分隔符, 大小为 24 个字节的固定帧头, 多种可操作服务头, 从 0 到 2112 个字节的长度敏捷的有效载荷,一个帧标准循环冗余码校验和一个终止分隔符。序列是从一个 N 端口向另一个N 端口单向传送的一个或多个相关的帧,序列是单向传送的。交换由一个或多个非并发的序列组成,既可以是单向的也可以双向的。7. 总结本期针对航空航天数据总线将来进展的需求,对光纤系通道技术进行了具体介绍。接下来,在下一期的 “FC总线技术简介（二）”中,我们将对FC-AE 系列标准进行梳理介绍,并对FC-AE-ASM、 FC-AE-RDMA、

14、FC-AE-VI及 FC-AE-1553技术进行具体介绍及分析。在上一期中我们明白到光纤通道（FC）是高吞吐量、低延时、低误码率的网络技术。整个标 准系列仍在不断的进展,其中用于航空领域-航空电子系统环境工程（FC-AE）的协议规范已经定制了 5 种,分别是： MIL-STD-1553 高层协议（ FC-AE-1553）、无签名的匿名消息传输（FC-AE-ASM）、FC 轻量协议（ FC-AE-FCL）P、远程直接储备器拜访协议（FC-AE-RDMA）及虚拟接口（ FC-AE-V）I 。因此,本期我们将对FC-AE的系列标准进行介绍。1.简介FC-AE 标准是 Fiber Channel-Av

15、ionics Environment的简称,即光纤通道在航空电子领域可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的应用,它是由美国国家信息委员会（ANSI）组织制订的一组草案。FC-AE定义的是一组协议集,这些协议主要用于航空电子的掌握工作、命令指示、信号处理、外表检测、仿真验证和视频信号或者传感器数据的安排。FC-AE 标准所涉及的应用协议都有着很多相同的特点, 如它们都具有实时性、高牢靠性、可确定性带宽和可确定性推迟。FC-AE 规范中定义的在航电系统中采纳光纤通道的环路拓扑与交换网络来连接设备的挑选,已经得到了广泛的应用。具体的 FC-AE规范如下。FC-AE-1553： FC-AE

16、-1553 协议是 MIL-STD-1553B 协议在带宽,的址空间和数据传输量上的扩展,其目的是更好的支持航电系统中各元素之间的通信。FC-AE-1553 的主要特性在于它的命令 / 响应式,消息的ACK 挑选, RDMA 传输,文件传输,以及兼容MIL-STD-1553B终端的才能。FC-AE-ASM：ASM 是 Anonymous Subscriber Messaging的缩写,即匿名订制信息传输协议。该协议用于支持航空电子应用的处理器、传感器和显示器之间确定、安全、低推迟的通信。FC-AE-FCL：P FCLP 是 Fiber Channel Lightweight Protocol的

17、缩写, 即轻量协议传输。 FCLP协议是以 FCP 协议为基础的,由INCITS 制定的 SCSI-FCP协议进行具体规范。 FCP 协议工作于 FC-4 层以下的各层协议中,主要是对高层协议SCSI 的映射机制。而SCSI 协议是在I/O 设备（特殊是储备设备）通信领域所广泛使用的通信协议。FC-AE-RDMA：RDMA 是 Remote Direct Memory Access的缩写,即远程直接储备器拜访传输。该协议底层服务部分遵循于FCP 协议,其主要特点在于答应信息发起者对远程目标储备器进行低推迟的数据读写操作。FC-AE-V：IVI 是 VirtualInterface的缩写,即基于

18、光纤通道的航空电子环境中的虚拟接口。该协议遵循FC-VI 协议和 FC-FS协议。 FC-VI 是在光纤通道上实现VI 架构,它答应数据在光纤通道节点的内存的址之间快速转移。FC-FS就是光纤通道信号与信令协议,用于定 义 FC-1 和 FC-2 层的内容。FC-AE 协议集的每一部分都支持一个或多个高层协议和拓扑结构,能共同使用并实现实时间纤通道网络的特点,具备了支持不同航空电子系统需求的网络才能。因此,FC-AE 协议集将凭借其杰出的性能为新一代高性能航空电子系统做出庞大的奉献。2.FC-AE-1553FC-AE-1553 是 Fiber Channel-Avionics Environm

19、ent-UpperLayer Protocol MIL-STD-1553BNotice 2的简称,是在光纤通道的FC-4 层实现对传统 MIL-STD-1553B Notice 2总线协议的映射,以实现在实时的航空应用中,以命令/ 响应的模式进行具有确定性的通信。由于FC-AE-1553采纳了光纤通道技术,所以FC-AE-1553 的性能较之 MIL-STD-1553B 总线有了很大的扩展,远远超过传统MIL-STD-1553B 总线的功能。这些扩展功能包括足够多的终端数（支持 224 个）、消息长度 （ 232 个 32 位字）和子的址个数（232 个）。一个典型的 FC-AE-1553 网

20、络组成为：网络掌握器（NC）、网络终端（ NT）、光纤通道网可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结络自身、 FC-AE-1553 总线桥、 MIL-STD-1553B 总线。 FC-AE-1553 总线与 MIL-STD-1553B 总线有着诸多的相同点和不同点。掌握器方面,MIL-STD-1553B 总线内只有一个BC,而在FC-AE-1553 网络中可能有一个或多个激活的NC。 NC 主要的作用在于支配FC-AE-1553 的数据传输。终端方面,MIL-STD-1553B 总线的RT 始终是被动的,而FC-AE-1553 网络中的一些节点可以通过动态网络掌握功能同时作为NC 和

21、NT 来工作。传输格式方面,与传统的 MIL-STD-1553B 总线类似, FC-AE-1553 总线也有十种传输方式。但在NT-to-NT 和NT-to-NTs 的交换上, FC-AE-1553 总线有了 NC 是否监控的选项。FC-AE-1553 网络可以对现有的MIL-STD-1553 网络设计、软件和硬件进行平滑升级。FC-AE-1553 网络既具有MIL-STD-1553B 网络的基本特性, 又具有光纤通道的良好网络性能, 是对 MIL-STD-1553B 很好的传承。3. FC-AE-ASMFC-AE-ASM Fiber Channel Avionics Environment

22、Anonymous Subscriber Message ：光纤通道-航空电子环境 -匿名用户消息 协议作为上层协议遵循支持航空电子系统中确定、安全、 低负载以及低开销的通信要求,可轻易映射到其它的物理层上进行传输,并将标记FC-AE-ASM 协议的头部字段独立并恰当放到光纤通道各类数据域上。FC-AE-ASM 中的每一条消息都源于一个单一序列的单向交换。接收方期望消息是依据预 先确定的速率到达, 而不需要知道消息的物理源头在哪里。从多消息源发出的一个单一消息 应是一个单一的帧序列,多帧消息需只来源于单一源头,多帧序列应当基于消息ID 和相对偏移而被重新组合,全部帧的ASM 帧头在重组发生前被

23、去掉。依据 FC-AE-ASM协议的特点以及帧的基本工作方式,通过发送消息端口的ID 号以及应用类型完成对FC-AE-ASM帧的消息 ID 的定义以及区分, 并在 FC-2层完成对消息帧的分段以及重组。FC-AE-ASM协议只支持第三类服务,该类服务供应N 端口之间没有确认的无连接服务。该类帧的传送与路由和其次类服务一样,即每个帧通过交换结构独立路由,所以一个N 端口可以发送连续的帧到不同的目的端口,也可以从不同的端口接收连续的帧。在这种情形下, 消息 ID 的设计变的尤为重要。考虑这种情形,在系统设计时,每个网络节点都应当有自己的 ID 号,用于唯独标识该节点, 并且该节点作为网络节点的的址

24、将用于定义FC 网络数据帧头中的消息源和消息目的域。依据协议要求, 该号码由 3 个字节组成, 其中高位字节为域标识,次高为字节为区标识,最终一个字节为节点编号。同时需要留意的是N 端口传送 FC-AE-ASM帧之间没有确认,所以除通过帧中已定义的偏移量进行差错检测外,在某些情形下须用ULPupper level protocol 完成差错检测与复原。协议规定, 在交换式网络中, 每条 FC-AE-ASM数据都是节点主动发出的,没有触发数据, 接收节点只要接收数据即可,无须知道数据的发送节点的址,接收节点将依据数据的标识符来 确定是否是自己需要的数据和该条数据的含义。FC-AE-ASM协议底层

25、遵循FC-FS和 FC-AL-2标准,具有消息传输安全性高、延时低等特点,适应于航空电子中处理器与传感器、测试设备和显示器间通信的应用模式。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4. FC-AE-FCLPFCLP 是 Fiber Channel LightweightProtocol 的缩写,即轻量协议。FC-AE-FCLP是 FC-AE提出的 5 种高层协议之一 , 该协议用于航空电子系统各部分之间的通信服务。FC-AE-FCLP该协议是在 FCP, FC-FS和 FC-AL-2标准基础上 , 依靠上述协议标准支持的各种服务定义的。针对航空电子环境中高牢靠性、高传输效率的要求, 将

26、 FCP的 SCSI命令简化 , 增加通道建立、关闭等命令类型 , 去除余外命令 , 简化协议接口而形成的, 以此供应低推迟、低开销的航空电子系统各部分间的通信服务。FCLP协议作为 FCP 基础上的高速轻载通信协议,属于端到端协议。该协议通信系统为用户供应了简洁的应用程序接口来实现数据的高速传输。FCLP 协议通信主要使用三个FCP I/O 命令,分别是FCP读命令、 FCP写命令和 FCP掌握命令。因此 FCLP协议答应一个物理连接建立多个通道。在建立好的通道上,通信两端可以相互发送数据。FCLP协议通信原型系统从功能上进行划分4 大功能治理模块,分别是设备治理功能模块、任务治理功能模块、

27、通信连接治理功能模块和错误处理功能模块。在 FCP协议中,支持光纤通道处理并完成SCSI initiator 功能和 SCSI target功能的 N 端口或者 NL 端口被统一称之为FCP端口。此时间纤通道协议的FC-2层被用来看作支持信息组和 几种服务类型的底层高性能传输服务机制,位于FC-4 层次的 FCP协议映射层使用底层光纤通道供应的服务来执行具体操作步骤,从而实现FC-4 层所要求的各项功能。具体来说FCLP 协议层依据已定义好的协议规章,实现FCP 网络通信功能并构造典型的端到端网络通信模式,从而为上层应用供应应用接口。5. FC-AE-RDMAFC-AE-RDMA：RDMA 是

28、 Remote Direct Memory Access的缩写,即远程直接数据储备。该协议底层服务部分遵循于FCP 协议,其主要特点在于答应信息发起者对远程目标储备器进行低推迟的数据读写操作。RDMA 通过网络把数据直接从一端的运算机储备空间传入另一端的运算机的储备区, 这种快速的数据转移,不需要经过处理器耗时的传输和纷杂的复制操作。 这种技术排除了大量冗余的数据复制操作,削减了数据跨层转移的时延,使系统能够腾出总线空间和CPU 周期用于改进应用系统性能,节约了大量的内存带宽, 提高了CPU 的利用率,显著降低了时延。FC-AE-RDMA 的关键性质是其答应一个发起端Initiator 以 P

29、2Ppeer-to-peer （类似于SCSI-3 的处理器设备类型）模式从一个远程目标的内存中读数据或向其写数据。全部FC-AE-RDMA 设备能够既作为发起端操作,也能作为目标端工作。FC-AE-RDMA 的工作原理为两个设备节点分为客户端和服务器端,中间链路由光纤链路连接,两个节点主要完成数据迁移任务,即一个节点可以直接将数据从内存中通过网络传送 到另一个节点的内存中,而不对操作系统造成任何影响。从节点的内部组成来说,由于FC-AE-RDMA 节点是利用 FCP 协议进行传输,所以节点应具有FCP协议处理功能,并且从RDMA 技术角度动身,数据的移动过程中应排除冗余数据复制操作,减轻CP

30、U 负担,使系可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结统能够充分利用总线带宽和CPU 周期等系统资源来改善应用系统性能,削减对带宽和处理器开销的需要,降低时延。节点间的数据迁移主要是FC-AE-RDMA 的读或写,依据协议标准,在节点间进行FC-AE-RDMA的读写动作前, 系统间应完成节点的发觉和注册,登录过程。所以在上层应用中, 我们应当实现系统注册登录掌握,应用能够利用底层供应的接口进行数据的读写操作。FC-AE-RDMA 作为 FC-AE 的子协议, 定义了 FC-AE 对 RDMA 的上层协议映射, 作为基于 FC 技术的一种轻量级协议,其目的就是答应利用FCP 协议,通过建

31、立映射而使用熟识的 RDMA 概念,能够在航空系统的节点所供应的服务中支持低推迟,低通信消耗,适合于航空电子系统中紧急和关键数据的传输。6. FC-AE-VIFC-AE-VI 是 Virtual Interface的缩写,即基于光纤通道的航空电子环境中的虚拟接口。 该协议遵循 FC-VI 协议和 FC-FS 协议。 FC-VI 是在光纤通道上实现VI 架构,它答应数据在光纤通道节点的内存的址之间快速转移。FC-FS 就是光纤通道信号与信令协议,用于定义FC-1 和 FC-2 层的内容。FC-AE-VI的拓扑结构与 FC-VI的拓扑结构一样,即采纳仲裁环和交换式结构,并支持点对点和双冗余的连接模

32、式。 FC-VI 的设计初衷是为了达到集群运算机之间通信等待削减和高带宽的成效。VI 供应面对连接的网络协议,与传统网络协议如TCP、UDP 不同,在 VI 中,掌握数据与消息数据时分开传输的。因此,在FC-VI中,也借鉴了 VI 的通信机制,实现VI 消息和 VI 连接在 FC-PH上的映射。由于 FC-VI使用了特殊的通信协议,在数据的传输速度上远远高于一般的交换设备,大大削减了 CPU资源的占用。 FC-VI对高速低推迟的网络数据进行优化,可有效的排除系统中节点之间通信的瓶颈。7. 总结本期对 FC-AE系列标准进行了简洁介绍分析,通过对FC-AE系列标准进行对比,我们认为 FC-AE-1553总线由于其高实时、高带宽、高牢靠、低损耗、与MIL-STD-1553 兼容等优势是满意将来航空航天进展需求的数据总线之一。关于FC-AE-1553 总线的具体内容,我们将在下一期的 “FC总线技术简介（三） ”中进行具体介绍。【下载本文档,可以自由复制内容或自由编辑修改内容,更多出色文章, 期望你的好评和关注, 我将一如既往为您服务】可编辑资料 - - - 欢迎下载