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、FC-AE-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  双余度交换拓扑结构

　　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。

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 ?滋s，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。

　　参考文献

　　[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.