張慶松

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十二研究所， 上海 201800)

航空電子系統(tǒng)光纖通道性能研究

張慶松

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十二研究所， 上海 201800)

對(duì)光纖通道(fiber channel,FC)用于航空電子系統(tǒng)互連時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了研究，介紹了FC的特性、分層結(jié)構(gòu)、幀格式等，通過(guò)對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)的誤碼率、容錯(cuò)性、吞吐量及延遲等性能測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：FC在大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)具有低誤碼率、強(qiáng)容錯(cuò)性、高吞吐量、低延遲、強(qiáng)實(shí)時(shí)性等特性，適合在航空電子互連系統(tǒng)中使用。

航空電子；網(wǎng)絡(luò)；光纖通道；性能測(cè)試

大數(shù)據(jù)時(shí)代的當(dāng)下，信息數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，從而對(duì)外部存儲(chǔ)設(shè)備的傳輸速率要求也越來(lái)越高，為了能更高速地存取大數(shù)據(jù)，一種高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)孕育而生，即存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)。針對(duì)SAN網(wǎng)絡(luò)提出了一種核心網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)——光纖通道(fibre channel，以下簡(jiǎn)稱(chēng)FC)。

FC網(wǎng)絡(luò)的低誤碼率、強(qiáng)容錯(cuò)性、高吞吐量、低延遲等特性及其開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)已得到業(yè)屆大多數(shù)商家的認(rèn)同和支持，其出色的性能使其逐漸成為未來(lái)航空電子系統(tǒng)互聯(lián)的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而機(jī)載、艦載等軍工領(lǐng)域設(shè)備的工作環(huán)境較為惡劣，對(duì)容錯(cuò)性和可靠性要求較高，F(xiàn)C作為未來(lái)航空電子系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)完美地承載了這些商業(yè)需求，其在安全性、容錯(cuò)能力、可靠性及其他性能方面的優(yōu)勢(shì)使其實(shí)至名歸，成為航空電子系統(tǒng)領(lǐng)域的不二選擇。本文正是對(duì)其進(jìn)行性能和可靠性等方面的測(cè)試與分析，得出以上結(jié)論[1-6]。

網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試是指通過(guò)一些標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)分析儀或自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)對(duì)待測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)的壓力和性能進(jìn)行測(cè)試，并利用一些科學(xué)的測(cè)試方法和測(cè)試手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，得出最終的測(cè)試結(jié)果。從航空電子互連系統(tǒng)的使用環(huán)境和實(shí)際需求出發(fā)，F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試中主要的技術(shù)指標(biāo)有誤碼率、容錯(cuò)性、吞吐量和傳輸延遲等，因此本文著重從這幾個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試和分析研究。

1 光纖通道協(xié)議介紹與分析

1.1 光纖通道特性

高帶寬：串行傳輸速率由最初的1 Gbit/s發(fā)展到4 Gbit/s、8 Gbit/s、16 Gbit/s、32 Gbit/s甚至更高。多媒介：以光纖、銅纜或屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì)。長(zhǎng)距離：低成本的銅纜有效傳輸距離約為幾十米，而光纖有效傳輸距離為0.5～10 km。

高可靠性：32位CRC校驗(yàn)，8B/10B編解碼，以及不同的報(bào)文采用不同的優(yōu)先級(jí)策略提高了數(shù)據(jù)的完整性和高可靠性，傳輸誤碼率低于10-12。強(qiáng)實(shí)時(shí)性：端到端的傳輸延遲低于10 μs。

可擴(kuò)展性：能將高層的SCSI、IP和ATM等協(xié)議映射到光線通道上，其物理通道上可供多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用，同時(shí)減少了物理器件與附加設(shè)備，降低了經(jīng)濟(jì)成本。

1.2 光纖通道分層結(jié)構(gòu)

光纖通道FC協(xié)議是一個(gè)5層協(xié)議從FC0～FC4，類(lèi)似于OSI的七層模型結(jié)構(gòu)和TCP/IP的4層模型結(jié)構(gòu)，各層完成的主要功能如下：

FC0層：接口與媒介層，定義了數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)的物理特性；

FC1層：傳輸協(xié)議層，8B/10B編解碼及差錯(cuò)控制；

FC2層：鏈路控制層，幀結(jié)構(gòu)定義、服務(wù)類(lèi)型定義、及流量控制說(shuō)明等

FC3層：通用服務(wù)層，提供一系列服務(wù)，但較少用到；

FC4層：協(xié)議映射層，提供了上層協(xié)議到光纖通道的映射。

1.3 光纖通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)：兩個(gè)設(shè)備間進(jìn)行直連通信；

仲裁環(huán)：任何時(shí)刻只有一對(duì)端口在進(jìn)行通訊，且是在獲得仲裁允許的情況下；

交換式：同一時(shí)刻允許多個(gè)設(shè)備進(jìn)行高速通信。

1.4 光纖通道端口類(lèi)型

N端口：存在于光纖通道HBA端點(diǎn)中，是整個(gè)FC網(wǎng)絡(luò)的起點(diǎn)和入口；

F端口：存在于光纖通道交換機(jī)中，是FC網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)者；

L端口：存在于光纖通道環(huán)網(wǎng)中；

FL端口：存在于交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)交換網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)。

1.5 光纖通道數(shù)據(jù)單元

FC協(xié)議定義了3種協(xié)議數(shù)據(jù)單元：幀(Frame)、序列(Sequence)和交換(Exchange)；它們之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 FC數(shù)據(jù)單元關(guān)系

序列是單向傳送的，是由一個(gè)N端口向另一個(gè)N端口單向傳送的一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的幀構(gòu)成；交換則由一個(gè)或多個(gè)非并發(fā)的序列組成，既可以是單向的也可以是雙向的；也就是說(shuō)，單向的單幀或多幀組成一個(gè)序列，單向或雙向的序列組成一次交換。

1.6 FC幀格式

每個(gè)數(shù)據(jù)幀包括幀開(kāi)始分隔符(4字節(jié))、幀頭(固定24字節(jié))、可選幀頭(可操作服務(wù)頭)、有效載荷(0～2 112字節(jié)，可變)、CRC校驗(yàn)(4字節(jié))以及幀結(jié)束分隔符(4字節(jié))。

FC幀格式如圖2所示。

圖2 FC幀格式

幀起始定界符標(biāo)識(shí)幀的起始位，SOF幀代表服務(wù)類(lèi)型，長(zhǎng)度為4字節(jié)；幀頭中包括路由控制、幀類(lèi)別控制、幀控制、序列管理等字段，長(zhǎng)度為24字節(jié)；數(shù)據(jù)區(qū)間由可選幀頭和有效載荷組成，長(zhǎng)度為0～2 112字節(jié)。CRC檢驗(yàn)又稱(chēng)循環(huán)冗余校驗(yàn)，驗(yàn)證FC幀的數(shù)據(jù)完整性，長(zhǎng)度為4字節(jié)；幀終止定界符標(biāo)識(shí)幀結(jié)束，長(zhǎng)度為4字節(jié)。

2 性能測(cè)試介紹與分析

使用JDSU公司(原Finisa公司)提供的XGIG光纖通道協(xié)議分析儀和Maestro測(cè)試軟件進(jìn)行BERT、Jammer、Load Testing等性能測(cè)試。

JDSU XGIG 10G網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種多功能、具有最新技術(shù)水平解決方案的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試分析設(shè)備，用于監(jiān)控和分析各種存儲(chǔ)協(xié)議的實(shí)時(shí)流量。XGIG結(jié)合了一套綜合性分析軟件，是一種獨(dú)特的平臺(tái)，具有高級(jí)的多協(xié)議、多應(yīng)用和多通道測(cè)試功能，可供用戶(hù)對(duì)高速存儲(chǔ)和組網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行故障排除。

XGIG能對(duì)網(wǎng)絡(luò)損傷進(jìn)行快速解析，而且具有多種功能，可以在性能損害導(dǎo)致關(guān)鍵應(yīng)用和數(shù)據(jù)訪問(wèn)損失前主動(dòng)進(jìn)行防御。XGIG能以最大線路速率捕獲100%的流量，在所有協(xié)議層和分層幀內(nèi)的任何地方通過(guò)觸動(dòng)啟動(dòng)，而且具有廣泛的捕獲后自動(dòng)專(zhuān)業(yè)分析功能。因此，XGIG能讓用戶(hù)獲得所需的深度可視性，從而對(duì)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行監(jiān)控并保證系統(tǒng)可靠性。

XGIG光纖通道分析儀能夠針對(duì)光纖信道提供快速、精確的全方位測(cè)試分析方案，可精確地測(cè)試誤碼率，確保光纖通道中的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性及網(wǎng)絡(luò)整體性能。

2.1 BERT測(cè)試

BERT (bit error rate testing)誤碼率測(cè)試指單位時(shí)間內(nèi)所傳數(shù)據(jù)中出現(xiàn)誤碼情況的概率，它是衡量數(shù)據(jù)傳輸精度的一個(gè)重要指標(biāo)。在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，可接受的誤碼率數(shù)量級(jí)在10-10，而在光線通道網(wǎng)絡(luò)中，要求更高一些，一般可接受的誤碼率在10-12以上。

下面對(duì)FC交換機(jī)(待測(cè)設(shè)備)進(jìn)行誤碼率測(cè)試，BERT配置界面及測(cè)試結(jié)果查詢(xún)?nèi)鐖D3所示。

圖3 BERT配置界面及測(cè)試結(jié)果查詢(xún)

測(cè)試方法：通過(guò)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)幀，并同步插入idle幀，驗(yàn)證待測(cè)設(shè)備對(duì)隨機(jī)變化的幀的誤碼率，DUT的測(cè)試端口需要設(shè)置成還回模式(loopback)。

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)：FC網(wǎng)絡(luò)的誤碼率小于10-12，遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)交換中的誤碼率，可見(jiàn)其對(duì)外界干擾和信號(hào)畸變的抗干擾能力較強(qiáng)，如噪聲、交流電和閃電造成的脈沖干擾，其數(shù)據(jù)傳輸精確性很高。FC網(wǎng)絡(luò)具有可靠的數(shù)據(jù)傳輸特性很好地滿(mǎn)足了未來(lái)航空電子系統(tǒng)互連的要求。

2.2 Jammer測(cè)試(誤碼注入測(cè)試)

端點(diǎn)卡(HBA)持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)流，F(xiàn)C分析儀通過(guò)誤碼注入工具對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行幀修改，再通過(guò)分析儀抓包分析，檢查數(shù)據(jù)流在傳輸過(guò)程中是被正常轉(zhuǎn)發(fā)或被修改后再轉(zhuǎn)發(fā)，最后確認(rèn)待測(cè)設(shè)備對(duì)修改后的錯(cuò)報(bào)是否能正確處理。為便于調(diào)試和定位問(wèn)題，通常需要待測(cè)設(shè)備提供一些Debug命令來(lái)幫助查看數(shù)據(jù)流是否有中斷、重傳等情況。在此測(cè)試過(guò)程中，F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)分析儀不產(chǎn)生任何報(bào)文，只負(fù)責(zé)修改報(bào)文，Jammer測(cè)試一般用于容錯(cuò)性和健壯性測(cè)試。Jammer測(cè)試拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 Jammer測(cè)試拓?fù)?/p>

分析儀配置如圖5所示。

圖5 Jammer測(cè)試配置

配置Jammer及SOF、CRC、EOF Error，采用故障注入的方式模擬了數(shù)據(jù)幀中SOF、Header、Payload、CRC、EOF等字段的各種錯(cuò)誤，仿真了FC-AE總線通信過(guò)程中的瞬時(shí)故障、間隙故障和永久性故障，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖通道協(xié)議一致性測(cè)試。

TraceControl提供了綜合流量庫(kù)，它具有預(yù)定義和自定義幀、有序集合及錯(cuò)誤的模板，可以確定追蹤捕獲發(fā)生的特定條件和序列，TraceControl具有一套獨(dú)特而強(qiáng)大的調(diào)試和分析功能，包括對(duì)事件進(jìn)行分類(lèi)，以確定性能、上層協(xié)議以及邏輯層和物理層的問(wèn)題。

通過(guò)抓包分析可以看到：所有數(shù)據(jù)幀都按照要求進(jìn)行了修改，“錯(cuò)誤”的報(bào)文一并被發(fā)送到待測(cè)設(shè)備上。通過(guò)測(cè)試結(jié)果分析可得：待測(cè)設(shè)備是否能對(duì)所有錯(cuò)包進(jìn)行相應(yīng)規(guī)則的處理，從而分析得出待測(cè)設(shè)備的容錯(cuò)性和健壯性是否符合客戶(hù)需求，有助于開(kāi)發(fā)人員更快、更高效地對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

2.3 Load Testing性能測(cè)試

Load Testing是測(cè)試待測(cè)設(shè)備在不丟包的前提下，在單位時(shí)間內(nèi)所能轉(zhuǎn)發(fā)的最大數(shù)據(jù)量，通過(guò)二分查找算法找到一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)包的數(shù)量極限，即在不丟包前提下的最大速率，從而測(cè)出不同幀長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的吞吐量。

延遲測(cè)試是在發(fā)送報(bào)文字段上打上一個(gè)時(shí)間戳，在接受報(bào)文時(shí)解開(kāi)時(shí)間戳并計(jì)算時(shí)延，同時(shí)需要把這條帶時(shí)間戳的流與其他數(shù)據(jù)流區(qū)別開(kāi)來(lái)，防止統(tǒng)計(jì)出錯(cuò)。

測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 Load Testing性能測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)試結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)：4G bps速率下的FC網(wǎng)絡(luò)，最大吞吐量為394.115 MB/s，平均延遲為1 μs，遠(yuǎn)小于其他總線方式的延遲,比如以太網(wǎng)交換的幾微秒到幾十微秒的延遲，F(xiàn)C支持非應(yīng)答方式和傳感器數(shù)據(jù)傳輸，可見(jiàn)FC具有很高的實(shí)時(shí)性。其低延遲的特性較其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，其強(qiáng)實(shí)時(shí)性適合軍用航空電子系統(tǒng)互連中實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

3 結(jié)束語(yǔ)

FC網(wǎng)絡(luò)作為一種商用通信網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)，其高速率、低延遲、高可靠、強(qiáng)實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性好的特性為航空電子系統(tǒng)提供較完美的解決方案，滿(mǎn)足航空電子系統(tǒng)的各種特殊需求。本文通過(guò)對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量、延遲、誤碼率、容錯(cuò)性等指標(biāo)的測(cè)試，驗(yàn)證了FC在傳輸大數(shù)據(jù)時(shí)具有延遲低、吞吐量高、誤碼率低、容錯(cuò)性好等特點(diǎn)，適合航空電子系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸，已被業(yè)界普遍認(rèn)為是未來(lái)航空電子系統(tǒng)領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)互連的首選方案。

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(責(zé)任編輯 陳 艷)

Research on the Performance of Fiber Channel in Avionics System

ZHANG Qingsong

(The 33 Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Shanghai 201800, China)

This article has researched the performance of fiber channel in the interconnection of avionics systems, and introduced the characteristics, hierarchical structure and frame format of fiber channel. After the analysis and research against the bit error rate testing, fault tolerance, throughput, average latency and other performance factors, we found that fiber channel has low BERT, strong fault tolerance, high throughput, less latency and high real-time when transferring larger data packets. It is very suitable for the performance of avionics system interconnection.

avionics; network; fiber channel; performance testing

2017-04-18 作者簡(jiǎn)介：張慶松(1982—)，男，工程師，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究，E-mail:qszhang0511@163.com。

張慶松.航空電子系統(tǒng)光纖通道性能研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(8):145-149.

format：ZHANG Qingsong.Research on the Performance of Fiber Channel in Avionics System[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):145-149.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.024

TP393

A

1674-8425(2017)08-0145-05