0 引言

　　隨著計算機技術、通信技術和網絡構建技術的發展,航空電子系統進一步向統一化、靈活化和便于融合的方向發展，對總線網絡的數據傳輸要求也越來越高。光纖通道(Fiber Channel，簡稱FC)具有高帶寬、低延遲、長距離傳輸、拓撲靈活、支持多種上層協議等優點[1]，是一個為適應高性能數據傳輸要求而設計的通信協議。

　　當前光纖通道在商業領域中已被廣泛采用，并且能夠提供航空電子系統下新一代的統一航電網絡構建支持。美國國家標準委員會還專門成立了研究光纖通道用于航空電子系統的分委員會（ANSI FC-AE），該分委員會與波音公司、洛克西德馬丁公司等合作制定了一組專門用于航空電子系統的FC協議子集，即光纖通道航空電子環境（FC-AE），其中FC高層協議采用的就是FC-AE下的匿名簽署消息傳輸協議（FC-AE-ASM）。光纖通道替代當前的航空電子主網絡MIL-STD-1553，已成為航空電子系統發展的必然趨勢，光纖通道也將成為構建新一代的統一航空電子網絡的首選。

　　光纖通道將通道傳輸的高速性和網絡傳輸的靈活性結合在一起，采用層次化的結構，共分為5層：FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4；定義了3種拓撲結構：點對點、交換式、仲裁環網絡，既能方便地實現高速高效的傳輸，同時也提供了極大的靈活性，特別是交換式網絡的拓撲，為復雜設備的互連提供了一種很好的解決方案。

1 光纖通道關鍵技術

　　光纖通道以COTS為基礎，它綜合了計算機通道和數據網絡的概念，提出了一個不同于傳統的通道和網絡結構的互連方案，是一種具有高實時性、高可靠性、高帶寬、高性價比的開放式網絡技術[2]。采用通道技術控制信號傳輸，使用仲裁或交換方式處理共享沖突，并采用了基于信用的流量控制策略。

　　1.1 FC協議分層模型

　　與通用的OSI7層網絡模型類似，FC協議也采用分層協議模型，分別為FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4層，如圖1所示。其中FC-0層定義了接口和介質的物理特性；FC-1定義了編解碼和傳輸協議；FC-2層規定了數據傳輸的規則；FC-3層為一些高級特性提供了所需要的通用服務；FC-4層規定了上層協議到FC協議的映射。

　　T11小組制定了系列標準約束了各層協議的具體功能如下：

　　FC-PH(Fibre Channel Physical and Signaling Interface)：約束了FC-0、FC-1、FC-2層應遵循的規定，定義了和計算機直連時的機械、光學、信號協議的詳細規范。

　　FC-FS(Fibre Channel Framing and Singnaling)：約束了FC-1、FC-2、FC-3層應遵循的規定，定義了FC傳輸的基本控制特性和公共服務。

　　在FC-4層制定了與通道相關的IPI、SCSI、HIPPI和SBCCS等標準，與網絡相關的FC-AE、FC-AV、FC-SW等標準。

　　FC-AE主要涉及的應用領域在航空電子指揮、控制、監測、仿真、信號處理和傳感器/視頻數據分發方面。FC-AE主要包括5個部分：無簽名的匿名消息傳輸FC-AE-ASM(Anonymous Subscriber Messaging)、MIL-STD-1553高層協議FC-AE-1553、虛擬接口FC-AE-VI(Virtual Interface)、FC輕量協議FC-AE-LP(Lightweight Protocol)、遠程直接存儲器訪問協議FC-AE-RDMA（Remote Direct Memory Access）[3，4]。每一部分都支持一個或多個高層協議和拓撲結構，實現實時光纖通道網絡特征，具備了支持不同航空電子系統需求的網絡能力。

　　FC-AV定義了利用光纖通道交換、序列、幀的組織形式，傳送音頻、視頻、輔助數據和控制流的標準方法，為視頻設備之間互連提供一種接口標準。FC-AV通信接口實現FC-AV中簡單控制協議FHCP，提供視頻源到顯示設備之間的高速通信接口及對各種拓撲結構的支持。

　　1.2 FC網絡拓撲結構

　　FC拓撲結構與FC節點類型密切相關，即不同的節點類型所應用的網絡拓撲不同。在介紹FC拓撲結構之前先對相關概念給出如下說明：

　　(1)N_Port：Node Port節點端口，光纖通道通信的終端，可以擔當應答或發送方的硬件實體，包含了一個鏈路控制設備（LCF），但是不能用于仲裁環拓撲結構中。

　　(2)L_Port：光纖通道通信的終端，可以擔當應答或發送方的硬件實體，包含了一個鏈路控制設備（LCF），而且支持仲裁環拓撲結構。

　　(3)NL_Port：Node Loop Port節點環路端口，同時具備N端口和L端口功能的FC端口設備。

　　(4)F_Port：Fabric Port光纖端口，一種交換連接端口，交換結構中位于交換機內部用于和N端口相連的FC鏈路控制設備。

　　(5)FL_Port：Fabric Loop Port光纖環路端口，交換結構中位于交換機內部用于和N端口相連的FC鏈路控制設備，同時可以作為仲裁環上的一個節點使用。

　　FC標準定義了3種基本的拓撲結構：點到點、仲裁環和交換結構。

　　(1)點對點網絡拓撲結構。點對點網絡拓撲結構在2個直接相連的N-Port中進行通信，不需要交換網，其網絡拓撲如圖2所示。該網絡拓撲結構在應用中具有帶寬高、數據順序傳輸及低延時等優點，但該網絡拓撲可擴展性和靈活性較差。

　　(2)仲栽環網絡拓樸結構。仲栽環網絡拓撲結構允許2個或更多L-Port相互通信而不使用交換網，仲栽環路在同一時刻最多支持一個點對點回路。當2個L-Port互相通信時，仲栽環網絡拓撲結構支持同時發生的、對稱的雙向流動。其網絡拓撲結構如圖3所示。該網絡拓撲結構成本低，但容錯性差、帶寬較低。

　　(3)交換式網絡拓撲結構。交換式網絡拓撲結構是使用交換機將需要通信的N_Port連接起來構成的通信網絡。理論上，結構中連接的設備數最多可達1 500萬個以上，而且允許多個設備在同一時刻進行高速通信。其網絡拓撲結構如圖4所示。該網絡拓撲擴展性較好、帶寬高、隔離性強，但網絡搭建成本高、設計難度大。

　　(4)融合式網絡拓撲結構。在實際應用中，單一的網絡拓撲結構并不能滿足不同的應用需求，需要將以上基本的網絡拓撲結合使用，構建更適合應用環境的融合式網絡。該網絡結合了以上網絡的優點，為復雜應用環境的FC網絡構建提供了解決方案。

　　1.3 FC技術特點

　　1.3.1 FC幀格式

　　FC網絡中數據傳輸的基本單位是FC幀，在FC-2中對幀的格式給出了統一的規定:一個FC幀是由SOF、幀內容以及EOF 3部分組成，而幀內容又可以分為幀頭、數據字段及CRC 3個部分。FC幀格式如圖5所示。

　　幀中的各個部分解釋如下：

　　(1)SOF和EOF：這2個有序集用于標識幀的開始和結束，且SOF和EOF在不同的幀、不同的使用環境中的具體數值是不一樣的。

　　(2)幀頭：在幀格式中，幀頭是一個24 B的字段，按照字邊界進行傳輸。用于控制鏈路操作、設備協議的傳輸以及幀丟失或亂序檢測。在FC中對幀頭給出了統一的格式定義，參見圖6。

　　(3)CRC字段：該字段包含4 B的CRC校驗碼，用于驗證FC幀中的幀頭和數據字段的完整性，但是SOF和EOF沒有包含在CRC校驗中。

　　1.3.2 FC錯誤處理方式

　　在數據通信領域，由于外界干擾、時鐘漂移、環境應力等因素的作用，在通信過程中可能會出現各種各樣的錯誤。在FC協議標準中將這些錯誤分為幀錯誤和鏈路錯誤2種：幀錯誤是指由于幀的丟失或損壞引起的錯誤，該錯誤可能進一步導致序列出現完整性錯誤；鏈路錯誤則是指檢測到比幀錯誤更低級別的基本特征信號出現錯誤，包括丟失信號錯誤，丟失同步錯誤和其他鏈路超時錯誤。

　　針對不同的錯誤類型，FC-2中給出了相應的錯誤檢測與恢復方法，以保證鏈路和數據通信的可靠性。

　　鏈路錯誤處理包括鏈路故障檢測、代碼損壞檢測和原語序列協議錯誤檢測，同時鏈路錯誤恢復使用原語序列協議來完成，包括3種原語序列協議：鏈路故障協議、鏈路初始化協議和鏈路復位協議。

　　幀錯誤可以分為序列錯誤和交換錯誤，交換錯誤處理策略包括丟棄多個序列、丟棄單個序列、丟棄多個序列并重傳丟棄序列和無限緩沖處理方式。

　　1.3.3 余度接口

　　在航空電子系統中為了增強傳輸網絡可靠性，通過FC MAC層雙通道控制實現了雙余度接口，支持雙通道容錯通信，對于航空電子系統中所包含的消息類型及應用環境的不同，可以通過通道選擇和收發控制達到余度容錯功能。

2 FC網絡特點及發展趨勢

　　2.1 FC網絡特點

　　(1)高帶寬、多媒介、長距離傳輸。串行傳輸速率1.062 Gb/s～32 Gb/s，數據吞吐量大，適用于不同模塊間大規模應用數據(如音頻、視頻數據流)交換；以光纖、銅纜或屏蔽雙絞線為傳輸介質，低成本的銅線支持1 Gb/s的傳輸速率和25 m以上的距離傳輸，多模光纖傳輸距離為0.5 km，單模光纖傳輸距離為10 km。

　　(2)高可靠性與強實時性。多種錯誤處理策略，32 bit CRC；利用優先級占先適應不同報文要求與解決媒體訪問控制時的沖突，傳輸位差錯率低于10～12 ；端到端傳輸延遲量級小于10 ?滋s，支持非應答方式與傳感器數據傳輸，滿足快速交付的性能等級要求。

　　(3)統一性與可擴展性。可方便地增加和減少節點以滿足不同應用的需求，拓撲結構靈活，支持多層次系統互連；利用高層協議映射提供強大的兼容和適應能力，可有效地減少物理器件與附加設備的種類，并降低經濟成本。

　　(4)開放式互連。遵循統一的國際標準，可確保不同生產廠商的產品能夠互相協作使用。

　　2.2 FC網絡發展趨勢

　　(1)隨著航空技術的不斷發展，航空電子系統的系統組成方式在不斷變化[5]。航空電子系統從各子系統相互獨立的“分離式”到“聯合式”，再到正在使用的第三代“綜合式”和第四代“先進綜合式”，其體系結構明顯呈現出融合的趨勢。新一代統一的光纖網絡航空電子系統將實現面向功能分區的信息通信的通用化，提高系統傳輸帶寬，統一系統信息的通信格式和標準。

　　(2)統一的光纖機載網絡可以根據任務的變化快速改變功能，具有良好的可擴展性，能夠完成比較復雜的任務。同時，機載系統部件的數據處理能力和機載系統數據融合的能力也在不斷增強。數據的采集、處理和顯示需通過高速機載數據總線進行連接[6]。

　　(3)統一的光纖網絡系統不僅具有實時性和可維護性，還具有較強的容錯能力和苛刻環境的適應力；占用更少的空間和系統資源；增強航空電子的整體系統性能，提高系統應用軟件設計的靈活性。

　　(4)統一的光纖網絡在小型化、低功耗、高安全性、高度綜合、復雜惡劣環境等應用需求下，提供了較小的解決方案，同時隨著FC協議自身的不斷發展，也將同時提高FC網絡的傳輸速率和安全性。所以基于FC的網絡系統必將越來越廣泛地應用到航空電子系統中，成為航空網絡的首選方案。

3 小結

　　FC網絡是目前最具應用前景的航空電子網絡技術，不僅可以滿足航空對高傳輸速率、高安全性和高兼容性的要求，而且還可以滿足新一代航電系統小型化和低功耗的標準。本文介紹了FC協議的起源與發展、FC協議分層模型、FC傳輸幀格式，以及FC網絡傳輸支持的錯誤處理方式和余度管理等，深入分析了基于FC協議構建的網絡拓撲結構及其特點，指導后續設計開發工作，為FC技術深入推廣到航空、航天和船舶領域奠定了基礎。

　　參考文獻

　　[1] INCITS.T11/08-013v1.Fibre channel avionics environementanonymous subscriber messaging(ASM)/Ammendment 1[S].Washington：InterNational Committee for Information Technology Standards，2008．

　　[2] 黎小玉，田澤．FC分析儀軟件設計與實現[J].計算機技術與發展，2013（8）．

　　[3] ANSI Fiber Channel Physical and Signaling Interface(FCPH)，X3[M]．US：ANSI，1994．

　　[4] ANSI Fiber Channel Avionics Environment-Anonymous Subscriber Messaging(FC-AE-ASM)，Ｒev1．2[M]．US：ANSI，2006．

　　[5] 王磊，裴麗．光纖通信的發展現狀和未來[J].中國科技信息，2006(4).

　　[6] 周耀榮.航空系統結構發展趨勢[Z].2006，5.

　　[7] 劉娟，田澤．光纖通道的核心技術與實現[D].西安：西安石油大學，2010(5).

　　[8] 劉鑫，陸文娟.光纖通道在航空電子環境的應用及關鍵技術研究[J].光通信技術，2006(6).

　　[9] 林強.光纖通道綜述[J].計算機應用研究，2006(2).

　　[10] 王海青，王巖.光纖通道在航空電子環境中的應用[J].飛機設計，2014(2).