0 引言

　　隨著FC網(wǎng)絡(luò)[1]的廣泛應(yīng)用，開發(fā)一套完整的FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案尤為重要，同時(shí)在實(shí)施應(yīng)用解決方案的過程中需要構(gòu)建FC網(wǎng)絡(luò)，選定關(guān)鍵設(shè)備并對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功能檢測、性能監(jiān)控，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行[2]。

　　本文在協(xié)議分析、標(biāo)準(zhǔn)研究、需求理解和芯片研制的基礎(chǔ)上，突破系列關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)說明了FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建原理及應(yīng)用設(shè)備，提出了一種FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案。

1 FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　1.1 FC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

　　FC網(wǎng)絡(luò)通常由核心網(wǎng)絡(luò)及其輔助設(shè)備組成。核心網(wǎng)絡(luò)包括交換機(jī)、節(jié)點(diǎn)機(jī)和傳輸鏈路，配套設(shè)備包括FC網(wǎng)絡(luò)仿真、FC網(wǎng)絡(luò)分析及FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。

　　在構(gòu)建FC網(wǎng)絡(luò)過程中，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用需求確定核心網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、交換機(jī)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)機(jī)類型及數(shù)目、輔助設(shè)備類型及數(shù)目。核心網(wǎng)絡(luò)可選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有點(diǎn)到點(diǎn)、仲裁環(huán)和交換式3種，其中交換式是最具優(yōu)勢的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有通信帶寬高、可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸延遲小和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。為支撐FC網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及維護(hù)，可通過FC網(wǎng)絡(luò)配置工具生成配置表并加載到交換機(jī)和節(jié)點(diǎn)機(jī)上，完成網(wǎng)絡(luò)配置；通過FC網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)備模擬機(jī)載環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，進(jìn)行地面環(huán)境下仿真實(shí)驗(yàn)；通過FC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)并捕獲、分析數(shù)據(jù)；通過FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備采集、記錄網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

　　1.2 應(yīng)用設(shè)備

　　圖1所示為一個(gè)典型的FC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案。其中，方框區(qū)域?yàn)镕C網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備，圓框?yàn)镕C網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備。

　　1.2.1 網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備

　　(1)FC節(jié)點(diǎn)機(jī)作為應(yīng)用系統(tǒng)接入FC網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，負(fù)責(zé)消息的發(fā)送和接收，完成將應(yīng)用系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝成FC幀發(fā)送至FC網(wǎng)絡(luò)，或?qū)腇C網(wǎng)絡(luò)接收到的FC幀轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)應(yīng)用所需要的數(shù)據(jù)。

　　(2)FC交換機(jī)作為信息交換的設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換任務(wù)，接收源節(jié)點(diǎn)機(jī)發(fā)來的FC幀，按照配置表轉(zhuǎn)發(fā)給一個(gè)或多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)通信。FC網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)：網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送方與接收方之間的物理通路，負(fù)責(zé)將信號(hào)從一方傳輸?shù)搅硪环健?/p>

　　1.2.2 網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備

　　(1)FC網(wǎng)絡(luò)配置：網(wǎng)絡(luò)配置指對整個(gè)FC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃部署，以便完成網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)機(jī)之間的高效、高可靠數(shù)據(jù)通信。

　　(2)FC網(wǎng)絡(luò)仿真：作為構(gòu)建機(jī)載網(wǎng)絡(luò)地面仿真系統(tǒng)必不可少的設(shè)備，用于網(wǎng)絡(luò)仿真、流量測試、時(shí)鐘同步和網(wǎng)絡(luò)管理[4]。

　　(3)FC網(wǎng)絡(luò)分析：作為FC網(wǎng)絡(luò)的測試設(shè)備，用于對FC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測評(píng)[5]。

　　(4)FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄：作為FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄的設(shè)備，用于將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，同時(shí)將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2 FC應(yīng)用解決方案的實(shí)施

　　實(shí)施FC應(yīng)用解決方案的基礎(chǔ)是核心設(shè)備和配套設(shè)備的研制，網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備主要采用基于FPGA的方式實(shí)現(xiàn)，但其系統(tǒng)功耗大、維護(hù)成本高，且不能滿足軍用尤其是航空電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高性能、高可靠、高度綜合、復(fù)雜惡劣環(huán)境等應(yīng)用要求。網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備主要依賴國外產(chǎn)品，國內(nèi)目前處于初步研制階段。

　　針對某綜合處理系統(tǒng)對FC網(wǎng)絡(luò)的需求提出如圖2所示的應(yīng)用解決方案。該方案由1個(gè)交換機(jī)和4個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)組成，4個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)分別連接在交換機(jī)的通信端口，構(gòu)成交換式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備FC節(jié)點(diǎn)機(jī)和交換機(jī)采用自研芯片實(shí)現(xiàn)；配套應(yīng)用設(shè)備采用基于自研芯片的FC-ASM仿真卡、FC總線分析儀及FC采集記錄器，此方案應(yīng)用于地面仿真監(jiān)控、協(xié)議分析、采集記錄，實(shí)現(xiàn)了FC設(shè)備的自主保障功能。

　　根據(jù)應(yīng)用需求使用FC網(wǎng)絡(luò)配置工具生成相應(yīng)的配置表并加載到交換機(jī)和節(jié)點(diǎn)機(jī)上，用于作為網(wǎng)絡(luò)通信的依據(jù)；在系統(tǒng)運(yùn)行過程中若需要模擬飛行中的數(shù)據(jù)（如飛行高度、速度、慣導(dǎo)等），則可通過FC-ASM仿真卡實(shí)現(xiàn)；在通信過程中若出現(xiàn)故障，如節(jié)點(diǎn)機(jī)3不能正常地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，則可以將FC總線分析儀串聯(lián)在出現(xiàn)故障的鏈路中，對鏈路中的故障進(jìn)行分析測試；若需要對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄，則可將FC采集記錄器連接到FC交換機(jī)的監(jiān)控端口，用戶可根據(jù)應(yīng)用需求，對FC采集記錄器進(jìn)行配置，將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)（如飛機(jī)飛行高度、速度等信息）通過千兆以太網(wǎng)口實(shí)時(shí)地傳輸?shù)竭b測設(shè)備，供用戶分析；若FC網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量較大，用戶不能同時(shí)對網(wǎng)絡(luò)上大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采集記錄器能將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行百分百記錄，便于用戶事后分析。

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備

　　2.1.1 FC節(jié)點(diǎn)機(jī)

　　FC節(jié)點(diǎn)機(jī)是網(wǎng)絡(luò)中的重要部件，作為終端可以通過交換機(jī)或者直接和節(jié)點(diǎn)機(jī)通信。此方案中FC節(jié)點(diǎn)機(jī)采用自研FC-ASM協(xié)議處理芯片實(shí)現(xiàn)。該芯片采用SMIC 0.13 ?滋m Logic工藝、CBGA440封裝形式、設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到1730余萬門、芯片面積僅12.3×12.3 mm2。其集成度高、體積小、可靠性高、功耗低，滿足了航空電子系統(tǒng)應(yīng)用要求。FC-ASM芯片主要功能及性能指標(biāo)如下：

　　(1)內(nèi)嵌高性能嵌入式微處理器，運(yùn)行頻率250 MHz、125 MHz可配置；

　　(2)內(nèi)嵌專用FC-AE-ASM協(xié)議處理引擎，F(xiàn)C接口速率1.062 5 Gb/s、2.125 Gb/s可配置；

　　(3)對外提供PCIe/RapidIO可配置主機(jī)接口，PCIe支持1x、4x模式，通道速率為2.5 Gb/s，RapidIO支持1x、4x模式，速率1.25 Gb/s、2.5 Gb/s、3.125 Gb/s可選擇。

　　(4)支持雙余度FC接口，通信誤碼率≤10-12；

　　(5)支持緊急消息、周期消息、事件消息、數(shù)據(jù)塊消息4種消息類型（緊急消息、周期消息、事件消息簡稱非數(shù)據(jù)塊消息）；

　　(6)非數(shù)據(jù)塊消息長度小于等于2 096 B，數(shù)據(jù)塊消息長度小于等于16 MB；支持256條非數(shù)據(jù)塊消息、16條數(shù)據(jù)塊消息；

　　(7)支持時(shí)鐘同步、網(wǎng)絡(luò)管理功能。

　　2.1.2 FC交換機(jī)

　　FC交換機(jī)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心部件，具有線速交換功能，是連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)的交通樞紐。此方案中FC交換機(jī)采用自研FC-SW芯片實(shí)現(xiàn)。該芯片采用65 nm工藝，F(xiàn)C-CBGA625封裝形式、設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到3 000余萬門，功能管腳約310個(gè)。以其高集成度、高可靠性、低功耗完成FC網(wǎng)絡(luò)高速無阻交換、數(shù)據(jù)監(jiān)控、通信配置、時(shí)鐘同步及網(wǎng)絡(luò)管理等功能。FC-SW芯片的主要功能、性能指標(biāo)如下：

　　(1)支持46路通信端端口；

　　(2)單端口傳輸速率2.125/1.062 5 Gb/s；

　　(3)支持FC-2層幀的交換；

　　(4)支持單播、多播和廣播功能，最多支持255個(gè)多播組；

　　(5)具備廣播和多播端口屏蔽功能；

　　(6)支持F端口功能；

　　(7)支持四級(jí)E端口級(jí)聯(lián)，2個(gè)交換芯片之間最多可配置6個(gè)E端口；

　　(8)支持可配置的2級(jí)或者4級(jí)優(yōu)先級(jí)；

　　(9)支持可選的快速啟動(dòng)能力，快速啟動(dòng)模式下單播和廣播功能準(zhǔn)備時(shí)間小于1 s；

　　(10)交換機(jī)端到端技術(shù)延遲小于2

　　(11)支持物理端口與邏輯端口的動(dòng)態(tài)映射；提供F端口工作狀態(tài)指示；

　　(12)支持F端口獨(dú)立上下線使能控制。

　　2.1.3 傳輸介質(zhì)

　　光纖是常用的FC網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)，按照光在光纖中的傳輸模式分為多模光纖和單模光纖。多模光纖最為常見，但其有效傳輸范圍是0～500 m；單模光纖直徑小，使得光信號(hào)不易損耗，所以傳輸距離較遠(yuǎn)，但價(jià)格昂貴。在此應(yīng)用解決方案中，依據(jù)用戶使用環(huán)境，短距離傳輸使用多模光纖，長距離傳輸使用單模光纖。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備

　　2.2.1 FC-ASM仿真卡

　　此方案中FC網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)備采用基于自研芯片的FC-ASM仿真卡。其與市場上同類型產(chǎn)品相比功耗減小到60%，體積減小到50%，重量減輕到60%，且FC鏈路速率可配置，使用靈活，顯著提高了功能、性能、可靠性。此外提供配套應(yīng)用軟件具有友好的人機(jī)交互界面，可直觀地給出仿真結(jié)果，為網(wǎng)絡(luò)通信綜合提供參考依據(jù)[6]。FC-ASM仿真卡的主要功能、性能指標(biāo)如下：

　　(1)支持FC-AE-ASM協(xié)議；

　　(2)實(shí)現(xiàn)1.062 5 Gb/s或2.125 Gb/s的FC鏈路；

　　(3)全雙工通信，誤碼率≤10-12；

　　(4)支持點(diǎn)到點(diǎn)和交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

　　(5)可配置仿真消息參數(shù)和信號(hào)參數(shù)；

　　(6)可監(jiān)控發(fā)送/接收流量并以曲線形式顯示當(dāng)前發(fā)送/接收流量趨勢圖；

　　(7)可統(tǒng)計(jì)發(fā)送/接收消息總數(shù)和執(zhí)行時(shí)間等信息；

　　(8)支持?jǐn)?shù)據(jù)回放功能。通過數(shù)據(jù)回放功能發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查；

　　(9)主機(jī)接口：支持PCI/PCIe/CPCI接口。

　　2.2.2 FC總線分析儀

　　此方案中FC網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備采用自研的FC總線分析儀，該分析儀可同時(shí)對6路1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s FC鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和分析、故障注入、流量測試和壓力測試，并提供配套應(yīng)用軟件實(shí)時(shí)顯示FC鏈路狀態(tài)和錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)信息，為FC網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)開發(fā)及故障診斷提供支撐[7]。FC總線分析儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

　　FC總線分析儀使用時(shí)串聯(lián)在需要測試的鏈路中，當(dāng)數(shù)據(jù)通過FC總線分析儀時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊會(huì)將鏈路中的數(shù)據(jù)復(fù)制一份交給數(shù)據(jù)處理模塊，而不影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的正常通信。數(shù)據(jù)處理模塊接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)提交給PC機(jī)，PC機(jī)通過配套應(yīng)用軟件對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將解析結(jié)果實(shí)時(shí)顯示。

　　2.2.3 FC采集記錄器

　　此方案中FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備采用自研FC采集記錄器，該設(shè)備用于將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行百分百記錄，同時(shí)將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。FC采集記錄器可對接收到的FC幀進(jìn)行完整性檢測，并根據(jù)事先設(shè)定的過濾條件對FC幀進(jìn)行篩選過濾，符合要求的FC幀被附加上幀到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間標(biāo)記，按照IRIG106第十章的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，然后存儲(chǔ)在采集記錄器的電子盤中，同時(shí)在FC幀數(shù)據(jù)中選擇用戶關(guān)心的參數(shù)，通過千兆以太網(wǎng)均衡流量輸出，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。可通過卸載設(shè)備卸載電子盤中的數(shù)據(jù)，以便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。FC采集記錄器的主要功能和性能指標(biāo)如下：

　　(1)符合FC-AE-ASM協(xié)議；

　　(2)具有采集和記錄功能；

　　(3)支持FC幀篩選過濾機(jī)制，篩選過濾條件可配置；

　　(4)提供IRIG-B/IEEE1588時(shí)碼；

　　(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口采用SATA標(biāo)準(zhǔn)總線接口，記錄數(shù)據(jù)格式符合IRIG106-10標(biāo)準(zhǔn)；

　　(6)提供掉電保護(hù)功能，保證當(dāng)前接收數(shù)據(jù)能及時(shí)完整性的存盤；

　　(7)具有硬件看門狗、開機(jī)整機(jī)自動(dòng)測試、自動(dòng)故障檢測功能；

　　(8)可將用戶關(guān)心的參數(shù)通過千兆以太網(wǎng)均衡流量輸出，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；

　　(9)提供卸載設(shè)備，用于卸載電子盤中的數(shù)據(jù)，以便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

　　FC采集記錄器內(nèi)部原理圖如圖4所示。其工作流程如下：

　　用戶根據(jù)應(yīng)用需求，通過專用編程檢查裝置，將用戶配置寫入設(shè)備中，光纖數(shù)據(jù)接收模塊接收到來自FC光纖通信網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)復(fù)制為兩份，一份根據(jù)用戶配置信息，將用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)進(jìn)行挑選傳輸?shù)街骺刂破髂K，主控制器模塊接收到數(shù)據(jù)后通過千兆網(wǎng)口整形輸出到遙測設(shè)備；另一份數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)全部記錄到高速固態(tài)存儲(chǔ)模塊中。在設(shè)備使用的過程中用戶可使用遠(yuǎn)程控制單元使能或禁止數(shù)據(jù)的記錄。

3 小結(jié)

　　針對不同型號(hào)及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下FC網(wǎng)絡(luò)研制的技術(shù)需求，本文提出了一種FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案，詳細(xì)說明了FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建原理及應(yīng)用設(shè)備。該方案能夠滿足新一代機(jī)載FC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的分析、采集、記錄、仿真等各種需求，應(yīng)用于協(xié)議分析、機(jī)載試飛、地面監(jiān)控、地面仿真、綜合測試等領(lǐng)域。

　　本文所提出的FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用解決方案已經(jīng)成功運(yùn)用在實(shí)際工程中，功能、性能穩(wěn)定可靠，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)了我國機(jī)載FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自主保障、自主發(fā)展，為產(chǎn)品開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)綜合驗(yàn)證等完整的FC網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)體系和產(chǎn)品體系打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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