一种FC网络管理软件的设计

    胡靖宇+薛楠+仲施平

    

    

    

    摘要：FC网络作为新型的高速通信技术，具有高速率、可靠性高等特点，是新一代综合化航空电子系统通信网络的首选。但同时，又由于其综合程度越来越高。网络规模越来越复杂，该文在介绍FC网络及其拓扑结构的同时，详细介绍了一种FC网络管理的方法，设计了一种交换结构网络中各个节点的管理方式，为高性能的FC网络设计提供一定的参考。

    关键词：FC网络；网络管理；网络拓扑

    中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0030-03

    随着计算机技术的飞速发展，其对高速数据通信的需求也日益增长。传统的ARINC429以及1553B总线传输速率分别只有100Kbps和1Mbps，其带宽和速率已经远远无法满足当代子系统间实时通讯的需要，无法为高性能的数据处理提供有力的支撑，因而提出了高带宽的统一网络的概念[1]。

    光纤通道（ FC）的高带宽、低延迟、低位错率和灵活的拓扑结构， 使得它能够很好地满足未来航空电子系统互连的要求。其速率可达到1Gbps、2Gbps、4Gbps，现在最高可支持10Gbps的速率，同时还具备低延迟、可靠性高、重量轻、体积小等特点，并已成功应用于美国F35 等战机[2]。其开放式的网络技术采用通道技术控制信号传输，基于信用流量控制策略，使用点到点、仲裁或交换方式处理共享冲突。因此， FC 将成为未来航空电子系统互连的首选标准之一。

    航空电子系统综合程度越来越高，系统规模越来越大，系统结构也越来越复杂，对网络的可靠性、可控性和安全性要求也随之提高。不仅对网络的性能要求更高，而且对网络的规划和管理上也有更高的要求。特别是在交换方式的拓扑结构下，系统结构更为复杂，网络中节点相对较多，这将会为它们的可靠性、可维护性以及之间的数据通信提出更高更新的要求。在这种背景下，网络管理软件应运而生。网络管理软件可以构建功能完备、运行状态可控的网络系统，为系统应用提供稳定可靠的网络通信平台。本文首先介绍了FC的网络拓扑结构和通讯协议，然后重点介绍FC网络管理软件的设计及其工作原理。

    1 FC网络简介

    1.1 FC网络概念

    FC网络是综合计算机通道和数据网络概念提出的一个不同于传统的通道和网络结构的互联方案，是一种具有高实时性、可靠性、带宽、性价比的开放式通信技术，采用通道技术控制信号传输，使用交换或仲裁环拓扑处理介质访问冲突，采用信用策略控制网络流量[3]。与通用的OSI七层网络模型类似，光纤通道模型也采用了分层的协议模型，共分为5层，分别为FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4，其分层模型如图1所示。

    FC-0层定义了连接的物理端口特性，FC-1层是信号编码和解码层，FC-2 层是帧协议层，是FC用来识别、解释和处理FC网络信息流的核心层。FC-层3是FC的公共服务层，定义了一些通用服务功能。FC-4层包含了多种高层协议，如SCSI、IP、HIPPI、ATM等[4]。

    1.2 FC网络拓扑结构

    光纤通道标准定义了三种基本的拓扑结构：点到点、仲裁环和交换结构。其中交换结构是使用最为广泛的一种拓扑结构，如图2所示。所有节点连接交换机构成星形网络结构。该拓扑结构可扩展性号，最多可支持16000000个设备接入一个网络[5]；隔离性好，系统中加入任何一处设备对其他结点没有影响；带宽高，交换机为任意两个节点间提供了数据通讯，在无冲突时，可保证每一个端口线速运行。

    这三种拓扑结构的优缺点如表1所示。

    2 FC网络管理软件设计

    2.1 网络管理构成及功能分配

    网络管理是在采用拓扑结构为交换结构的基础上，指定网络中某一个网络节点为网络管理器（NC），另一个网络节点为备份网络管理器（BNC），其余节点均为网络远程终端（NRT）。并以网络管理器为核心，由其余网络终端（BNC和NRT）以及网络交换机（SW）协调完成。网络交换机提供数据交换功能，响应并执行网络管理器的各种管理与运行命令，能够自主收集各个端口的链路状态并定期进行广播。目的在于构建功能完备，运行状态可控的网络系统，为系统应用提供稳定可靠的网络通信平台。航电应用的系统管理实现，将直接依赖于该网络运行和控制管理的实现状态，但这里的网络管理本身不具有系统运行控制的决策权，其作用主要体现在如下两点：第一、以API接口的形式为系统管理提供网络运行控制接口；第二、通过提供完整可靠的状态信息为实现可控的网络系统提供依据和支持。

    网络管理功能分别分配给的网络管理器、备份网络管理器和网络远程终端：

    1）网络管理器是整个网络中唯一存在，控制整个网络的运行方式与管理式。系统上电后，网络管理器及备份网络管理器进行网络控制权获取；当网络管理器失效时，备份网络管理器会进行网络主控权的获取。网络管理器主要功能有网络控制权获取、网络运行方案加载/切换控制、FC节点的管理（包括节点上下网等）、网络运行状态监控、网络信息收集（包括错误信息、BIT测试结果等）、网络事件的响应。

    2）备份网络管理器也是整个网络中唯一存在的，在网络初始化过程中会与NC进行网络控制权争夺，当NC已经获得网络控制权之后，BNC与其他的网络远程终端一样。当在运行过程中NC出现故障不能再正常运行时，BNC便替代故障的NC成为网络管理器，履行网络管理器的所有功能。

    3）网络远程终端受控于网络管理器，响应并执行网络管理器的各种管理与运行命令。主要功能有本地信息收集、网络运行状态监控、网络运行方案切换、FC节点机的配置和初始化、网络事件的响应。

    2.2 网络管理功能设计

    网络管理主要的功能有网络状态维护、网络上下线管理、网络上下网控制、网络设备BIT控制、网络运行结构切换控制、网络配置数据加载等。其中网络状态维护主要是网络中各节点上下线状态的更新，实现过程如图3所示。网络初始化完成之后，NRT和NC更新本地上下线表，NC更新完成后会周期性的广播上下线表，网络交换机周期性的设置网络管理器上下线表。

    为了防止网络中各个节点之间随意无序的进行通信，需要由网络管理器对各个网络节点（NRT）的上下网进行控制，其实现过程如图4所示。NRT要与网络中其他NRT进行数据通讯，首先要向NC发出上网请求申请，然后NC将该请求上报给应用，当允许其上网之后，NC会更新并周期性的广播上下网表以及ASM通信状态表，最后NRT端启动ASM通信并更新通信状态信息，便可与其他也上网的NRT进行数据通信。

    2.3 网络时钟同步控制设计

    FC网络管理软件还实现了各网络节点中的时钟同步功能，时钟同步功能主要基于FC原语实现，软件需对时钟同步功能进行简单的设置和控制。网络节点中时钟信息包括：

    （1） DATE时间：32位寄存器，精确到天。

    （2） RTC时间：42位计时器，精确到100ns，24小时清0。

    网络上的交换机和FC节点机都设计有一个RTC，每个RTC都具有计时功能。网络管理器周期性（同步周期为1ms～10s可设置）利用帧间隔传送本地时钟信息，交换机端口收到时钟信息后使用该信息修正交换机本地的RTC，并负责利用帧间隔发送交换机本地时钟信息，其他网络远程终端收到时钟信息后使用该信息修正本地的RTC。网络上的每个FC节点机都设计有一个32位DATE寄存器，网络管理器在DATE寄存器状态发生变化时向网络上所有节点广播该DATE数值，其他网络远程终端接收到该DATE数值后使用该值更新本地DATE寄存器。

    DATE时间与RTC时间组合起来共同构成网络统一日历时间，由网络管理器进行管理维护，其原理图如图5所示。

    3 总结

    本文介绍了一种FC的网络管理方法，详细介绍了网络管理中的网络状态维护功能、上下网进行控制功能和时钟同步功能。提供了一种交换结构网络中各个节点的管理方式，为高性能的FC网络设计提供一定的参考，为航电系统中的综合联试提供了有力支撑。

    参考文献：

    [1] 高扬，杨彦明.新一代军用航空电子系统网络[J]. 航空科学技术，2004（ 5） ： 35-38.

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

    [3] 牛文生. 机载计算机技术[M]. 航空工业出版社，2013.

    [4] 廖寅龙. FC网络通信中PCIe的接口的设计与实现[J]. 航空计算技术，2010（4）.

    [5] 林强，熊华钢，张其善.光纤通道综述[J]. 计算机应用研究， 2006（2） ： 9-13.