（通信与信息系统专业论文）san多协议路由器fpga设计.pdf

摘要 摘要 存储区域网络( s a n ) 与传统的局域网和广域网不同，它位于计算机局域网 后端，采用单独的网络，它不与局域网共用通信信道。存储区域网络在服务器和 存储设备之间提供多条物理连接，保证系统不因一条线路的故障而中断运行。因 此它可以高效的、可靠的、安全的传输数据，同时也可以支持数据的异地实时容 灾备份。 存储区域网络的组网方式有两种，一种是采用光纤通道( f i b r ec h a n n e l ：f c ) 协议，这样的网络又叫f c s a n ；另一种是基于现有i p 网络，采用i s c s i 协议， 这样的网络又叫i p s a n 。s a n 多协议路由器是f c s a n 中最重要的设备之一，它 是实现f c f c 路由服务、f c i p 隧道服务以及i s c s i 网关服务的重要设备。f c f c 路由功能使不同f c s a n 连接，而不用重新配置s a n 原有的参数。f c i p 隧道服务 可靠地延伸s a n 的传输距离，实现跨地区连接和资源共享，为业务的灾难恢复提 供支持。i s c s i 网关服务实现了i s c s i 协议到光纤通道协议转换功能，它将存储区 域网络和i p 网络有机地结合起来，扩展了s a n 的连接性。 在本文中，通过阐述s a n 多协议路由器的应用环境，根据具体设计要求，分 析并描述了光纤通道协议。之后在f p g a 芯片上实现光纤通道协议低层协议，主 要包括传输字同步、链路建立、数据路由以及流控制功能，本文针对f p g a 芯片， 提出了内部路由表结构，这些为高层协议转换提供硬件基础。 本文首先介绍了s a n 多协议路由器应用场景，接着分析了光纤通道协议和p c i e x p r e s s 协议。其次根据协议要求和待实现功能，提出s a n 多协议路由器的整体结 构框图和f c 接口卡f p g a 部分的详细设计方案。接下来又介绍了s a n 多协议路 由器硬件模块的开发环境，最后本文提出了一个完整的测试方案，并且分析测试 结果。 关键词：s a n 多协议路由器，f c 协议，p c ie x p r e s s 协议，f p g a 设计 a b s t r a c t a b s t r a c t s t o r a g ea r e an e t w o r k ( s a n ) i sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ll o c a la r e an e t w o r k ( l a n ) a n d w i d ea r e an e t w o r k ( w a n ) ，u s i n gs e p a r a t en e t w o r k s ，s t o r a g ea r e an e t w o r ki sl o c a t e di nt h eb a c k e n d o fl a n ，a n dd o e s n ts h a r ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l sw i t hl a n t oe n s u r et h a ts y s t e mw i l ln o tb e i n t e r r u p t e db yad e f a u l tl i n e ，s t o r a g ea r e an e t w o r kp r o v i d e sm u l t i p l ep h y s i c a lc o n n e c t i o n sb e t w e e n s e r v e r sa n ds t o r a g ed e v i c e s s os t o r a g ea r e an e t w o r ki se f f i c i e n t , r e l i a b l ea n ds a f ei nt h et r a n s m i s s i o n o fd a t a , a tt h es a m et i m e ，i tc a na l s os u p p o r tr e a l - t i m er e m o t ed a t ab a c k u pa n dd i s a s t e rr e c o v e r y t h e r ea r et w ok i n d so fs a n ，f c - s a ni sb a s e do nt h ef i b r ec h a n n e lp r o t o c o l ，a n di p - s a ni s b a s e do nt h ei pp r o t o c 0 1 f c s a nh a sh i 【g hr e l i a b i l i t y ，a n di p s a ni sc h e a p e r m u l t i - p r o t o c o ls a n r o u t e ra leo n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v i c ei ns t o r a g ea r e an e t w o r k s ，i tc a r li m p l e m e n tf c f c r o u t i n gs e r v i c e ，f c i pt u n n e ls e r v i c e ，a sw e l la si s c s ig a t e w a ys e r v i c e f c f cr o u t i n gs e r v i c ec a n c o n n e c td i f f e r e n tf c s a nw i t h o u tr e c o n f i g u r et h ep a r a m e t e r so ft h eo r i g i n a lf a b r i c f c i pt u n n e l s e r v i c ec a nr e l i a b l ee x t e n dt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e a c h i e v ec r o s s - r e g i o n a lc o n n e c t i v i t ya n dr e s o u r c e s h a r i n g ，a n ds u p p o r td i s a s t e rr e c o v e r yo fb u s i n e s s i s c s ig a t e w a ys e r v i c ec a l lc o m p l e t ep r o t o c o l c o n v e r s i o nf u n c t i o nb e t w e e ni s c s ia n dt h ef i b e rc h a n n e l ，i tc o m b i n es t o r a g ea r e an e t w o r k sa n di p n e t w o r k s ，s ot h es e r v i c ee x t e n d ss a n c o n n e c t i v i t y i nt h i sp a p e r , id e s c d b e st h em u l t i - p r o t o c o ls a nr o u t e r so nt h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ， a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n a l y s i sa n dd e s c r i b e st h ef i b e rc h a n n e lp r o t o c 0 1 t h ef i b e rc h a n n e lp r o t o c o li n c l u d e st r a n s m i s s i o nw o r ds y n c h r o n i z a t i o n ，l i n ke s t a b l i s h m e n t ，d a t a r o u t i n ga n df l o wc o n t r o lf u n c t i o n sa r ei m p l e m e n t e do nf p g ac h i p ia l s od e p i c tt h ei n t e r n a lr o u t i n g t a b l es t r u c t u r ef o rf p g ad e s i g n a l la b o v eh a r d w a r ed e s i g na r et h ef o u n d a t i o nf o rh i g h l e v e l p r o t o c o lc o v e r s i o n ， t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to fm u l t i p r o t o c o ls a nr o u t e r ，t h e n a n a l y s et h ef i b e rc h a n n e lp r o t o c o la n dt h ep c ie x p r e s sp r o t o c o li nd e t a i l n e x ta c c o r d i n gt ot h e p r o t o c o lr e q u i r e m e n t sa n dt h ef u n c t i o n ，p r o v i d et h ed e t a i l e df p g ad e s i g no ff ci n t e r f a c ec a r da n d t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h em u l t i p r o t o c o ls a nr o u t e r s n e x tt h ep a p e ra l s od e s c r i b e st h eh a r d w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fm u l t i - p r o t o c o ls a nr o u t e r f i n a l l yt h ep a p e re l a b o r a t e st h et e s t i n gp r o g r a m i nd e t a i l ，a n da n a l y z e st h et e s t i n gr e s u l t s i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：m u l t i - p r o t o c o ls a nr o u t e r ，f cp r o t o c o l ，p c ie x p r e s sp r o t o c o l ，f p g ad e s i g n i i i 缩略语表 缩略语 s a n f c f c i p i s c s i f c p d a s n a s h b a w w n d m a f i f o r a m 缩略语表 英文全称中文全称 s t o r a g ea r e an e t w o r k 存储区域网 f i b r ec h a n n e l f i b r ec h a n n e lo v e ri n t e m e t p r o t o c o l i n t e r n e ts m a l l c o m p u t e r s y s t e m si n t e r f a c e f i b r ec h a n n e lp r o t o c o lf o r s c s i p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o r m e t d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e h o s tb u sa d a p t e r w o r i dw i d en a m e d i r e c tm e m o r ya c c e s s f i r s ti nf i r s to u t r a n d o ma c c e s sm e m o r y v i i 光纤通道 基于因特网的光纤通道协议 互联网小型计算机系统接口 对应小型计算机接口的光纤 通道协议 外设组件互连标准 直连方式存储 网络附加存储 主机总线适配器 全球名称 直接内存访问 先进先出缓存器 随机存取存储器 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另, j m 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：二奎蚕l 日期：二呷 年歹月二芗日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 垄五堑二导师签名： 日期：2 彬7 年夕月矽日 第一章引言 1 1 存储区域网络概述 1 1 1 存储网络系统演变 第一章引言 随着互联网的高速发展，企业与用户的信息成几何倍数增长，互联网、电力、 金融服务等众多企业需要存储不断增长的数据，需要随时备份重要的数据信息， 跨国企业需要对全球业务数据信息进行共享与管理。面对迅速增长的数据存储需 求，企业和用户需要投入更多的时间与精力完成数据的存储、备份、共享与管理， 而传统的将存储设备安放在服务器之外，或者安放在服务器之内的存储方式，已 经不能满足人类对数据存储的需求。正是在如此背景下，数据存储系统正从直接 存储系统( d a s ) 向联网存储系统( n a s ) 和存储区域网络( s a n ) 的演变。 n a s 结构实现的核心就是在传统网络中加入一些特定的设备，由这些设备专 门负责文件的输入输出等操作，这样将服务器的通用功能与存储功能分开，这种 结果是降低了对服务器的性能要求，同时也便于设备和服务功能的管理，简化了 系统的设计和管理。图1 - 1 为基于n a s 设备的网络应用系统。 l i n u x w i n d o w su n i x j 2 作站 图1 - 1 基于n a s 设备的网络应用系统 在n a s 应用层的程序中，其进程是与数据存储单元分离的，这样服务器专门 l 电子科技大学硕士学位论文 提供设计的服务功能，而由n a s 设备专门响应用户对数据的请求。另外，n a s 的 设计也利于系统同时满足各种文件系统不同的文件服务要求。但是局域网要同时 承担客户对数据的访问和服务器对数据存储的要求，因此当需要存储的数据量非 常巨大时，n a s 将消耗局域网较大的有效带宽。实践证明，对于中小型网络结构 n a s 系统的应用效果不错，而对于大型网络，n a s 系统就有些力不从心。 面对n a s 系统所遇到的问题，川门又提出了存储区域网络系统( s a n ) ，图1 - 2 为一个典型的s a n 网络系统结构图【l 】。在s a n 网络系统结构中，存储设备既不像 d a s 那样直接连接到服务器，也不像连接到应用网络上，它把存储设备互相连接， 形成一个专门的s a n 网络。服务器通过s a n 对数据进行存储，客户终端不能直 接操作数据，这也有助于提高数据的安全性。 图i - i 典型的s a n 网络系统结构图 s a n 采用单独的交换网络，它不与局域网共用通信网络，因此可以动态地连 接任意服务器和存储设备，在两个设备之间提供多条有效线路连接，如果一条线 路出现故障，存储网络可以重新换用另一条线路，这样极大提高了系统整体的可 靠性。当网络中增加存储设备时，区域内所有服务器都能通过s a n 访问新添加的 存储设备，而不必改变服务器和其他存储设备的设置【3 1 。由于s a n 的这些特性使 其特别适合于有大量数据交换、可靠性要求很高的存储系统。 1 1 2 存储区域网络组网简述 存储区域网络使用专门的网络来实现存储设备和服务器之间的数据交换。按 2 第一章引言 照存储区域网络组网方式与通信协议不同，存储区域网络又分为f c s a n 与 i p s a n 。f c s a n 是指采用采用光纤通道协议的存储区域网络，而i p s a n 则是基 于i p 协议的存储区域网络，它主要采用i s c s i 通信协议完成数据交换。 光纤通道实际上是一组标准，这些标准定义了进行数据交换的通信设备之间 的物理特性、接口特性以及通信协议等。光纤通道协议是专为存储区域网络开发 的用于数据快速传输的协议。光纤通道结合了通道和网络两种通信方式的优点， 提供通信设备之间的高速度、高效率、长距离的数据交换通道，适合交换大量的 数据【2 】。 光纤通道的通信协议栈分为五层，其分别为f c 0 、f c 1 、f c 2 、f c 3 和f c 4 层。其中f c 0 、f c 1 和f c 2 通常由硬件实现，f c 3 和f c 4 层由软件实现。图 1 3 描述了光纤通道协议的层次结构【2 】o f c 4 映射层 f c 一3 服务层 f c 乙2 协议层 f c - l 代码层 f c o 物理层 图卜3 光纤通道协议的层次结构 采用光纤通道的存储系统中，各种设备包括服务器、存储设备、光纤通道交 换机和多协议路由器等，从拓扑结构角度来看，可以将服务器、存储设备、光纤 通道交换机和多协议路由器等设备看成节点，而将光纤通道光缆当成连接，这样 光纤通道网络拓扑结构分为点到点直接连接、交换结构与环形结构。 f c s a n 可以为用户提供高速、高效、可靠的数据传输与交换，方便企业的 对数据的存储和备份。但由于部署光纤通道存储区域网络成本较为昂贵，而且需 要培训专门的网络管理员，所以其应用往往局限于大型企业部署大型的存储网络。 另外一种存储区域网络为i p s a n ，它采用i s c s i 协议，利用现有的i p 网络组建存 储网络。i s c s i 协议栈也分为五层，图1 4 描述了i s c s i 协议栈的层次结构【2 】。它 将i s c s i 帧封装在t c p 包中，通过现在的i p 网将数据发送出去。 因为i s c s i 可以使用现有的i p 架构，所以i s c s i 的成本很低，同时i s c s i 的配 3 电子科技大学硕士学位论文 置非常简便，因此不需要培训专门的网络管理员。随着1 0 g b 以太网的普及，i s c s i 也会更加快速。光纤通道是针对大块i o 设计的，在被高度优化之后用于传输存储 数据，所以与i p s a n 相比，f c s a n 适合大型企业数据存储，而i p s a n 更适合 中小企业的数据存储需求。 图1 - 4i s c s i 协议栈的层次结构 1 2s a n 多协议路由器介绍 f c s a n 使用光纤通道协议，通过光纤通道集线器、交换机将磁盘阵列、磁带 库以及相关的服务器连接起来，从而形成了一个高速的专用网络。s a n 实现了服 务器存储器的整合，极大地提高了存储器的使用效率、降低了系统成本；s a n 实 现了存储网络的集中管理，降低了存储网络的管理成本。提高了管理效率； s a n 多协议路由器是s a n 中极为重要的设备之一，它通过提供f c f c 的路由 服务、f c i p 隧道服务与i s c s i 网关服务，将多个异构的、异地的s a n 连接起来， 实现原有的i t 基础设施在不需要重新投资规划和配置的前提下互相通信；在异构 网络通信时，实现协议的转换。图1 - 5 简单描述了s a n 多协议路由器的功能网络 拓扑图。 s a n 多协议路由器提供的三大服务： f c f c 路由服务： ( 1 ) 实现了s a nf a b r i c 间的无缝连接。在连接不同f a b r i c 时不要求对现有 f a b r i c 的参数做任何修改。同时s a n 多协议路由器的接入不会对正在执行的i o 造 成任何影响。 ( 2 ) 隔离本地和异地的s a nf a b r i c ，极大地提高了容灾系统的数据可用性和 4 第一章引言 系统的可靠性。 ( 3 ) s a n 多协议路由器实现了f a b r i c 间的资源共享，特别是实现了f a b r i c 间 的磁带库的共享。 ( 4 ) 突破了s a n 的2 3 9 台光纤通道交换机f a b r i c 的限度。使得大规模存储 区域网络成为可能。 图l - 5s a n 多协议路由器的功能网络拓扑图 f c i p 隧道服务： ( 1 ) m a n w a ni p 网络中，可靠地延伸s a n 的传输距离，实现跨地区连接和 资源共享，为灾难恢复业务连续性方案提供支持。 ( 2 ) 在容灾系统中使用s a n 多协议路由器可以隔离本地和异地的s a nf a b r i c ， 极大地提高了容灾系统的数据可用性和系统的可靠性。 ( 3 ) 为多点容灾系统的实现提供了一个完美的存储网络架构。 i s c s i 网关服务： ( 1 ) s a n 多协议路由器提供i s c s i 协议到光纤通道协议转换功能，将光纤通 道网络和i p 网络有机地结合起来扩展了s a n 的连接性。 ( 2 ) s a n 多协议路由器提供i s c s i 连接功能，这给低端服务器连接到高端的 s a nf a b r i c 提供了一条行之有效的途径。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 3 国内国际研究现状 光纤通道交换机和s a n 多协议路由器是存储区域网络中的核心设备。目前在 国外，美国的思科和博科是存储交换路由产品的主要研发和生产商，也是光纤通 道相关标准委员会的主要成员，而国内近两年，也出现了一批s a n 设备提供商， 如华赛、同有、创新科等，但目前国内企业大都以磁盘阵列、h b a 卡等为主要产 品。 b r o c a d e 是f c s a n 市场的主导者，其现在存储路由产品有7 5 0 0 扩展交换机、 7 5 0 0 e 扩展交换机、e d g em 3 0 0 0 以及u s d x 。b r o c a d e7 5 0 0 扩展交换机是业界第 一个拥有4g b i t s e c 光纤通道路由功能和由硬件支持的强大的f c i p 转发功能，该交 换机具有1 6 个光纤通道端口( 自适应1 、2 和4 g b i t s e c 端口速率) 和2 个1 g 的以 太网端口。b r o c a d e7 5 0 0 扩展交换机【4 】主要实现了f c f c 路由、i s c s i 以及f c i p 主要功能，这使其能够将现有的s a n 基础设施的功能延伸至企业的各个角落。 b r o c a d e7 5 0 0 e 扩展交换机是b r o c a d e7 5 0 0 扩展交换机的经济版，e d g em 3 0 0 0 提 供了通过i p 或a t m 网络的远程镜像和s a n 互连功能。 在存储网络市场上，思科算是个后来者，但拥有数据路由市场强大的技术基 础，使其很快融入s a n 路由设备市场。目前思科一直在推行i s c s i 标准，如s n 5 4 2 0 存储路由器就拥有i s c s i 功能，同时思科也在进入光纤通道领域，其中s n 5 4 2 8 便 是集成i s c s i 与光纤通道技术的存储路由器。s n 5 4 2 8 t 5 】是业界第一款结合了l p 和 光纤通道交换技术的存储网络平台，它配置2 个千兆以太网端口、8 个光纤通道端 口和管理端口，它支持i p 网络上的光纤通道、千兆以太网和i s c s i 协议。该存储 路由器可支持r f c7 9 1i p v 4 、r f c7 9 3 ，1 3 2 3t c p 、r f c8 9 4i p e t h e m e t 、l 强c1 8 1 2 i p v 4 路由与r f c1 3 2 3 等互联网标准。同时也会支持i e e e8 0 2 3 z 吉比特以太网与 i e e e8 0 2 1 qv l a n 等以太网那个标准。 1 4 本课题的研究目的与意义 在数字化生活的今天，由于每天都会产生大量的数字信息需要存储，而s a n 具有高可靠性、可扩展性等特点，像银行、政府部门、图书馆等部门都逐步部署 了s a n ，分别支持相关应用，满足大数据量的存储需求，以及异地容灾备份的需 要。 但在存储区域网络系统中，随着企业和用户对数据业务存储需求增加，还面 6 第。一章引言 临不少问题。长期以来，用户形成了多个s a n 孤岛。可能每个孤岛用来满足用户 的某项应用，但是就像采用直连存储所造成的信息共享困难一样，各s a n 孤岛之 间的数据也同样无法进行交流。此外光纤通道s a nf a b r i c 缺乏将低端服务器接入 s a n 的手段以及进行远程容灾备份的需求。而s a n 多协议路由器正是基于以上需 要进行研发的。 目前国内还没有研制出s a n 多协议路由器，本文通过对f c 协议族的分析， 根据实现功能与性能需求，制定了s a n 多协议路由器设计方案，并完成f c 0 、f c 1 和f c 2 的硬件设计和测试，为高层软件实现协议转换和数据转发提供基础支持。 本文第二章对f c 协议与p c ie x p r e s s 做了简单的分析，第三章给出了s a n 多协议 路由器的f p g a 设计，第四章给出了整个硬件的开发环境描述，第五章则描述了 测试方案以及测试结果，第六章为全文总结。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章f c 协议与p c ie x p r e s s 总线协议分析 2 1f c ( f i b r ec h a n n e l ) 协议分析 光纤通道实际是一组标准，这些标准定义了进行数据交换的通信设备之间的 物理特性、通信时遵循的协议等。光纤通道标准定义了服务器获存储设备与光纤 通道电缆之间以及交换结构与通道电缆之间连接的接口特性，它也包括了各种设 备之间的通信协议等【1 1 。 2 1 1 光纤通道端口类型及拓扑结构 设备与光纤通道电缆连接处被称为端口，在光纤通道中共定义了五种端口： n 端口是服务器或存储设备上与交换机连接或与其他服务器或存储设备连接 的端口。 l 端口是光纤通道环状结构中，设备与环连接的端口。l 端口又分为两种： n l 端口与f l 端口。n l 端口指服务器或存储设备与环连接的端口，f l 端口指光 纤通道交换机与环连接的端口。 f 端口是光纤通道交换机上与服务器或存储设备连接的端口。它们只能与其他 n 端口连接。 e 端口是光纤通道交换机上与其他光纤通道交换机连接的端口。它只能与其他 e 端口连接。 图2 1 给出五种端口的连接说明。 图2 - 1 光纤通道五种基本端口 8 第二章f c 协议与p c ie x p r e s s 总线协议介绍 在光纤通道的存储系统中，网络拓扑结构分为三种，即点到点直接连接、环 型结构和交换结构。以上是光纤通道的三种常见拓扑结构，其中点到点结构最为 简单，但它只适合两个设备的简单系统。环状结构可以最多容纳1 2 7 个设备，适 合中小型的存储区域网络。而交换结构容许的最大设备数目是6 5 0 0 0 多个，适合 各种大中型存储区域网络【6 1 。图2 2 给出了这三种拓扑结构。 点到点直接连接 n 端口 制 n 端口 l 卜一 交换 n 端i ：ir 结构 一n 端l ：l i 一i _ 一i 环形结构 图2 - 2 光纤通道拓扑结构 2 1 2 光纤通道的协议堆栈 交换结构 通信协议通常是分层结构，底层提供一些基本功能给上层，上层利用底层提供 的功能实现复杂一些的功能，而上层之上的层利用上层提供的功能实现更复杂的 功能。光纤通道的通信协议有五层，分别为f c 0 层、f c 1 层、f c 2 层、f c 3 层 和f c 4 层。图1 - 3 描述了光纤通道协议的层次结构。 f c 0 层定义了物理连接的特性，例如信号速度、电缆种类、通信距离等。f c 1 层定义了传输基本信号的编码、解码方式等。f c 2 层定义了帧格式，数据包传输 协议。f c 3 层目前没有内容，只是为以后扩展预留的层。f c 一4 层定义了不同的上 层协议，例如i p ，s c s i 等映射到光纤通道的方式。 2 1 2 1f c 0 层 f c 0 层是光纤通道协议堆栈的最低层。它定义了物理连接的特性，包括电缆、 连接头、发送和接收器等。在f c 0 层中详细说明了各种介质以及相应的驱动和可 9 电子科技大学硕士学位论文 能的接收速度。f c 0 层又分为介质子层和接口子层，介质子层描述了不同传输介 质的光学和电器特性，以及相应的传输速率和距离范围1 7 1 。目前支持的传输介质主 要有单模光纤( s i n g l em o d e ，s m ) 、多模光纤( m u l t im o d e ，m m ) 、视频电缆( v i d e o c a b l e ，v c ) 和微型电缆( m i n i a t u r ec a b l e ，m i ) 以及屏蔽双绞线( t w i s t e dp a i r ，t p ) 等。目前光纤通道支持的速率为1g b s ，2 g b s ，4 g b s 和8 g b s 。接口子层描述了不 同传输介质的接口规范，及其接口插座的光信号特性。 此外f c 0 层最重要的是提供传输基本二进制0 或1 信号的功能。发送端的 f c 1 层把要发给接收端的0 或1 二进制信号给f c 0 层。发送端的f c 0 层负责把 0 或1 信号再转换成物理的激光信号或者电信号，通过光纤或铜缆传送接收端。接 收端的f c 0 层负责把接收到的激光或电信号转换成0 或1 的二进制信号，再把二 进制信号给f c 1 层。这样发送端和接收端的f c 1 层只需要利用f c 0 层提供的传 输二进制功能，而不需要考虑怎样转换成物理激光或者电信号的问题。 2 1 2 2f c 1 层 f c 0 层向f c 1 层提供了二进制传输功能，f c 1 层利用这个基本功能，实现 传输由8 个二进制位组成的字节的功能。它定义了基本传输信号的编码、解码、 特殊字符和字符级别错误控制等。在f c 协议中，数据的传输采用8 b 1 0 b 编码， 改进信号直流分量平衡和时钟同步问题，提高了信号传输性能。经编码处理后的 字符共有两类，一类是数据字符，一类是控制字符。在f c 1 层中由几个专用字符 组合在一起，并通过字符命令集来表示一定的特殊含义，如：数据帧的定界符、 简单传输请求或通过周期性的交互维持链路传输状态。 在f c 一1 层中，信息数据的传送编码是将1 个字节8 比特转换成1 0 比特的传 输字符，然后再将比特流进行串行传输的。如果在接收端是数据字符，则将1 0 比 特的传输字符转换为8 比特的标准字节，f c 支持所有0 - 2 5 5 的8 比特标准字节； 如果是保留的特殊字符，将不被转换，而直接进行功能处理。 对于上层f c 2 层的1 个数据字节，在f c 1 层中南a ，b ，c ，d ，e ，f ，g ， h 表示，同时由z 表示控制变量，这个信息经过f c 1 的8b 1 0 b 编码转换为1 个 a ，b ，c ，d ，e ， f g ，h ，i ，i 的1 0 比特传输字符。其中每个信息比特表示的值 为1 或0 ，每个控制变量表示的值为d 字符( 数据字符) 或k 字符( 特殊字符) 。每一 个标准的8 比特传输字符，均采用z x x y 的命名法则进行编码转换，其中z 是未 编码的传输字符的控制变量，如果传输字符是有效数据字符，则z = d ；如果传输 1 0 第二章f c 协议与p c ie x p r e s s 总线协议介绍 字符表示特殊字符，则z = k 。小数点前面的x x 表示比特符号e ，d ，c ，b 和a 的二进制值，小数点后的y 表示比特符号h ，g 和f 的二进制值。经过z x x y 命名 转换后的传输字符可以通过编码表获得1 0 比特的传输编码【刀。图2 3 示例了8 位数 据字符5 6 h 对应的d 2 2 2 字符编码命名过程及l o 比特转换过程。 十六进制 5 6 二进制 h gf edcba ololollo edcbah gf l0l10 olo 传输字符 d 2 2 2 abc 8 b 1 0 b 编码abc o1l defgh de if g h j o1o01o1 图2 - 38 b 1 0 b 编码不例 光纤通道协议中只用到一个特殊字符k 2 8 5 ，用来区分传输有用数据和起控制 作用的控制数据。f c 1 层定义了传输字，它由四个字节组成。传输字分为两种： 即数据和有序集( o r d e r e ds e t s ) 【6 1 。它们之间主要区别在于第一个字节，如果第 一个传输字节是k 2 8 5 ，则是有序集传输字，否则是数据传输字。两种传输字的其 余三个字节都是数据字节。 在f c 2 层命令集中的每条命令均由表示数据或专用符号的4 个字符组成，每 条命令均表示一定的含义。命令集提供有效性使获得的比特或字同步，同时命令 集也用于建立字边界对齐。所有命令都以专用字符k 2 8 5 作为开始。在f c 2 层有 帧定界符、原始信号、原始序列三种主要的命令。 帧定界符( f r a m ed e l i m i t e r s ) 帧定界符包括帧开始( s o f ) 和帧结束( e o f ) 命令 集。用于表示一个帧的开始与结束，在交换拓扑和节点瑞口中由多个s o f 和e o f 定界符用于序列控制。例如：典型的s o f 命令为k 2 8 5d 2 1 5d 2 3 0d 2 3 0 、e o f 命 令为k 2 8 5d 2 1 4d 2 1 6d 2 1 6 。一个数据帧由起始分界符( s o f ) 标识数据帧的开 始，由结束分界符( e o f ) 标识数据帧的结束。几种数据帧分界符【8 】如表2 - 1 所示。 原语信号( p r i m i t i v es i g n a l s ) 常用的有两种，即缓冲区的流控制信号原语信号 ( rr d y ) 和空闲字原语信号( i d l e ) 【8 1 。前者用于缓冲区的流量控制，后者用于 在链路上没有信号传输时传输空闲字，保证发送和接收端的同步。如表2 2 所示。 电子科技人学硕士学位论文 原始序列( p r i m i t i v es e q u e n c e s ) 是一组被连续地重复发送的命令集用于表示 节点端口特定的状态或端口逻辑状态。当一个原始序列被节点端口接收或识别节 点端口恢复个相应的原始序列或空闲命令。识别一个原始序列需要连续地检测3 个相同命令集，实例典型的原始序列有f c 1 层的o l s 、n o s 、l r 、l r r 状态命 令，原语序列在光纤通道中一般链路控制、链路维护以及差错检测。常用的原语 序列1 8 j 如表2 - 3 所示。 表2 - 1 数据帧分界符 缩写功能说明开始极性对应有序集 s o f c ls o fc o n n e c tc l a s s1 n e g a t l y e k 2 8 5 - d 2 1 5 - d 2 3 0 - d 2 3 0 s o f i ls o fi n i t i a t ec l a s s1 n e g a t l y e k 2 8 5 - d 21 5 - d 2 3 2 一d 2 3 2 s o f n ls o fn o r m a lc l a s s1 n e g a t l y e k 2 8 5 - d 2 1 5 - d 2 3 1 - d 2 3 1 s o f i 2s o fi n i t i a t ec 1 a s s2 n e g a t l y e k 2 8 5 - d 2 1 5 - d 2 1 2 一d 2 1 2 s o f n 2s o fn o r m a lc l a s s2 n e g a t l v e k 2 8 5 - d 2 1 5 - d 2 1 1 一d 2 1 1 s o f i 3s o fi n i t l a t ec l a s s3 n e g a t l y e k 2 8 5 一d 21 5 一d 2 2 2 一d 2 2 2 s o f n 3s o fn o r m a lc 1 a s s3 n e g a t l y e k 2 8 5 - d 21 5 - d 2 2 1 一d 2 2 1 s o f fs o ff a b r i c n e g a t l y e k 2 8 5 - d 21 5 一d 2 4 2 一d 2 4 2 n e g a t l y e k 2 8 5 - d 2 1 4 一d 2 1 3 一d 2 1 3 e o f te o ft e r m i n a t e p o s i t i v ek 2 8 5 - d 2 1 5 - d 2 1 3 一d 2 1 3 n e g a t i v e k 2 8 5 - d 2 1 4 - d 2 1 6 一d 2 1 6 e o f ne o fn o r m a l p o s i t i v ek 2 8 5 - d 2 1 5 一d 2 1 6 一d 2 1 6 表2 - 2 两种常用的原语信号 缩写功能说明开始极性对应有序集 rr d yr e c e i v e rr e a d y n e g a ti v e k 2 8 5 一d 2 1 4 一d 1 0 2 一d i o 2 i d l ei d l e n e g a ti v e k 2 8 5 - d 2 1 4 - d 2 1 5 一d 2 1 5 表2 - 3 几种常用的原语序列 缩写功能说明开始极性对应有序集 n o sn o to p e r a tio n a l n e g a t i v e k 2 8 5 - d 2 1 2 - d 3 1 5 一d 5 2 o l so f f l i n e n e g a ti v e k 2 8 5 - d 2 1 1 - d 1 0 4 一d 2 1 2 l rl i n kr e s e t n e g a t i v e k 2 8 5 - d 9 2 一d 3 1 5 一d 9 2 l r rl i n kr e s e tr e s p o n s e n e g a ti v e k 2 8 5 - d 2 1 1 - d 3 1 5 - d 9 2 在光纤通道链路能够传输数据帧之前，必须实现链路初始化协议，链路的建 立完成之后，才能传输数据帧与控制帧。链路建立是实际是f c 端口一系列的原语 序列交互过程，当达到激活状态( a c t i v es t a t e ) 完成链路的建立【8 1 ，链路的建立遵 循表2 - 4 所示的状态机。当f c 端口在激活状态时，f c 端口才能收发数据帧，而 在收发数据帧的过程中如果收到原语信号，f c 端口仍然遵循表2 - 4 所示的状态机， 1 2 第二章f c 协议与p c ie x p r e s s 总线协议介绍 进行状态跳转。 f c 端口主要状态： ( 1 ) 激活状态( a c ) 只有当一个端口处在激活状态时，才能传送和接收帧与原语信号。端口完成 链路初始化和链路复位协议时就进入激活状态。 ( 2 ) 链路恢复状态( l r i ，l r 2 和l r 3 ) 由于链路复位协议的作用，端口可以进入到链路恢复状态，用来复位一条链 路。链路恢复状态有三个子状态：l r 发送状态( l r l ) ，l r 接收状态( l r 2 ) 和 l r r 接收状态( l r 3 ) 。 表2 4f c 端口状态机 当前状态 激活链路恢复链路失效离线 a c l r l l r 2l r 3l f ll f 2o l lo l 2o l 3 当前状态需要发送的原语序列 j d i e sl rl r ri d l e so l sn o so l sl rn o s 输入事件下一状态 l r l r 2l r 2l r 2l r 2l r 2l f 2l r 2 l r 2l f 2 l r r l r 3l r 3l r 3l r 3l f ll f 2o l ll r 3 l f 2 i d l e sa cl r la ca cl f ll f 2o l lo l 2o l 3 o l so l 2o l 2o l 2o l 2o l 2o l 2o l 2o l 2 o l 2 n o sl f ll f ll f ll f ll f