（通信与信息系统专业论文）直通式光纤通道交换机的研究及测试.pdf

摘要 摘要 光纤通道交换机是存储区域网络的核心，它起到连接光纤通道设备和存储设 备及服务器的作用，它是光纤通道组网技术中必不可少的一部分。 光纤通道交换机的交换方式主要分为直通式交换方式和存储转发交换方式两 种。存储转发技术提供较高的可靠性，它接收到一帧后，检测帧的完整性及c r c 校验等差错控制，直通式交换方式是获取到帧的目的地址后就快速转发，不进行 差错校验和恢复，对错误的帧也进行转发，它只适合误码率低的情况。但直通式 交换方式具备更高的速率和更低的延迟，而光纤通道技术采用可靠的硬件以及 8 b l o b 编解码，具有极小的误码率。所以在光纤通道中采用直通式光纤通道交换 方式能发挥出它的优势。 本文的主要工作是设计并实现了直通式光纤通道交换机中的f c 底层协议实现 部分并对其进行仿真和样机测试。 首先使用v e r i l o g 语言编程实现了直通式f c 交换机的f c 底层协议实现部分，f c 底层协议实现部分主要工作体现在f c 协议的f c 1 层和f c 一2 层，采用直通式交换方 式进行数据的转发和传输，采用全交换调度模块对来自不同端口的数据根据查表 结果进行调度。 其次设计n 端口仿真测试模块对f c 底层协议实现部分进行仿真，n 端口仿真测 试模块实现了c r c 校验，流控机制，r d 计算，以及光纤链路帧的产生以及f c 一1 层 和f c 2 层的一些功能，能够进行较为充分的仿真。 最后搭建环境对直通式光纤通道交换机的基本功能进行验证并对其性能进行 测试和分析。 关键词：f c 协议，直通式交换方式，n 端口仿真测试模块，f c 交换机。 a b s t a c t 一一_ 一一 a b s t r a c t f i b e rc h a i l n e ls w i t c hw h i c hi sc o n n e c t e dt of i b e rc h a n n e le q u i p m e n t sa n ds t o r a g e 。q u i p m 锄t sa n ds e r v e r si st h ec o r ee l e m e n to fs t o r a g e a r e an e t w o r ka n dac r u c i a lp a r to f f i b e rc h a n n e ln e t w o r k i n g t h ee x c h a n g i n gm e t h o d so ff i b e rc h a n n e ls w i t c hi n c l u d ec u t t h r o u g ha n ds t o r ea n d f o r w a r dm e m o d s s t o r ea n df o r w a rm e t h o dh a st h ea d v a n t a g eo fh i g hr e l i a b i l i t y , w h e n r e c e i v 证gan e wf l a m e ，i tw i l lv e n f yt h ec o m p l e t e n e s s a n dc h e c k s u mo faf r a m e h o w e v 瓯t h ec u t - t h r o u g he x c h a n g i n gm e t h o dw i l ln o tv e n f y t h ec r c ，b u tj u s tf o r w a r d t h ei n c o m i n gf r a m ew h e no b t a i ni t s d e s t i n a t i o na d d r e s s t h a tm e a n st h ec u t t h r o u g h m e 也o di so n l ys u i 协1 ef o ra l o wb i te r l o rr a t ec h a n n e lb u tw i t hac h a r a c t e r i s t i co fh i g h s d e e do fd a t at r a n s m i s s i o na n dl o wt i m el a t e n c y p l u s ， s i n c et h ef i b e rc h a n n e l t e c h n o l o g yu s e sr e l i a b l eh a r d w a r ea n d8 b 1 0 bc o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o d sw h i c h h a v ev c r yl o wb i te r r o rr a t e s s oi nf i b e rc h a n n e l ，t h eu s a g eo fc u t - t h r o u g he x c h a n g i n g m e t h o dw i l lg r e a ti m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fw h o l e n e t w o r k o u rm a i o rw o r kc o n c e n t r a t eo nd e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h er e a l i z a t i o no ft h e u n d e r l y i n gp r o t o c o lo f f i b e rc h a n n e lp r o t o c o la n dp r o t o t y p et e s t i n g f i r s t j w eh a v ei m p l e m e n t e dt h eu n d e r l y i n gp r o t o c o lo ff i b e rc h a n n e lp r o t o c o lu s i n g v e m o gp r o g r a m m i n gl a n g u a g e m o r es p e c i f i c a l l y , o u rw o r k c e n t r a l i z eo nt h ef c - ll a y e r a n df c 2l a y e ri nt h eu n d e r l y i n gp r o t o c o li m p l e m e n t a t i o no ff cp r o t o c o l m e a n w h i l e ， w eu s ec u t t i n g t h r o u g he x c h a n g i n gm e t h o dt of o r w a ra n dt r a n s p o r td a t aa n ds c h e d u l e d i 触e i l tp o r t so fd a t au s i n gf u l le x c h a n g i n gs c h e d u l em o d e lb a s e do nt h et a b u l a r r e s u l t s s e c o n d ，w ep r o g r a m m e dt h em o d e lo fnp o r ts i m u l a t i o n ，a n d u s e di tt os i m u l a t ef o r 也e 吼d e r l 洫gp r o t o c o li m p l e m e n t a t i o no ff cp r o t o c 0 1 i tc o n t a i n st h ef u n c t i o no f c r c c h e c k s u m f l o wc o n 仃0 1m e c h a l l i s m ，c o m p u t i n go fr d ，t h eg e n e r a t i o n o ff i b e rl i n k f l a m e ，a n do t h e rf u n c t i o n so ff c 一1 ，f c 一2l a y e r a tl a s t w eb u i l dt h et e s t i n ge n v i r o n m e n t o nt h ec u t t h r o u g hf i b r ec h a n n e ls w i t c h e s t ov e n f yt h eb a s i cf u n c t i o n sa n di t sp e r f o r m a n c et e s t i n ga n da n a l y s i s i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：f cp r o t o c o l ，c u t t i n g t h r o u g he x c h a n g i n gm e t h o d ，m o d e lo fnp o r t s i m u l a t i o n ，f cs w i t c h i i i 图目录 图目录 图1 1 光纤通道交换机连接图3 图2 1 点到点的拓扑结构6 图2 2 通过交换单元相连的拓扑结构6 图2 3 环形拓扑结构。6 图2 - 4f c 0 链路8 图2 5 光纤通道8 b 1 0 b 编码1 0 图2 - 6 接收状态机转移图11 图2 7 光纤通道协议的帧格式1 4 图2 8 帧，序列，交换之间的关系1 9 图2 - 9 第一类服务的n 端口注册流程2 0 图2 1 0 第二类服务的n 端口注册流程2 1 图2 1 l 第三类服务的n 端口注册流程2 1 图2 1 2f c 节点的各层次结构2 4 图2 1 3 光纤通路上的i p 结构2 5 图3 1m l 5 5 5 开发板实物图2 7 图3 。2 光纤通道交换机简单网络连接图2 8 图3 3 直通式f c 交换机的总体框图2 9 图3 4f c 底层协议实现部分框图3 0 图3 5 字同步模块与其他模块的连接图3 1 图3 - 6 字同步状态转移图3 2 图3 7 链路建立与维护模块与其他模块之间的连接图3 4 图3 8 链路建立与维护模块内部结构图3 4 图3 9 链路建立和维护的状态转移图。3 5 图3 1 0 帧处理及寻址模块与其他模块的连接图3 7 图3 1 1 帧处理及寻址模块结构图3 8 图3 ，1 2 全交换调度模块与其他模块连接图3 9 图3 。1 3 全交换调度模块整体框图4 0 图3 1 4 去往上层软件的交换调度转移图一4 1 v i i 图目录 图3 1 5 去往1 端口的交换调度状态转移图4 2 图3 1 6 发送调度模块与其他模块的连接图4 3 图3 1 7 发送调度模块总体框图4 4 图3 1 8 发送模块状态转移图。4 4 图3 1 9g t p 模块实现功能框图。4 6 图4 1n 端口仿真测试模块与直通式f c 交换机的数据交互图。4 9 图4 2n 端口仿真测试模块总体框图5 0 图4 3f c 底层协议实现部分与上层d m a 控制的接口5 1 图4 4 发送调度模块结构图5 1 图4 5 帧产生模块结构图5 2 图4 6 字同步模块仿真图。5 3 图4 7 链路建立与维护模块仿真图。5 4 图4 8 链路建立与维护模块仿真图：5 4 图4 9 去往另一端口的帧处理与寻址模块仿真图5 5 图4 1 0 去往上层软件的帧处理与寻址模块仿真图5 6 图4 1 1 全交换调度模块仿真图5 7 图4 1 2 发送调度模块( 链路建立前) 仿真图5 7 图4 1 3 发送调度模块( 链路建立后) 仿真图5 8 图4 1 4 ( 端口1 ) 转发完一帧的流量控制仿真图5 8 图4 1 5 ( 端口1 ) 收到r d y 流量控制仿真图5 9 图5 1 测试环境6 1 图5 2 服务器端初始磁盘信息6 2 图5 3 链路建立及端口登陆注册交互流程在光纤通道测试仪上查看的结果6 3 图5 - 4 设备信息和磁盘信息等信息交互在光纤通道测试仪上查看的结果6 4 图5 5 服务器端在端口交互及信息交互后的磁盘信息6 4 图5 - 6h b a 卡对来自f c 磁盘阵列的磁盘进行读数据的速率测试6 5 图5 7h b a 卡对来自f c 磁盘阵列的磁盘进行写数据的速率测试6 6 图5 8 数据帧端口转发时延的观测6 6 v m 表目录和缩略语表 表目录 表1 1f c 速率类型1 表2 r c t l 路由比特子字段的代表意义1 5 表2 2fc t l 字段各b i t 定义1 6 表2 3 附加报头18 缩略语表 缩略语英文全称中文全称 s c s i s m a l lc o m p u t e rs y s t e m si n t e r f a c e小型计算机系统接口 i s c s ii n t e m e ts m a l lc o m p u t e r s y s t e m si n t e r f a c e 互联网小型计算机系统接 口 f cf i b e rc h a n n e l 光纤通道 h i p p i h i 曲p e r f o r m a n c ep a r a l l e li n t e r f a c e 高性能并行接口 f c pf i b r ec h a n n e lp r o t o c o lf o rs c s i对应小型计算机接口的光 纤通道协议 e s c o n e n t e r p r i s es y s t e r r n sc o n n e c t i o n 管理系统连接 i p ii n d u s t r i a lp r o d u c t i o ni n d e x 工业生产指数 a n s ia m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d si n s t i t u t e美国工业标准 s a n s t o r a g ea r e an e t w o r k 存储区域网络 s b c c s s i n g l eb y t ec o m m a n dc o d es e t单字节命令编码集 i x 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，除了文中特别加以标注和致谢的地 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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 垒圭塑笙 日期：。矿力年彳月z - e l 论文使用授权 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：丝导师签名：三丝垒 日期：2 , o 冈年月7 日 第一章引言 1 1 光纤通道技术介绍 第一章引言 随着信息时代的到来，网络与人们的联系日益紧密，越来越多的人开始使用 网络以便能在信息时代中更好的生活。而随着i n t c r n o t 网络用户的迅猛增加， i n t o r n o t 的访问流量也正在已一种几何级数的形式迅猛增加，所以普通的因特网接 入方式并不能满足人们对于网络速度的要求，而光纤通道技术的出现给这一问题 带来了解决的办法。光纤通道技术作为种新兴技术，可能并不为人所熟知，下 面对光纤通道技术进行一下详细的介绍。 惠普( h p ) ，s u n 和i b m 等公司早在1 9 8 8 年就着手于对光纤通道技术进行实 验和开发、发展至今，光纤通道技术已经发展成为高扩展能力，高速传输速度， 连接距离远，可靠性高和可延伸性好的网络技术，光纤通道技术目前主要应用在 网络存储设备中、高速口数据网、音视频流等多种领域。 光纤通道技术作为s c s i ( d x 计算机系统接口) 技术的继承者，具有许多得天独 厚的优势。 ( 1 ) 传输速率：目前光纤通道技术在介质上传输的常用速率为1 0 6 2 5 g b i t s ，此 速率又称为全速( f u l ls p e e d ) 。除此之外还有该速率的1 2 ，1 4 ，1 8 倍速率，当然也 有该速率的2 倍数据传输速率( 2 1 2 5 g b i t s ) 以及4 倍数据传输速率( 4 2 5 g b i t s ) 。而考 虑至u 8 b 1 0 b 编码以及其他的开销的情况下，在全速的情况下净负荷的传输速率为 1 0 0 m b s 。介质上传输速率与净负荷速率的对应关系如下表所示： 表1 1f c 速率类型 净负荷速率m b s介质上传输速率m b s 1 2 51 3 3 2 52 6 6 5 0 5 3 1 1 0 01 0 6 2 5 2 0 02 1 2 5 4 0 04 2 5 0 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 扩展能力强和灵活的拓扑：光纤通道技术具有很好的扩展性能，相对于s c s i 通道最多只能容纳1 5 个设备的限制，光纤仲裁环路上最多可以容纳1 2 6 个设备， 而交换结构中则可以容纳6 万多个设备。而且因为光纤通道物理连接拓扑结构有 点到点，仲裁环路和分组交换结构等拓扑结构，所以光纤通道设备可以通过光纤 仲裁环路或者交换结构组成存储区域网络。而s c s i 技术则只有点到点的拓扑结构。 由此可见光纤通道技术既具备良好的扩展能力，有具有灵活的拓扑结构。 ( 3 ) 标准的协议映射：光纤通路可以作为多个高层协议的数据传送载体，具有 多种映射方式。如i p 、s c s i 3 、i p i 磁盘、h i p p i 、e s c o n 、单字节通路命令集等。 当然常见的是s c s i 3 的映射，被称为“f c p 。 ( 4 ) 底层控制：本地所进行的操作与全域信息的关系极小，这就代表着，一个 端口几乎不受其他端口的影响。从而使上层的工作量极大的减少。 ( 5 ) 开销很少：由于采用8 b 1 0 b 编码和稳定可靠的硬件使得误码率极低，从而 使光纤通道协议的开销很小，净负荷传输速率较甜1 1 。 1 2f c 交换机介绍 自从光纤通道协议标准被a n s i ( 美国工业标准协议) 提出后，光纤通道技术受 到各方面的了广泛关注。而随着光纤通道设备成本的逐渐降低以及光纤通道技术 高传输速率，高可靠性，低误码率等性能的逐渐体现，人们越来越重视光纤通道 技术。光纤通道技术已经成为实现存储区域网络的必不可少的一部分。而光纤通 道交换机也成为了构成s a n 网络的核心设备，具有重要的地位和作用。 光纤通道交换机是存储区域网络的重要组成部分，它的性能直接影响到整个 存储区域网络的性能。光纤通道技术有灵活的拓扑结构，具有点到点拓扑，交换 结构拓扑和环状拓扑三种。而对于组建网络来说，交换拓扑最为常用。如图1 1 所示，作为交换拓扑中的核心设备光纤通道交换机在交换拓扑中起到连接服务器 与存储设备的作用。 光纤通道交换机将接收到的串行高速传输数据进行串并转换和1 0 b 8 b 解码以 及比特同步和字同步等操作后与和它连接的服务器和存储设备之间建立链路，接 收到数据后查转发表后从相应端口送往相应的设备处。同以太网数据帧一样，光 纤通道设备的数据帧也具备其固定的帧格式并具备其专有的有序集等用于相应的 处理。光纤通道交换机还提供了六类面向连接或无连接的服务。根据不同类型的 服务，光纤通道交换机还具备其相应的端到端或者缓冲区到缓冲区的流量控制机 2 第章引言 制。另外光纤通道变换机还提供了名字服务，时间和别名服务，管理服务等服务 和管理。 砸碰目曙勘圃4 卿i 盟9 图1 - 1 光纤通道交换机连接图 如图1 一l 所示光纤通道交换机可以通过扩展端口与其他光纤通道变换机级联， 从而实现光纤通道网络的扩展。光纤通道交换机的级联用于组建大规模的网络， 但是最多只能级联2 3 9 个。光纤通道交换机的端口数量可分为8 个端口，1 6 个端 口到6 4 个端口甚至更多。其中8 个端口，1 6 个端口的称为入门级交换机，适用于 组建较小的网络。而工作组级交换机通过扩展端口级联能够组成一个较大的网络。 工作纽级交换机通常指1 6 个端口到6 4 个端口的光纤通道交换机。应用于大型s a n 网络中的核心级f c 交换机则具有更多的端口。同时光纤通道交换机还具备各种传 输速率，其中较为常用的为1 0 6 2 5 g b i t s ，当然随着光纤通道技术的发展，2 g ，4 g 甚至更高速率的光纤通道交换机也随之出现口 。 1 3 国内外研究 从光纤通道协议的提出至今已经有1 0 多年了，存储市场目前正处于蓬勃发展 阶段，国外的存储产品制造商目前主要有b r o c a d e ，c i s e o ，q i o g i c ，e m c ，l i p ，m m ， e m u l e x 等。 存储设备主要有光纤通道适配器简称为h b a 卡，光纤通道磁盘阵列光纤通 形吖一 电子科技大学硕士学位论文 道交换机和路由器等。 光纤通道适配器主要生成厂商为q l o g i c ，e m u l e u x 等。而q l o g i c 一直处于领 先地位。根据d e l lo r og r o u p 最新数据显示h b a 卡市场领域内o l o g i c 仍遥遥领先， 占据最高的市场份额。市场占有率达到5 4 4 【3 1 。 光纤通道交换机作为s a n 的核心设备，更是各厂商研究和开发的重点。而光 纤通道交换机这一市场b r o c a d e 无疑是首屈一指，市场占有率超过5 0 。 下面介绍几款b r o c a d e 的交换机： b r o c a d es i l k w o r m2 0 0 e 为入门级光纤通道交换机，可实现自适应的1 g b i t s ， 2 g b i t s ，4 g b i t s 光纤通道速率【4 1 。 b r o c a d es i l k w o r m3 0 0 e 具有8 2 4 个端口，可实现自适应的1 g b i t s ，2 g b i t s ， 4 g b i t s ，8 g b i t s 的光纤通道速率。 b r o e a d e5 3 0 0 采用2 u 机架架构端口最多可扩展至8 0 个。属于企业级光纤通 道交换机。可配置成4 8 ，6 4 ，8 0 个端口。可实现自适应1 g b i t s ，2 g b i t s ，4 g b i t s ， 8 g b i t s 的光纤通道速率。 今年2 月份q l o g i c 携手h p 推出5 8 0 0 v ，5 8 0 2 系列堆叠式8 g 光纤通道交换 机。今年3 月q l o g i c 与e m c 合作，由e m c 精选计划销售5 8 0 0 v ，5 8 0 2 系列堆 叠式8 g 光纤通道交换机。5 8 0 0 v ，5 8 0 2 系列光纤通道交换机采用堆叠式与其他交 换机连接，其中堆叠带宽为1 0 g b i t s 并可随时升级到2 0 g b i t s ，具有2 4 个端口， 其中2 0 个是用户端口，4 个高速1 0 g b i t s ( 或者2 0 g b i t s ) 的光纤通道接口。通过可 堆叠的i s l ( i n t e r - s w i t c hl i n k ) 技术使高速率，高性能的光纤通道交换机相连接，通 过8 g b i t s 的f c 接口与光纤通道设备相连【5 】。 国内在存储区域网络这一领域中的目前还属于空白，很多相关技术正处于研 究阶段，并没有较为成熟的产品。 1 4 本课题的研究目的与意义 在网络无时无刻不充斥着我们的生活和工作的的今天，高速率和大容量的网 络逐渐为人们所追求，而随着光纤通道技术的发展，这一问题得以解决。光纤通 道技术能够实现高速率的数据传输，也可以应用于存储区域网络中，进行大容量 的容灾备份。而为了组建存储区域网络，光纤通道交换机是必不可少的，它是连 接光纤通道设备的交换单元，是存储区域网络的核心，所以光纤通道交换机的性 能会对存储区域网络有很大的影响，为了保证良好的通信环境，高速的，低延迟 4 第一章引言 以及高吞吐率的光纤通道交换机就显得尤为重要。而直通式交换方式恰具有高速 低延迟和高吞吐率的性能，直通式交换方式又称为快速转发方式，收到帧的目的 地址就立即转发帧。目前国内还处于对光纤通道交换机等相关技术进行研究的阶 段，所以对具有高性能的直通式交换方式的研究具有重要意义。 本文的内容如下，第二章首先对光纤通道协议进行了介绍。第三章描述了直 通式交换方式下直通式光纤通道交换机的设计与实现。第四章介绍n 端口仿真测 试模块的设计及其对直通式光纤通道交换机的仿真测试。第五章对直通式f c 交换 机进行了测试。 电子科技大学硕士学位论文 2 1f c 协议介绍 第二章f c 协议分析 f c 协议是由美国工业标准协会a n s i 提出的协议标准，当今国内外的各光纤 通道设备制造商所开发的各种产品也都是参照光纤通道a n s i 标准。光纤通道网络 拓扑结构有3 种，如图2 1 ，图2 2 ，图2 3 所示： 图2 - 1 点到点的拓扑结构 图2 2 通过交换单元相连的拓扑结构 图2 - 3 环形拓扑结构 6 第二章f c 协议分析 上图节点指的是各种存储设备，服务器等。 f c 协议定义了以下几种端口类型： n 端口：点到点拓扑中两个节点相连接的端口以及通过交换单元相连的拓 扑结构中节点上与交换单元相连接的端口。 l 端口：光纤通道环状结构中，设备之间相连接的端口。l 端口根据连接 的对象不同又可以分为两种，即n l 端口与f l 端口。 n l 端口是指节点与节点之间通过环状结构拓扑相连接的端口。 f l 端口是指光纤通道交换单元上与节点通过环状结构相连的端口。 f 端口是f c 交换单元上与节点相连接的端口，与他相连接的端口只能是 n 端口。 e 端口是f c 交换单元之间连接的端口，e 端口只能与e 端口相连接【6 】。 通信协议往往划分为多层，这称为通信协议栈，如同o s i 模型将网络体系结 构划分为物理层，数据链路层，网络层，传输层会话层，表示层，应用层7 层结 构。光纤通道协议栈也划分为5 层： f c 0 层：f c 0 层是物理链路层，它介绍了传输的介质，以及物理接口， 以及物理层的传输速率，其实现还应包括发射机和接收机。 f c 1 层：为传输协议层，完成了8 b 1 0 b 编解码，字同步，链路建立与维 护，下层流量控制和监控及检错的功能。 f c 2 层：又称为信令协议层是最为复杂的一层，它提供了多种服务类别 如d a s s l ，d a s s 2 ，d a s s 3 ，c l a s s 4 ，混合，d a s s 6 。并进行数据的分段重组，以及用 于协调不同端口之间通信的登录，注册服务。 f c 3 层：f c 3 目前还没有给出明确的定义，用于未来发展后整个体系结 构的扩展。 f c - 4 层：用于完成与上层协议的映射，这些上层协议包括v i a ，s c s i ， i p ，s b c c s ，a t m aa l 5 ，h d p i ，i p i 3 等。 2 2f c 0 层介绍 f c 0 层是光纤通道协议的最底层，也是光纤通道结构中的物理链路层。它具 有很大的灵活性。f c 0 层描述的是由一对光纤以及发射机和接收机所组成的一个 双向的链路。最简单的配置如图2 4 所示： 其中t x 为发送接口，r x 为接收接口，从一个端口的发射机出来的数据经过 7 电子科技大学硕士学位论文 外出光纤，进入光纤到达另一端口的接收机。 t xt x r xr x 图2 4 f c - 0 链路 上图所示只是最简单的配置，当然也可以通过交换设备将多个端口连接起来。 在发送端f c 0 层将f c 1 层传送的l o b i t 编码进行并串转换后转换成串行传 输信号后经e o 转换器或电信路驱动器后通过t x 端口( 发送端口) 发送出去后， 经过光或电缆线路传输到另一端。在接收端f c 0 层将接收到的数据进行数字化和 串并转换，将重定时的1 0 b i t 编码送往f c 1 层。， f c 0 层阐释了各种可供使用的介质。其中单模光纤，多模光纤用作长距离传 输的，同轴电缆和双绞线等用作短距离传输。 f c 0 层也规定了传输数据的速率，其中最常见的为1 0 6 2 5 g b i t s ，除此之外还 有该速率的1 2 ，1 4 ，1 8 倍速率，当然也该速率的2 倍数据传输速率( 2 1 2 5 g b i t s ) 以及4 倍数据传输速率( 4 2 5 g b i t s ) 。不过这里需要说明的是双绞线和同轴电缆最高 不能以超过1 0 6 2 5 g b i t s 的速率运行。也就是说2 1 2 5 g b i t s 以及4 2 5 g b i t s 的速率 下必须使用光纤，而如1 4 倍及1 8 倍速率下使用光纤就比较浪费了。所以该使用 何种介质要需视具体情况而定。 f c 0 层的实现还应该包含一台与输出光纤相连接的发射机和一台与输入光纤 相连接的接收机。其中接收机必须总是工作在工作状态，而发送机则具有4 种工 作状态： ( 1 ) 激活( 能够传送比特从而下载到f c 一1 层) ； ( 2 ) 去激活( 关断或者连续传送二进制0 ) ； ( 3 ) 转变( 加热或冷却这取决于媒介和工作) ； ( 4 ) 失效( 无法工作) ； 接收机的作用是将接收的的信号转换为重定时的1 0 b i t 字符，向f c 一1 层提供同 步的字节【7 】。 8 第二章f c 协议分析 2 3f c 1 层介绍 2 3 1f c 1 层功能 f c 1 层中包括了8 b 1 0 b 编解码以及字节和4 字节之间的复用和解复用以及监控 和检错等功能。8 b 1 0 b 编解码过程中进行8 b i t 字节“数据字符和1 0 b i t “特殊字符” 之间的转换，而特殊字符和数据字符统称为传送字符。传送字符的某些组合称为 有序集。有序集包括4 个传输字符，现在有3 种有序集分别为帧定界符和原语信号 以及原语序列。除了8 b 1 0 b 编解码外f c 1 层还包含了对“发射机 和“接收机”的 定义。 2 3 28 b 1 0 b 编码 所i 胃8 b 1 0 b 编码从直观上来说就是信息在光纤通道上进行传输，应将1 个字节 的8 b i t 字符编码成1 0 比特进行传输。而引入这种机制的根本目的是获得“直流平衡 ( d cb a l a n c e ) 和有界的不均等性( b o u n d e dd i s p a r i t y ) ，以及提供足够的状态变化，以 便合理的时钟恢复。当高速串行流的逻辑1 或逻辑0 有多个b i t 位没有产生变化时， 信号的转换就会因为电压位阶的关系而造成信号错误，直流平衡的最大好处便是 可以克服以上问题。而所谓的有界的不均等性是指8 b 1 0 b 编码中1 0 b i t 编码中逻辑o 和逻辑1 的b i t 数只有以下的固定的3 种情况： 10 b i t 中有5 个逻辑1 和5 个逻辑o ； 1 0 b i t 中有6 个逻辑0 和4 个逻辑l ； 10 b i t 中有4 个逻辑0 和6 个逻辑l ； 而不均等性( d i s p a r i t y ) 是指逻辑1 和逻辑0 的位数差异。如上面3 种情况所示 d i s p a r i t y 就对应3 种值0 、一2 、+ 2 。 该编码最先是在1 9 8 3 年由a 1w i d m e r 和p e t e r f r a n a s z e k 在i b m 的研究与发展杂 志上描述的，i b m 在第二年发布了对于该编码的专利。 8 b 1 0 b 编码将数据字节或特殊字节转换为传送字符是把低5 位数据分为6 位组 ( 5 b 6 b ) 部分和高3 位数据编码成一个4 位组( 3 b 4 b ) 部分，这些代码组串联在一起形成 了1 0 位符号。 在8 b 1 0 b 编码中，对于一个8 b i t 传输字符人们往往习惯将其写成z x x y 的形 式，其中如果传输的字符为数据字符则z = d ，如果传输的字符为特殊字符则z = k ， 9 电子科技大学硕士学位论文 其中x x 代表低5 位数据分为6 位组( 5 b 6 b ) 部分，而y 代表高3 位数据编码成一个 4 位组( 3 b 4 b ) 部分。对于8 比特数据我们用它在表中的位序为h ，g ，f ，e ，d ， c ，b ，a ，即h 为最高位，a 为最低位，x x 即为e ，d ，c ，b ，a 经过5 b 6 b 编 码后编码为a ，b ，c ，d ，e ，i 。y 即为h g f 经过3 b 4 b 编码后编码为f ，g ，h ，j 。 传送1 0 b i t 编码的顺序为a ，b ，c ，d ，e ，i ，f ，g ，h ，j 。 经过z x x y 命名转换后的传输字符可以通过查8 b 1 0 b 编码表分别查出5 b 6 b 部 分和3 b 4 b 部分，最后得1 0 b i t 编码。下图介绍了8 b i t 的1 6 进制数据9 c 的1 0 b i t 编码【s 】。 位 传洵i 哽| 芋 8 斟1 0 b 2 3 3f c 1 层接收状态机 abcdefgh abcdeifgh j 001 1 1 100 1 l 10 0 0 011 0l ( r 阱 图2 - 5 光纤通道8 b 1 0 b 编码 在光纤通道结构中，f c 0 层负责接收和发送比特流，f c l 层负责使来自f c 0 的比特流字同步并且之后都以字的形式进行传输。所以需要提供f c 1 接收机来实 现字同步。f c 1 接收机的状态转移图的各状态如下： a ) 失步状态； b ) 没有检测到无效的传输字状态； c ) 检测到第一个无效的传输字状态； m 检测到第二个无效的传输字状态； e ) 检测到第三个无效的传输字状态； f ) 复位状态； 其中没有检测到无效的传输字状态，检测到第一个无效的传输字状态，检测 1 0 鬻 第二章f c 协议分析 到第二个无效的传输字状态，检测到第3 个无效的传输字状态都为获得字同步状 态的子状态。 f c 1 层接收状态机的状态转移条件如下： a ) 条件1 ：电源加电； b ) 条件2 ：获得字同步； c ) 条件3 ：检测到一个无效的传输字； d ) 条件4 ：检测到信号丢失情况； e ) 条件5 ：连续检测到2 个有效的传输字； f ) 条件6 ：接收机复位； 曲条件7 ：退出接收机复位条件； 接收机可分为操作状态和非操作状态，当接收机为可操作状态时，它应该工 作在失步状态或者获得字同步的子状态。 f c 1 层接收状态机状态转移图如下： 图2 - 6 接收状态机转移图 电子科技大学硕士学位论文 2 3 4 有序集 有序集是由4 个字节组成的传输字。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。特殊字符k 2 8 5 用于有序集的第一个字 节，特殊字符k 2 8 5 后面的3 个字符用代表的是传送的是何种控制信息。k 2 8 5 同时又是区分有序集传输字和数据传输字的标志，即若第一个字节为k 2 8 5 即为 有序集传输字。有如下几种有序集： 1 帧定界符 帧定界符根据定界的位置不同又可以分为帧起始定界符( s o f 定界符) 和帧 结束定界符( e o f 定界符) 。s o f 定界符是存在于帧内容之前的有序集，s o f 定 界符根据用于的服务和功能的不同又分为： 用于第一类服务s o f 定界符： ( 1 ) 请求第一类专线服务的s o f e l 。 ( 2 ) 用于s o f c l 起始的专线连接的第一个序列的s o f i l 。 ( 3 ) 用于第一类服务序列的第一帧之外的所有帧的s o f n l 。 用于第二类服务的s o f 定界符： ( 1 ) 用于第二类服务序列第一帧的s o f i 2 。 ( 2 ) 用于第二类服务序列的第一帧之外的s o f n 2 。 用于第三类服务的s o f 定界符： ( 1 ) 用于第三类服务序列第一帧的s o f i 3 。 ( 2 ) 用于第三类服务序列第一帧之外的所有帧的s o f n 3 。 用于第四类服务的s o f 定界符： ( 1 ) 用来将第四类服务激活使其转入到活动状态的s o f t 4 。 ( 2 ) 用于第四类服务开始序列的第一帧的s o f i 4 。 ( 3 ) 用于第四类服务开始序列之外所有帧的s o f n 4 。 用于交换单元之间通信的帧定界符s o f f o e o f 定界符又分为： e o f n - 作为有效的数据帧，a c k 以及b s y 等结束的标志。 e o f t ：作为与s e qi d 相关的一系列序列传送结束的标志。 e o f d - 第一类和第4 类服务中取消专线连接的序列最后一个数据帧借宿 的标志。 e o f r t - 在a c k ，b s y ，r j t 中“e o f 取消终止 传送到第4 类序列的最 1 2 第二章f c 协议分析 后一个数据帧以去掉整个第4 类电路。 e o f n i ，e o f d t i ，e o f r t i 表示传输的帧的内容存在错误。 e o f a ：通过n 端口或者f 端口表达个内部故障。 2 原语信号 原语信号包括i d l e 信号和rr d y 信号，rr d y 信号用于缓冲区到缓冲区的 流控机制，用来说明链路以及缓冲区已经准备好可以可以接收下一帧。n 端口传 送的帧与帧之间的间隔至少为6 个原语信号，在这期间可以发送rr d y 信号。需 要说明的是rr d y 信号不适用于第一类服务。 i d l e 信号又称为空闲信号，在链路上不传送帧，rr d y 以及原语序列时传送， 用来表示端口链路已经准备好。 3 原语序列 原语序列主要用于链路的维护与建立或者用于环状拓扑中使能或者旁路环状 拓扑结构中的端口。原语序列在实际应用中还与拓扑结构有关。识别一个原语序 列必须连续检测到至少3 个相同的有序集，在他们之间不能有任何别的的传送字。 在交换结构中包括以下四种原语序列： n o s ：不可操作原语序列，说明一个端口正处在链路无效的情况下或者处 于离线情况。 o l s 离线原语序列，说明一个端口正处于离线状态，在线到离线协议中 规定了至少要传送o l s 原语序列5 m s 。 l r - 链路复位原语序列，表明正在进行链路复位协议建立链路初始化， 或存在链路超时，需要链路复位。 l r r ：链路复位响应，它是对l r 原语序列的响应，用于恢复链路。 环状结构中包含以下原语序列： l i p ：使环状拓扑结构上的端口启动。 l p b ：使环状拓扑结构上的端口旁路。 l p e ：使环状拓扑结构上的旁路端口使能【9 】。 2 4f c 2 层 2 4 1f c 2 层功能介绍 在光纤通道协议中f c 2 层属于较为复杂的一部分，很多的功能都在这层实现。 电子科技大