（光学工程专业论文）fcae1553协议桥的分析与研究.pdf

摘要 光纤通道( f i b r cc h a n n e l ) 是新一代的网络和数据总线技术，同时，又是一种 能支持多种媒介和连接器件的网络通信协议，它使得在同一物理接口上运行当今 流行的通道标准和网络协议成为可能，光纤通道具有延迟低、兼容性好、可靠性 高，传输速率快、传输距离远等优点。光纤通道协议是一个由若干子协议组合成 的，与o s i 或t c l i p 协议类似，它也具有分层模型 为了适应在航空电子环境的应用，光纤通道提供了一组有关在航空电子环境 中应用的协议子集f g - a e ( f i b e rc h a n n e la v i o n i c se n v i r o n m e n t ) ，规范了在航空环 境中光纤通道交换网络与环路拓扑连接设备的选择。其中f c - a e - 1 5 5 3 作为f c a e 的子协议，定义了f c - a e 对m i l - s t d - 1 5 5 3 的上层协议映射，其目的之一就是允许 利用已安装的m i l - s t d - 1 5 5 3 设备软硬件，通过建立映射而使用熟悉的 m i l - s t d - 1 5 5 3 概念，做到网络的平滑升级，同时也提高了网络的兼容性。 本文首先介绍了光纤通道标准的出台及其发展历程，并对光纤通道的协议结 构、分层模型、分类服务、拓扑结构等，分别做了简单的描述。接着，介绍了f c - a e 与f c - a e - 1 5 5 3 协议草案的标准化进程以及应用背景，其次，从网络单元实体、帧 格式、传输过程等方面深入地分析和比较了f c - a e - 1 5 5 3 协议与传统 m i l - s t d 1 5 5 3 协议，最后，重点集中在f g a b l 5 5 3 协议桥的设计上，通过分析 具体模块给出设计思路、具体的程序流程图、仿真测试结果等，取得了一些成果。 本文中，f c - a f _ ，1 5 5 3 协议桥的设计是一个完全崭新的课题，目前还没有任何 可参考、比较的同类系统，从这个角度来说，是具有一定的新颖性和前瞻性的， 这项研究工作对以今后此类产品的开发有较高的参考价值。 议桥 关键词：光纤通道、f c - a e 、f c - a e - 1 5 5 3 、m i l - s t d - 1 5 5 3 、f c - a e - 1 5 5 3 协 a b 咖d a b s t r a c t n 坨f i b r ec h a n n e lp r o t o c o lj san e wg e n e r a t i o no fn e t w o r ka n dd a t ab u s t e c h n o l o g y ，a n da l s oak i n do fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt h a ts u p p o r t sm a n y k i n d so fm e d i aa n dc o n n e c t o r t h i st e c h n o l o g ym a k e si t p o s s i b l e t h a tt h ep o p u l a r c h a n n e ls t a n d a r da n dt h en e t w o r kp r o t o c o l 舢t h r o u g ht h es a m ep h y s i c a li n t e r f a c e i t h a st h ea d v a n t a g e so fl o wd e l a y ，g o o dc o m p a t i b i l i t y , h i g hr e l i a b f l i t y ，f a s tt r a n s m i s s i o n s p e e d sa n dl o n gt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e f i b e rc h a n n e lp r o t o c o li sac o m b i n a t i o no fa n u m b e ro fs u b - p r o t o c 0 1 s i m i l a rt oo s io rt l 姗p r o t e c o l ，i ta l s of e a t u r e st h el a y e r e d m o d e l i no r d e rt oa d a p tt ot h ea v i o n i c sa p p l i c a t i o n ，t h ef i b e rc h a n n e lp r o v i d e sag r o u po f p r o t o c o ls u b s e t ：f c - a e ( f i b e rc h a n n e la v i o n i c se n v i r o n m e n t ) f c - a e - 1 ，5 5 3a sap a r t o ff c - a e ，h a sd e f i n e dt h em a p p i n go ff c - a et om i l - s t d 1 ，5 5 3u p p e rp r o t o c o l ，i ti s o n eo fi mp u r p o s e st op e r m i ts m o o t hu p g r a d i n gb yu t i l i z i n ga l r e a d yi n s t a l l e dt h e m i l - s t d - 1 ，5 5 3s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，a n dt h r o u g he s t a b l i s h i n gm a p p i n gt o m i l - s t d - 1 ，5 5 3t h u sh e n c ee l e v a t i n gt h en e t w o r kc o m p a t i b i l i t y t h i sa r t i c l ef l 】r s f l yi n t r o d u c e se s t a b l i s h m e n ta n dd e v e l o p m e n to ft h ef i b e rc h a n n e l s t a n d a r d ，a n dg i v e sb r i e fd e s c r i p t i o no ft h ef i b e rc h a n n e lp r o t o c o ls t r u c t u r e ，t h el a y e r e d m o d e l ，t h ec l a s s i f i e ds e r v i c e ，t h et o p o l o g ya n ds oo n a f t e rt h a t , a d v a n c e m e n ta n d a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do ff c - a ea n dt h ef c - a e 一1 5 5 3p r o t o c o ls t a n d a r dd r a f t sa r e i n t r o d u c e d t h e n , f u r t h e ra n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ff c - a e 1 5 5 3p r o t o c o la n d t r a d i t i o n a lm i l - s t d - 1 5 5 3p r o t o c o la r eg i v e ni nt e r m so fn e t w o r ke l e m e n te n t i t y , f r a m e f o r m , t r a n s m i s s i o np r o c e s s f i n a l l y , e m p h a s i sa r ep u to nd e s i g no ff c - a e 1 5 5 3 一b r i d g e ， f o rw h i c hs o m ec o n c l u s i o n sa r eg i v e no u tb ya n a l y z i n gs p e c i f i cm o d u l e ，d e t a i l e d f l o w c h a r t sa n ds i m u l a t i o nt e s tr e , s u i t s i nt h i sa r t i c l e , t h ed e s i g no ff e 二a e 1 5 5 3 - b r i d g ei sat o t a l l yn e ws u b j e c t 。a n dt h e r e i sn or e f e r e n t i a la n dc o m p a r a b l es i m i l a rs y s t e ma tp r e s e n t f r o mt h i sp e r s p e c t i v e , t h e r e s e a r c hf e a t u r e si n n o v a t i o na n df o r e s i g h t , a n de x h i b i t sh i 曲r e f e r e n c ev a l u et o d e v e l o p m e n to fs u c hk i n d o fp r o d u c t si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：f i b r ec h a n n e l 、f c - a e 、f c - a e 一1 5 5 3 、m i l - s t d - 1 5 5 3 、 h i 图表目录 图2 - 1 f c 分层结构 图2 - 2 f c 拓扑结构 图表目录 图2 - 3f c 帧结构 图3 - 1f c - a e 1 5 5 3 网络结构 9 1 2 图3 - 2 典型m ，s 1 ：d 1 5 5 3 总线结构图。1 3 图3 3m i i _ , - s 1 1 5 5 3 消息格式1 4 图4 1f c - a e - 15 5 3 网络到m i l s t d 一1 5 5 3 总线的总体框图2 9 图4 2f c - a e 1 5 5 3 协议桥的基本功能框图3 0 图4 - 3f c - a e 1 5 5 3 协议桥前置处理模块内部功能模块划分3 1 图4 4f c - a e 1 5 5 3 协议桥协议转换模块内部子模块功能模块划分3 2 图4 - 5f c - a e , - 1 5 5 3 协议桥后置处理模块内部功能模块划分3 3 图舢6 有效性判断设计流程图3 5 图4 - 7f c 拙1 5 5 3 协议桥中通信处理的流程图3 7 图4 _ 8 下行模块转换f c a 层帧处理流程图3 8 图4 9 上行模块中命令字的转换设计流程图3 9 图4 加上行模块中状态字的转换设计流程图3 9 图4 - 1 1 n t 的结构图 图4 - 1 2 交换和n 端口注册流程图。4 2 图4 - 1 3 序列处理流程图4 3 图4 - 1 4 接收帧处理流程4 4 图4 - 1 5 内存功能模块图。 图4 - 1 6 仲裁器的程序流程设计图4 6 图4 - 1 7 异步f i f o 结构图 图5 1 仲裁器的状态转换图。 图5 2 输入矢量波形文件。 4 9 5 3 图5 - 3 仲裁器的仿真结果( 单状态) 5 3 图5 - 4 仲裁器的仿真结果5 4 v 图表目录 图5 - 5 异步f i f o 子模块仿真结果。 图5 - 6 上行转换模块仿真结果。 图5 7 下行转换模块仿真结果。 图5 88 b 1 0 b 编码仿真结果 图5 98 b 1 0 b 解码仿真结果 图5 1 0c r c 校验仿真结果 表3 - 1m i l - s t d 1 5 5 3 命令字的基本定义 表3 2m i l - s t d 1 5 5 3 状态字的基本定义 5 4 5 5 。5 6 1 4 贷铂铂 缩略字表 缩略字表 英文全称 a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r di n s t i t u t e a u t o m a t i cr e p e a tr e o u e s t s t o t a g e a r e an e t w o r k n e t w o r k sc o n t r o l l e r n e t w o r k st e r m i n a l i n t e r n a t i o n a lc o m m i t t e ef o ri n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ys t a n d a r d s u p p e r l e v e rp r o t o c o l s t a r to f f r a m e e n do f f r a m e r e m o t ed i r e c tm e m o r ya c c e s s b u sc o n t r o u e r r e m o t ot e m a i n a l b u sm o n i t o r a c k n o w l e d g ec h a r a c t e r i x 中文释义 美国国家标准工会 自动重复请求 存储区域网 网络控制器 网络终端 国家信息技术标准 委员会 上层协议 帧起始标记定界符 帧终止标记定界符 远程直接内存存取 总线控制器 远程终端 总线监视器 确认字符 一一脚渊盯 一 啪湖啷一配盯蹦觚 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： 蝉 日期：唧年皇月哆日 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 盘厂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： 哗 导师签名：皿 日期：叫年岁月哆日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着光纤传输技术、计算机网络通信技术的发展，将光纤应用于飞机飞行控 制系统( 简称飞控系统) 的光传操纵技术也随之发展起来。国外早在二十世纪六 十年代就开始了机载总线的研究。美国研制的机载总线m i l - s t d - 1 5 5 3 a 标准f 1 】受 到美国三军以及其他国家的广泛采用。 m i l - s t d 1 5 5 3 是美国国防部制定的军用数据总线标准，全称是“时分制命令 响应型多路传输机载数据总线”( a i r c r a f t i n t e r n a l e m e d i v i s i o n c o m m a n d r e s p o n s e m u l t i p l e xd a t ab u s ) 。m i l - s t d - 1 5 5 3 a 总线( 以下简称为1 5 5 3 总线) 自二十世纪 七十年代中期标准制订，经历了多次版本修改，1 9 7 8 颁布的m i l - s t d 1 5 5 3 b 标 准为终结版本1 2 l ，已被广泛采用于美国三军的各种武器装备上，成为了军用电子机 动平台领域应用的主要总线规范，有关设计实现可以参考d d c 公司的文档【9 l ，以 及一些会议资料。 由于m i l - s t d 1 5 5 3 b 采用屏蔽双绞线作为传输媒质，随着越来越多的数字航 空系统被综合集成，来自系统外和系统内的电磁干扰、飞机表面和内部的静电放 射以及闪电、电磁脉冲等对这种电传输的数据总线系统的性能的影响会愈加严重。 另外，由于当今航空电子系统的数据传输率提高，传统的1 5 5 3 总线的1 m b s 的速 率已经远远不能满足高速数据传输的要求。基于以上原因，采用光传总线代替电 传成为了必然。 另一方面，随着军用实时处理加数据量的增加，飞机应用的语音、视频业务 逐渐增加，因此需要更大的通信带宽，光纤通道无疑是一种很好的方案。由于有 很多大的商业公司对光纤通道支持。所以，可以花费相对较小的成本就可以把民 用技术转化到军事上，光纤通道是较为合适的替代方案。 在航空电子系统中，大量终端采用m i l - s t d 1 5 5 3 协议，针对m i ls i d 1 5 5 3 协议的测试也很方便。为了提供对旧设备提供必要的支持，因此，新型光传数据 的系统必须兼容原有终端，一种可能的方案就是采用光纤通道作为底层传输介质。 由于f c - a e - 1 5 5 3 协议1 4 1 制定的时间较短，还未形成正式标准。故除了 电子科技大学硕士学位论文 f c - a f , - 1 5 5 3 协议草案本身外，国外相关资料几乎没有。国内从事光纤通道研究机 构主要是高校，其中华中科技大学主要做光纤通道应用在存储区域网( s a n ) 上 研究，而北京航空航天大学主要研究m i j , - s t d 1 5 5 3 总线，以及光纤通道在航空器 中应用。此外，清华大学也做了一些光纤存储网络方面的研究，研究的内容包括 光纤通道拓扑结构，高层协议转换的实现。 作为f c - a e 协议【5 】的一部分，f c - a e 1 5 5 3 协议仍由x 3 t l l 制定，目前， f c - a e - 1 5 5 3 最新的协议草案版本为：0 9 5 ，文档号： 1 1 i 0 6 2 2 9 v 7 1 3 1 ，并且计划于 2 0 0 7 年6 月完成并将颁布最终的正式标准。 f c - a e - 1 5 5 3 定义了m h , - s t d 1 5 5 3 总线协议和f c 高层协议之间的映射关系， 通过f g a b l 5 5 3 ，f c 上就可以执行类似于1 5 5 3 总线上的实时可确定性行为。 1 2 论文研究的内容 论文将对在光纤通道上映射1 5 5 3 总线的技术进行研究，重点是采用时序电路 编程、仿真的手段来研究其核心技术f c - a e , - 1 5 5 3 协议桥的设计方法。 1 3 论文内容的选择依据 首先一点，近年来航电系统的技术更新升级和各种语音、视频等大数据量的 业务需求使得传统1 5 5 3 总线在联机终端数量和总线带宽这两个方面产生了瓶颈， 要突破该瓶颈，g f 入性能卓越的光纤通道技术是一个非常好的选择。 其次，由于1 5 5 3 采用双绞屏蔽线作为传输媒质，来自系统外和系统内的电磁 干扰、电磁脉冲对这种电传输的总线系统的影响越来越严重，采用光传总线代替 电传总线成了必然。 然而，尽管光纤通道协议已经广泛地应用到航空电子系统中，并在许多现役 飞机的电子设备升级换代中使用；但与此同时依然大量存在对低速的1 5 5 3 设备连 接的要求。这样就产生了1 5 5 3 总线与高速光纤通道拓扑同时并存、相互综合的问 题。因此我们需要的是，在保留传统的或者熟悉的网络拓扑和协议的同时获得光 纤通道所提供的高速带宽服务。鉴于此，现阶段我们研究一种既能兼容原有1 5 5 3 终端又能融合光纤通道技术的新型航电系统是非常有必要的。 2 第一章绪论 f c - a e 标准化协议工作组正在开发的f c - a e 协议簇为我们这种需要提供了可 能，而且作为f c - a e 协议之一的f c - a e - 1 5 5 3 规范于2 0 0 4 年的4 月已经制定并在 不断的修改完善，2 0 0 7 年将形成标准，这些协议草案和标准，将是我们研究的根 本依据。 1 4 课题的意义 新颖性：由于f c - a e - 1 5 5 3 协议0 4 年才制定出初稿【4 l ，近年来一直在补充、 修改、完善，至今还未形成正式标准。在国外，除协议本身外的参考文档几乎没 有，在国内，对f c 研究比较多，但大部分是应用在存储区域网( s a n ) 上的，而 对f g a b l 5 5 3 的研究非常少； 现实意义：我们研究的新型航电系统如果能兼容原有的1 5 5 3 终端又能融合 光纤通道技术，则对航电系统的整体更新换代有着重大意义，既保护了原有投资 成本，又能平滑升级而使用最新的技术； 前瞻性：在f c a l 1 5 5 3 草案即将形成正式统一标准前，我们抢占先机，如能 研究、开发出任何一款准f c - a e - 1 5 5 3 产品，那无疑会在日后国内外同类产品的竞 争中处于优势地位。 1 5 内容安排 本文首先分析了国内外f c - a e - 1 5 5 3 协议的发展现状。在此基础上，内容安排 如下； 第二章对光纤通道协议分层结构、网络拓扑结构，帧结构，服务类型等知识 背景做一些介绍。 第三章对f g a e 1 5 5 3 协议进行深入分析，包括：f c - a f ：1 5 5 3 协议的基本原 理、传统m i l - s t d 1 5 5 3 总线与f c - a e - 1 5 5 3 协议的关系、各自特点、映射方式、 f c - a e - 1 5 5 3 网络传输过程等内容； 第四章为f c - a e 1 5 5 3 协议桥的设计问题，通过做系统需求分析来划分主要的 功能模块，并根据各模块特点细化为若干子模块，给出了每个子模块的程序设计 流程图。 第五章是仿真测试，给出其中一个子模块的完整设计和调试过程，使用硬件 3 电子科技大学硕士学位论文 描述语言v c r i l o g 编写出具体的数字时序电路程序，最后得到仿真测试的结果。 第六章全文总结。 1 6 本章小结 本章先介绍了课题研究的背景、研究内容、选择依据，最后给出了本课题的 意义。 4 第二章光纤通道协议概述 2 1 术语定义 第二章光纤通道协议概述 f r a m e ：帧，一个帧包括帧起始符、帧头、可选参数、净荷、校验位、以及帧 结束符。类型有命令帧、数据帧、状态帧以及链路控制帧； p a y l o a d ：净荷，协议定义帧中的数据部分，f c 帧中净荷的一部分用于 f c - a b l 5 5 3 协议扩展帧头； n e t w o r k sc o n t r o l l e r ( n c ) ：网络控制器，在网络上发起信息传输的终端。类似 于1 5 5 3 中的总线控制器b c ： n e t w o r k st e r m i n a l ( b r ) ：由n c 控制的终端； c o m m a n d r e s p o n s e ：命令响应，数据总线系统的工作模式，总线控制器发出 命令，远程终端根据命令作出相应的响应； o r d e rs e t s ：有序集，用k 2 8 5 字符开头的四个字节长字符。有序集合包括帧 界定符号、原语信号等； c o m m a s ：逗号， b i t 串行数据，用于同步，表示发射机正传送控制信息； m o d ec 0 d c ：模式码，为了协助信息流的管理，总线控制器与复用总线相关的 硬件进行通信的一种方式； s e q u e n c e ：序列，一个网络发送的帧组合； s t a t u ss e q u e n c e ：状态序列，总是由b i t 发送。f c - a e - 1 5 5 3 协议帧中消息类型 字段值设定为0 1 1 1 b ，其中消息类型字段为帧中的一部分； c o m m a n ds e q u e n c e ：命令序列，总是由n c 发送，f c - a e - 1 5 5 3 协议中消息类 型字段设定为0 1 1 0 b ； e x c h a n g e ：交换，由几种序列组成的通信过程； b r i d g ei d e n t i f i e r ( b d ) ：f c - a e - 1 5 5 3 中s u b a d d r e s s 的前2 2 位，指定与 m i l - s t d 1 5 5 3 中3 2 个r t 通信的桥设备地址 5 电子科技大学硕士学位论文 2 2 光纤通道( f i b r ec h a n n e l ) 协议介绍 光纤通道( f i b r ec h a n n e l ) 协议介绍：在进入f ( a b l 5 5 3 协议分析之前，先 了解一些f c 协议的基本原理，有助于对f g a b l 5 5 3 协议的分析和理解。 美国国际信息技术标准委员会( 酣c i t s ) 下属的t l l 工作组( 前称：x 3 t 9 3 ) 于1 9 9 8 年开始制定了一种高速串行通信协议：光纤通道协议( f i b r ec h a n n e l p r o t o c 0 1 ) ，该协议将快速可靠的通道技术和灵活的、可扩展的网络技术有机融合 在一起，f c 协议采用通道技术控制信号传输，在共享介质时采用基于仲裁或交换 的信道共享冲突解决机制和基于信用的流量控制策略。f c 的传输速率已经由最初 的1 g b i t s 改进到2 g b i t s ，并正在向1 0 g b i t s 发展 6 1 ，f c 协议发展至今，已经能够 支持很多上层协议和指令集【8 】，例如：1 1 、a t m 、m i l - s t d 1 5 5 3 等协议以及h 1 p p i 、 i p i 、s c s i 等指令集。支持多种物理介质，如光纤和铜缆等。f c 能够实现全双工、 半双工和单工的通信模式。f c 协议的基本特点是：高带宽、高可靠性、低迟延、 灵活的拓扑结构、开放性。 下面从分层结构、拓扑结构、服务类型、基本帧结构等方面分别地简单介绍。 2 2 1f c 分层结构 与o s i 七层模型和t c p n 四层模型类似的，f c 协议也具有分层结构r ”，一共 分为五层：f c 0 、f c l 、f c 2 、f c - 3 、f c 4 ； f c - 0 ：接口与媒体层，用来定义物理链路及特性； f c - 1 ：传输协议层，定义了编码解码方案和字节同步，当前使用m m 公 司的直流平衡8 b 1 0 b 编码方案【1 0 1 1 1 l ； f c - 2 ：帧协议层：定义了光纤通道中使用的传输机制，如：帧格式、节点 之间消息交换的管理、拓扑结构、服务类型等； f c - 3 ：公共服务层，定义一对多的通信功能，和f c - 2 的单一节点端口通信 不同，如果高层应用涉及到多播通信，f c - 3 层将对带宽进行频率发片，以 实现向多个节点通信的功能； f c - 4 ：u l p 映射层，定义高层协议映射到低层协议的方法； 图2 1 比较直观的展示了f c 各层结构，另外从图上还可以看出f c 4 映射层 与上层协议的关系。 6 第二章光纤通道协议概述 r _ 上层协议k ：! 呈暨里：垒! 翌：! ! ! 翌! 婴坠! 垒i 2 2 2f c 拓扑结构 图2 - 1f c 分层结构 光纤通道分为三种拓扑结构：点对点( p o r tt op o r t ) 、仲裁环( a r b i 缸a t e dl o o p ) 、 交换结构( s w i t c h e df a b r i c ) ；在这三种结构中，设备的连接是通过相应的端口进 行的，光纤通道设备具有的端口类型可以分为以下几种：1 ) 节点设备上的端口称 为np o r t ；2 ) 交换机上的端口称为：f ；3 ) 与仲裁环相连的端口为：；por l p o r 4 ) 与交换机相连的端口称为；ep o r t ；5 ) 既能做ep o m 又能做fp o n 的端口称 为：g - p o m 点对点：将两个设备端口np o r t 用连线直接连接起来，就构成了点对点的拓 扑结构；此时设备间就不存在寻址操作了，但同时也限制了双方必须是相同的 数据传输速率和协议标准； 仲裁环：将多个设备通过端口( lp o r t ) 之间的互连，构成一个环状的链路， 根据仲裁环的寻址方式：利用帧头中2 4 位地址中的最后一个字节来寻址，所 以，在不使用交换机和中继器的情况下，最大可链接1 2 7 个端口，为保证各端 口都能对环路访问，采用了一种公平算法( f a i r n e s sm g o f i t h m ) ； 交换结构：通过交换机与各设备的端口相连，形成以交换机为中心的星型结构， 此结构中，交换机负责路由选择、流量控制、差错处理和节点管理等，而且由 于交换机使用了帧结构的2 4 b i t 来寻址，所以，最大能连接2 2 4 个端口； 下面关于这三种结构的拓扑图清楚的描述了各端口之间的连接，注意，其 7 电子科技大学硕士学位论文 于交换机使用了帧结构的2 4 b i t 来寻址，所以，最大能连接2 2 4 个端口； 下面关于这三种结构的拓扑图清楚的描述了各端口之间的连接，注意，其 中交换机上的f 端口没有画出。 悻 黪= o 谬“i 攀 陪；x i l 兰尹一 噻蠡；，。一鬟 f 晶 。 黔一麓 黔 _ 艮p o 嘲一 一 7 l t j o f | l ：兰尸1 ； 1 ； r i j 。 鏖 。i 释”w ll 。l _ p o 吲 7 7 l - p o n f 呷一 翟 图2 - 2 f c 拓扑结构 8 第二章光纤通道协议概述 2 2 3f c 服务类型 根据2 2 1 提到的f c 分层结构，我们可以知道，光纤通道服务类型是由f c - 2 层提供的，f c - 2 一共提供了6 种服务类型，具体如下： 服务类型1 ：是一种面向连接的服务，一旦链路建立了连接，则两边的端口将 使用整个链路带宽来通信，比较适合高速文件传输或者视频信号传输； 服务类型2 ：是一种无连接的带确认的帧交换服务方式，由于不需要在两个设 备间建立连接，所以，数据在传输过程中经过的路径就可能不同，到达接收端 的顺序也可能是无序的，必须重组，而且这种情况下，为了克服丢包现象，还 需建立重传和缓存机制，比较适合c s 架构的低延迟数据交换； 服务类型3 ：是一种无连接无确认的的帧交换服务，通过完全使用缓存机制来 控制数据传输和交换，由于不带确认，这种服务要比类型2 在传输效率、速率 方面要高，它的差错处理、帧丢失是由高层协议处理完成的，非常适合广播和 多播且实时性较强的环境； 服务类型4 ：是服务类型1 和2 的综合； 服务类型5 ：是一种与同步、实时环境相关的服务，目前尚未具体定义； 服务类型6 ：是一种提供和支持通过光纤交换机的多播服务； 以上六种服务类型，最常用的是服务类型3 ，服务类型2 也有较多应用，服务 类型1 由于其复杂性，应用极少。本文所研究的f c - a e 一1 5 5 3 采用的是服务类型3 。 2 2 4 f c 帧结构 光纤通道中，所有的操作都是以帧的形式来定义的，帧的基本格式如图2 3 ： ，r o ，1 1 m j 、 - h # r h 癌tj ，r 叭铂r 、 4 b y t e s2 4 b y t e sm v 2 11 2 b y t e s4 b y t e s4 b y t e s s o f帧头 数据域c r cb o f 1 6 b v t e s3 2 b 慨1 6 0 r 3 2 0 r 6 4 b v t o 3 b v t e g 士 网络 联合 设备有效填充 帧头 帧头 帧头载荷字节 图2 - 3 f c 帧结构 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 3 描述的是f c 的基本帧格式，所有的f c 帧都应该遵循这种基本格式， 一个f c 帧是有帧起始标记定界符( s o f ) 、帧内容、帧终止标记定界符( e o f ) 三个部分组成，其中，帧内容由：帧头、数据域、循环冗余校验码( c r c ) 三部 分组成。另外，数据域中存在可选帧头：网络帧头、联合帧头、设备帧头，这些 可选帧头是提供给f c - 4 层来映射上层协议的，这些帧头如果不使用，则所占全部 字节均由有效载荷使用，值得注意的是：填充字节也是可选的，因此单帧下有效 载荷的最大容量为：2 1 1 2 字节。 2 3 本章小结 本章介绍了光纤通道协议的一些基本原理，例如：分层结构、拓扑结构、服 务类型、帧结构等，为下文f c - a e 1 5 5 3 协议分析提供必要背景知识介绍。 第三章f c - a e - 1 5 5 3 协议分析 第三章f c - a e 1 5 5 3 协议分析 3 1f c - a e 一1 5 5 3 协议介绍 与1 5 5 3 一样，f c a b l 5 5 3 定义了一个命令响应式协议。由于f ( ；a b l 5 5 3 采用了光纤通道技术，所以f c - a e 1 5 5 3 的性能在1 5 5 3 总线的基础上有了很大的 扩展，提供了远远超过传统1 5 5 3 总线的功能。这些扩展能力包括足够使用的终端 数( 2 2 4 ) 、字数( 2 3 2 个3 2 位字) 和子地址数( 2 3 2 ) 。f c - a e - 1 5 5 3 还具备全部由光纤 通道提供的网络协议的优点，允许数据同时在网络和多个网络控制器实体之间进 行传输。f c _ a e 1 5 5 3 也支持将多个1 5 5 3 集成在一个f d a e 1 5 5 3 网络中，而维持 与每条1 5 5 3 总线通信的功能。同时，f c - a b l 5 5 3 支持远程直接内存存取( r d m a ) 功能。除了1 5 5 3 总线上传输的f c - a e - 1 5 5 3 交换( e x c h a n g e ) 使用的是1 6 位的字 外，f d a e 1 5 5 3 中涉及到的字都是3 2 位。 3 1 1f g a e 1 5 5 3 网络组成单元 一个典型的f c - a e - 1 5 5 3 网络中由以下重要元素组成：网络控制器( n c ) 、网 络终端f r o ) 、光纤通道网络自身、f c - a e 1 5 5 3 总线桥、1 5 5 3 总线等 1 ) 网络控制器( n c ) 在f c - a e - 1 5 5 3 网络上发起数据传输的终端，凡是能发起f c - a e - 1 5 5 3 命令帧 的节点都算n c ，类似于1 5 5 3 中的总线控制器b c ，但二者的一个最重大的区别在 于：在一个f c - a f _ - 1 5 5 3 网络中，可能有一个或者多个网络控制器( n c ) ，而1 5 5 3 中只能有一个总线控制器( b c ) ； 2 ) 网络终端( n t ) 在陀a l 1 5 5 3 网络上，能响应n c 发出的命令帧的节点称之为网络终端n t n t 的主要功能是在子系统和光纤通道网络之间进行数据传输； 3 ) m i l - s t d 。1 5 5 3 t o f c _ a b l 5 5 3 协议桥 f c - a e - 1 5 5 3 包括了支持桥接现存1 5 5 3 远程终端偎d 的规定。为了使这种桥 接可行，f c - a f _ , - 1 5 5 3 的命令帧帧头和状态帧帧头包括了对连接的1 5 5 3 远程终端 1 1 电子科技大学硕士学位论文 属性的定义。这种桥就是f c - _ a e - 1 5 5 3 和1 5 5 3 总线之间协议转换的设备，它实现 不同数据格式的控制网络和光纤网络之间数据的转换。通过协议转换桥， f d a l 1 5 5 3 的帧能转换成1 5 5 3 总线能支持的字，1 5 5 3 字能转换成f c a e 1 5 5 3 帧； 4 ) 1 5 5 3 总线 由远程终端r t 和总线控制器b e 组成，其中l i t 属于非控制设备，主要功能 是数据的传输、采集、接收控制命令等；总线控制器b c 主要功能是发起数据传输， 实现数据的流量控制、错误校验等； 一个基本的f c - a e 1 5 5 3 网络就是由上述设备组成的，其中各网络单元连接的 具体方式如图3 - 1 。 图3 - 1f c - a e - 1 5 5 3 网络结构 第三章f c - a e - 1 5 5 3 协议分析 3 1 2m i l - s t d 1 5 5 3 总线介绍 1 5 5 3 总线是m b , - s t d 1 5 5 3 美国军用标准总线【1 1 1 2 l 的简称，采用时分制指令、 响应式多路数据传输协议，已经成为一种在军用和民用都有着相当广泛应用的标 准总线。1 5 5 3 总线的基本构成元素：总线控制器b c 、远程终端r t 、总线监视器 b m 、总线本身，其典型结构如图3 2 所示。 图3 - 2 典型m i l - s t d 1 5 5 3 总线结构图 3 1 2 1m 1 l - s t d 1 5 5 3 消息格式 1 5 5 3 总线协议是基于消息的，数据按消息格式发送。消息包括：由总线控制 器发送的含有路由信息的指令字、1 2 个数据字、以及由远程终端发送的指令接 收确认状态字。总线监视器能够记录1 5 5 3 总线的通信量。协议中定义了多种消息 类型，最常见类型是由总线控制器到某个r t ，或是从某个r t 到总线控制器的数 据传输。从总线控制器到所有r t 或从某个r t 直接到另一个r t 的数据广播方式 较少见。任何时候，总线控制器发送的指令字中都含有信息类型编码。 1 5 5 3 的信息在总线上以双极性曼切斯特码的形式进行传输。1 5 5 3 标准规定， 逻辑1 为前半位正电平，后半位是负电平；逻辑0 与之相反。1 5 5 3 的字有 三类：命令字、数据字和状态字，格式如图3 3 所示 电子科技大学硕士学位论文 b r r t i m e s w d a o 弘r d f 二 二二二二二二互二二二二二二田 1 _ j 1 。，j 一 s y n cd a t ap a r 图3 - 3m i l - s t d 1 5 5 3 消息格式 下面分别就命令字、数据字、状态字的定义来展开描述，至于更详细的定义， 请参考有关标准【1 1 1 2 1 。 ( 1 ) 命令字： 表3 - 1m i l - s t d - 1 5 5 3 命令字的基本定义 命令字是由3 b i t 同步头、5 b i t 远程终端地址字段、1 b i t 发送，接收位、 5 b i t 子地址模式编码字段、5 b i t 数据字计数模式码字段及1 b i t 的奇校验位组成 同步头其格式为一个半比特的高电平后跟一个半比特的低电平 r t 地址每个远程终端都被分配一个唯一地址，当总线控制器欲与某远 程终端通信时，将其发出的命令字的r t 地址设为该远程终端 的地址即可。地址“1 1 1 1 1 ”用作广播地址，此时命令字为所有的 r t 接收 发送接收( t r )每个远程终端都被分配一个唯一地址，当总线控制器欲与某远 程终端通信时，将其发出的命令字的l i t 地址设为该远程终端 的地址即可。地址“1 1 1 1 1 ”用作广播地址，此时命令字为所有的 1 4 薹室 第三章f c - a f _ ：1 5 5 3 协议分析 r t 接收 子地址模式码字示远程终端相连的子系统的地址，通常与数据字计数模式码字 段段合用。一个远程终端通常可以接多个子系统。当该字段为 “0 0 0 0 0 或“1 1 1 1 1 ”时，表示本消息是一个模式命令，否则表示是 数据传输命令 数据字计数模式当子地址模式码不是全o 或全1 时，该字段表示本消息 码中将要传输的数据字的个数，全一0 代表十进制数3 2 。当子地址 ，模式码是“0 0 0 0 0 ”或“1 1 1 1 1 ”时，该字段表示模式码 ( 2 ) 状态字： 表3 - 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