航空電子系統光纖通道性能研究

張慶松

(中國電子科技集團公司第三十二研究所， 上海 201800)

航空電子系統光纖通道性能研究

張慶松

(中國電子科技集團公司第三十二研究所， 上海 201800)

對光纖通道(fiber channel,FC)用于航空電子系統互連時的網絡性能進行了研究，介紹了FC的特性、分層結構、幀格式等，通過對FC網絡的誤碼率、容錯性、吞吐量及延遲等性能測試的結果進行對比和分析。實驗結果表明：FC在大數據傳輸時具有低誤碼率、強容錯性、高吞吐量、低延遲、強實時性等特性，適合在航空電子互連系統中使用。

航空電子；網絡；光纖通道；性能測試

大數據時代的當下，信息數據量越來越大，從而對外部存儲設備的傳輸速率要求也越來越高，為了能更高速地存取大數據，一種高速數據網絡孕育而生，即存儲區域網絡(SAN)。針對SAN網絡提出了一種核心網絡總線技術——光纖通道(fibre channel，以下簡稱FC)。

FC網絡的低誤碼率、強容錯性、高吞吐量、低延遲等特性及其開放標準已得到業屆大多數商家的認同和支持，其出色的性能使其逐漸成為未來航空電子系統互聯的商業標準。而機載、艦載等軍工領域設備的工作環境較為惡劣，對容錯性和可靠性要求較高，FC作為未來航空電子系統互連網絡完美地承載了這些商業需求，其在安全性、容錯能力、可靠性及其他性能方面的優勢使其實至名歸，成為航空電子系統領域的不二選擇。本文正是對其進行性能和可靠性等方面的測試與分析，得出以上結論[1-6]。

網絡性能測試是指通過一些標準的商業測試網絡分析儀或自動化測試平臺對待測網絡設備進行各項性能指標的壓力和性能進行測試，并利用一些科學的測試方法和測試手段對數據進行分析運算，得出最終的測試結果。從航空電子互連系統的使用環境和實際需求出發，FC網絡性能測試中主要的技術指標有誤碼率、容錯性、吞吐量和傳輸延遲等，因此本文著重從這幾個方面進行測試和分析研究。

1 光纖通道協議介紹與分析

1.1 光纖通道特性

高帶寬：串行傳輸速率由最初的1 Gbit/s發展到4 Gbit/s、8 Gbit/s、16 Gbit/s、32 Gbit/s甚至更高。多媒介：以光纖、銅纜或屏蔽雙絞線為傳輸介質。長距離：低成本的銅纜有效傳輸距離約為幾十米，而光纖有效傳輸距離為0.5～10 km。

高可靠性：32位CRC校驗，8B/10B編解碼，以及不同的報文采用不同的優先級策略提高了數據的完整性和高可靠性，傳輸誤碼率低于10-12。強實時性：端到端的傳輸延遲低于10 μs。

可擴展性：能將高層的SCSI、IP和ATM等協議映射到光線通道上，其物理通道上可供多種網絡協議使用，同時減少了物理器件與附加設備，降低了經濟成本。

1.2 光纖通道分層結構

光纖通道FC協議是一個5層協議從FC0～FC4，類似于OSI的七層模型結構和TCP/IP的4層模型結構，各層完成的主要功能如下：

FC0層：接口與媒介層，定義了數據的傳輸介質的物理特性；

FC1層：傳輸協議層，8B/10B編解碼及差錯控制；

FC2層：鏈路控制層，幀結構定義、服務類型定義、及流量控制說明等

FC3層：通用服務層，提供一系列服務，但較少用到；

FC4層：協議映射層，提供了上層協議到光纖通道的映射。

1.3 光纖通道拓撲結構

常見的3種拓撲結構：

點對點：兩個設備間進行直連通信；

仲裁環：任何時刻只有一對端口在進行通訊，且是在獲得仲裁允許的情況下；

交換式：同一時刻允許多個設備進行高速通信。

1.4 光纖通道端口類型

N端口：存在于光纖通道HBA端點中，是整個FC網絡的起點和入口；

F端口：存在于光纖通道交換機中，是FC網絡中數據的中轉者；

L端口：存在于光纖通道環網中；

FL端口：存在于交換機上，實現交換網絡級聯。

1.5 光纖通道數據單元

FC協議定義了3種協議數據單元：幀(Frame)、序列(Sequence)和交換(Exchange)；它們之間的關系如圖1所示。

圖1 FC數據單元關系

序列是單向傳送的，是由一個N端口向另一個N端口單向傳送的一個或多個相關的幀構成；交換則由一個或多個非并發的序列組成，既可以是單向的也可以是雙向的；也就是說，單向的單幀或多幀組成一個序列，單向或雙向的序列組成一次交換。

1.6 FC幀格式

每個數據幀包括幀開始分隔符(4字節)、幀頭(固定24字節)、可選幀頭(可操作服務頭)、有效載荷(0～2 112字節，可變)、CRC校驗(4字節)以及幀結束分隔符(4字節)。

FC幀格式如圖2所示。

圖2 FC幀格式

幀起始定界符標識幀的起始位，SOF幀代表服務類型，長度為4字節；幀頭中包括路由控制、幀類別控制、幀控制、序列管理等字段，長度為24字節；數據區間由可選幀頭和有效載荷組成，長度為0～2 112字節。CRC檢驗又稱循環冗余校驗，驗證FC幀的數據完整性，長度為4字節；幀終止定界符標識幀結束，長度為4字節。

2 性能測試介紹與分析

使用JDSU公司(原Finisa公司)提供的XGIG光纖通道協議分析儀和Maestro測試軟件進行BERT、Jammer、Load Testing等性能測試。

JDSU XGIG 10G網絡分析儀是一種多功能、具有最新技術水平解決方案的網絡測試分析設備，用于監控和分析各種存儲協議的實時流量。XGIG結合了一套綜合性分析軟件，是一種獨特的平臺，具有高級的多協議、多應用和多通道測試功能，可供用戶對高速存儲和組網應用進行故障排除。

XGIG能對網絡損傷進行快速解析，而且具有多種功能，可以在性能損害導致關鍵應用和數據訪問損失前主動進行防御。XGIG能以最大線路速率捕獲100%的流量，在所有協議層和分層幀內的任何地方通過觸動啟動，而且具有廣泛的捕獲后自動專業分析功能。因此，XGIG能讓用戶獲得所需的深度可視性，從而對應用進行設計和測試，對網絡性能進行監控并保證系統可靠性。

XGIG光纖通道分析儀能夠針對光纖信道提供快速、精確的全方位測試分析方案，可精確地測試誤碼率，確保光纖通道中的數據傳輸穩定性及網絡整體性能。

2.1 BERT測試

BERT (bit error rate testing)誤碼率測試指單位時間內所傳數據中出現誤碼情況的概率，它是衡量數據傳輸精度的一個重要指標。在以太網網絡中，可接受的誤碼率數量級在10-10，而在光線通道網絡中，要求更高一些，一般可接受的誤碼率在10-12以上。

下面對FC交換機(待測設備)進行誤碼率測試，BERT配置界面及測試結果查詢如圖3所示。

圖3 BERT配置界面及測試結果查詢

測試方法：通過隨機數產生不同的數據幀，并同步插入idle幀，驗證待測設備對隨機變化的幀的誤碼率，DUT的測試端口需要設置成還回模式(loopback)。

通過測試結果可見：FC網絡的誤碼率小于10-12，遠小于以太網交換中的誤碼率，可見其對外界干擾和信號畸變的抗干擾能力較強，如噪聲、交流電和閃電造成的脈沖干擾，其數據傳輸精確性很高。FC網絡具有可靠的數據傳輸特性很好地滿足了未來航空電子系統互連的要求。

2.2 Jammer測試(誤碼注入測試)

端點卡(HBA)持續發送數據流，FC分析儀通過誤碼注入工具對數據幀進行幀修改，再通過分析儀抓包分析，檢查數據流在傳輸過程中是被正常轉發或被修改后再轉發，最后確認待測設備對修改后的錯報是否能正確處理。為便于調試和定位問題，通常需要待測設備提供一些Debug命令來幫助查看數據流是否有中斷、重傳等情況。在此測試過程中，FC網絡分析儀不產生任何報文，只負責修改報文，Jammer測試一般用于容錯性和健壯性測試。Jammer測試拓撲如圖4所示。

圖4 Jammer測試拓撲

分析儀配置如圖5所示。

圖5 Jammer測試配置

配置Jammer及SOF、CRC、EOF Error，采用故障注入的方式模擬了數據幀中SOF、Header、Payload、CRC、EOF等字段的各種錯誤，仿真了FC-AE總線通信過程中的瞬時故障、間隙故障和永久性故障，實現了對光纖通道協議一致性測試。

TraceControl提供了綜合流量庫，它具有預定義和自定義幀、有序集合及錯誤的模板，可以確定追蹤捕獲發生的特定條件和序列，TraceControl具有一套獨特而強大的調試和分析功能，包括對事件進行分類，以確定性能、上層協議以及邏輯層和物理層的問題。

通過抓包分析可以看到：所有數據幀都按照要求進行了修改，“錯誤”的報文一并被發送到待測設備上。通過測試結果分析可得：待測設備是否能對所有錯包進行相應規則的處理，從而分析得出待測設備的容錯性和健壯性是否符合客戶需求，有助于開發人員更快、更高效地對FC網絡進行開發和調試。

2.3 Load Testing性能測試

Load Testing是測試待測設備在不丟包的前提下，在單位時間內所能轉發的最大數據量，通過二分查找算法找到一個轉發包的數量極限，即在不丟包前提下的最大速率，從而測出不同幀長對應的吞吐量。

延遲測試是在發送報文字段上打上一個時間戳，在接受報文時解開時間戳并計算時延，同時需要把這條帶時間戳的流與其他數據流區別開來，防止統計出錯。

測試結果如圖6所示。

圖6 Load Testing性能測試結果

通過測試結果研究發現：4G bps速率下的FC網絡，最大吞吐量為394.115 MB/s，平均延遲為1 μs，遠小于其他總線方式的延遲,比如以太網交換的幾微秒到幾十微秒的延遲，FC支持非應答方式和傳感器數據傳輸，可見FC具有很高的實時性。其低延遲的特性較其他網絡協議，有明顯的性能優勢，其強實時性適合軍用航空電子系統互連中實時傳輸的需求。

3 結束語

FC網絡作為一種商用通信網絡互連技術，其高速率、低延遲、高可靠、強實時性、可擴展性好的特性為航空電子系統提供較完美的解決方案，滿足航空電子系統的各種特殊需求。本文通過對FC網絡中的吞吐量、延遲、誤碼率、容錯性等指標的測試，驗證了FC在傳輸大數據時具有延遲低、吞吐量高、誤碼率低、容錯性好等特點，適合航空電子系統中大數據的數據傳輸，已被業界普遍認為是未來航空電子系統領域網絡互連的首選方案。

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[5] 姜震.航空電子統一網絡關鍵技術研究[D].北京:北京航空航天大學,2004.

[6] 徐辛隧,房立清,王希武.故障信息診斷原理及應用[M].北京:國防工業出版社,2000.

(責任編輯 陳 艷)

Research on the Performance of Fiber Channel in Avionics System

ZHANG Qingsong

(The 33 Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Shanghai 201800, China)

This article has researched the performance of fiber channel in the interconnection of avionics systems, and introduced the characteristics, hierarchical structure and frame format of fiber channel. After the analysis and research against the bit error rate testing, fault tolerance, throughput, average latency and other performance factors, we found that fiber channel has low BERT, strong fault tolerance, high throughput, less latency and high real-time when transferring larger data packets. It is very suitable for the performance of avionics system interconnection.

avionics; network; fiber channel; performance testing

2017-04-18 作者簡介：張慶松(1982—)，男，工程師，主要從事通信網絡協議研究，E-mail:qszhang0511@163.com。

張慶松.航空電子系統光纖通道性能研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(8):145-149.

format：ZHANG Qingsong.Research on the Performance of Fiber Channel in Avionics System[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):145-149.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.024

TP393

A

1674-8425(2017)08-0145-05