航空电子系统光纤通道性能研究

张庆松

(中国电子科技集团公司第三十二研究所， 上海 201800)

航空电子系统光纤通道性能研究

张庆松

(中国电子科技集团公司第三十二研究所， 上海 201800)

对光纤通道(fiber channel,FC)用于航空电子系统互连时的网络性能进行了研究，介绍了FC的特性、分层结构、帧格式等，通过对FC网络的误码率、容错性、吞吐量及延迟等性能测试的结果进行对比和分析。实验结果表明：FC在大数据传输时具有低误码率、强容错性、高吞吐量、低延迟、强实时性等特性，适合在航空电子互连系统中使用。

航空电子；网络；光纤通道；性能测试

大数据时代的当下，信息数据量越来越大，从而对外部存储设备的传输速率要求也越来越高，为了能更高速地存取大数据，一种高速数据网络孕育而生，即存储区域网络(SAN)。针对SAN网络提出了一种核心网络总线技术——光纤通道(fibre channel，以下简称FC)。

FC网络的低误码率、强容错性、高吞吐量、低延迟等特性及其开放标准已得到业届大多数商家的认同和支持，其出色的性能使其逐渐成为未来航空电子系统互联的商业标准。而机载、舰载等军工领域设备的工作环境较为恶劣，对容错性和可靠性要求较高，FC作为未来航空电子系统互连网络完美地承载了这些商业需求，其在安全性、容错能力、可靠性及其他性能方面的优势使其实至名归，成为航空电子系统领域的不二选择。本文正是对其进行性能和可靠性等方面的测试与分析，得出以上结论[1-6]。

网络性能测试是指通过一些标准的商业测试网络分析仪或自动化测试平台对待测网络设备进行各项性能指标的压力和性能进行测试，并利用一些科学的测试方法和测试手段对数据进行分析运算，得出最终的测试结果。从航空电子互连系统的使用环境和实际需求出发，FC网络性能测试中主要的技术指标有误码率、容错性、吞吐量和传输延迟等，因此本文着重从这几个方面进行测试和分析研究。

1 光纤通道协议介绍与分析

1.1 光纤通道特性

高带宽：串行传输速率由最初的1 Gbit/s发展到4 Gbit/s、8 Gbit/s、16 Gbit/s、32 Gbit/s甚至更高。多媒介：以光纤、铜缆或屏蔽双绞线为传输介质。长距离：低成本的铜缆有效传输距离约为几十米，而光纤有效传输距离为0.5～10 km。

高可靠性：32位CRC校验，8B/10B编解码，以及不同的报文采用不同的优先级策略提高了数据的完整性和高可靠性，传输误码率低于10-12。强实时性：端到端的传输延迟低于10 μs。

可扩展性：能将高层的SCSI、IP和ATM等协议映射到光线通道上，其物理通道上可供多种网络协议使用，同时减少了物理器件与附加设备，降低了经济成本。

1.2 光纤通道分层结构

光纤通道FC协议是一个5层协议从FC0～FC4，类似于OSI的七层模型结构和TCP/IP的4层模型结构，各层完成的主要功能如下：

FC0层：接口与媒介层，定义了数据的传输介质的物理特性；

FC1层：传输协议层，8B/10B编解码及差错控制；

FC2层：链路控制层，帧结构定义、服务类型定义、及流量控制说明等

FC3层：通用服务层，提供一系列服务，但较少用到；

FC4层：协议映射层，提供了上层协议到光纤通道的映射。

1.3 光纤通道拓扑结构

常见的3种拓扑结构：

点对点：两个设备间进行直连通信；

仲裁环：任何时刻只有一对端口在进行通讯，且是在获得仲裁允许的情况下；

交换式：同一时刻允许多个设备进行高速通信。

1.4 光纤通道端口类型

N端口：存在于光纤通道HBA端点中，是整个FC网络的起点和入口；

F端口：存在于光纤通道交换机中，是FC网络中数据的中转者；

L端口：存在于光纤通道环网中；

FL端口：存在于交换机上，实现交换网络级联。

1.5 光纤通道数据单元

FC协议定义了3种协议数据单元：帧(Frame)、序列(Sequence)和交换(Exchange)；它们之间的关系如图1所示。

图1 FC数据单元关系

序列是单向传送的，是由一个N端口向另一个N端口单向传送的一个或多个相关的帧构成；交换则由一个或多个非并发的序列组成，既可以是单向的也可以是双向的；也就是说，单向的单帧或多帧组成一个序列，单向或双向的序列组成一次交换。

1.6 FC帧格式

每个数据帧包括帧开始分隔符(4字节)、帧头(固定24字节)、可选帧头(可操作服务头)、有效载荷(0～2 112字节，可变)、CRC校验(4字节)以及帧结束分隔符(4字节)。

FC帧格式如图2所示。

图2 FC帧格式

帧起始定界符标识帧的起始位，SOF帧代表服务类型，长度为4字节；帧头中包括路由控制、帧类别控制、帧控制、序列管理等字段，长度为24字节；数据区间由可选帧头和有效载荷组成，长度为0～2 112字节。CRC检验又称循环冗余校验，验证FC帧的数据完整性，长度为4字节；帧终止定界符标识帧结束，长度为4字节。

2 性能测试介绍与分析

使用JDSU公司(原Finisa公司)提供的XGIG光纤通道协议分析仪和Maestro测试软件进行BERT、Jammer、Load Testing等性能测试。

JDSU XGIG 10G网络分析仪是一种多功能、具有最新技术水平解决方案的网络测试分析设备，用于监控和分析各种存储协议的实时流量。XGIG结合了一套综合性分析软件，是一种独特的平台，具有高级的多协议、多应用和多通道测试功能，可供用户对高速存储和组网应用进行故障排除。

XGIG能对网络损伤进行快速解析，而且具有多种功能，可以在性能损害导致关键应用和数据访问损失前主动进行防御。XGIG能以最大线路速率捕获100%的流量，在所有协议层和分层帧内的任何地方通过触动启动，而且具有广泛的捕获后自动专业分析功能。因此，XGIG能让用户获得所需的深度可视性，从而对应用进行设计和测试，对网络性能进行监控并保证系统可靠性。

XGIG光纤通道分析仪能够针对光纤信道提供快速、精确的全方位测试分析方案，可精确地测试误码率，确保光纤通道中的数据传输稳定性及网络整体性能。

2.1 BERT测试

BERT (bit error rate testing)误码率测试指单位时间内所传数据中出现误码情况的概率，它是衡量数据传输精度的一个重要指标。在以太网网络中，可接受的误码率数量级在10-10，而在光线通道网络中，要求更高一些，一般可接受的误码率在10-12以上。

下面对FC交换机(待测设备)进行误码率测试，BERT配置界面及测试结果查询如图3所示。

图3 BERT配置界面及测试结果查询

测试方法：通过随机数产生不同的数据帧，并同步插入idle帧，验证待测设备对随机变化的帧的误码率，DUT的测试端口需要设置成还回模式(loopback)。

通过测试结果可见：FC网络的误码率小于10-12，远小于以太网交换中的误码率，可见其对外界干扰和信号畸变的抗干扰能力较强，如噪声、交流电和闪电造成的脉冲干扰，其数据传输精确性很高。FC网络具有可靠的数据传输特性很好地满足了未来航空电子系统互连的要求。

2.2 Jammer测试(误码注入测试)

端点卡(HBA)持续发送数据流，FC分析仪通过误码注入工具对数据帧进行帧修改，再通过分析仪抓包分析，检查数据流在传输过程中是被正常转发或被修改后再转发，最后确认待测设备对修改后的错报是否能正确处理。为便于调试和定位问题，通常需要待测设备提供一些Debug命令来帮助查看数据流是否有中断、重传等情况。在此测试过程中，FC网络分析仪不产生任何报文，只负责修改报文，Jammer测试一般用于容错性和健壮性测试。Jammer测试拓扑如图4所示。

图4 Jammer测试拓扑

分析仪配置如图5所示。

图5 Jammer测试配置

配置Jammer及SOF、CRC、EOF Error，采用故障注入的方式模拟了数据帧中SOF、Header、Payload、CRC、EOF等字段的各种错误，仿真了FC-AE总线通信过程中的瞬时故障、间隙故障和永久性故障，实现了对光纤通道协议一致性测试。

TraceControl提供了综合流量库，它具有预定义和自定义帧、有序集合及错误的模板，可以确定追踪捕获发生的特定条件和序列，TraceControl具有一套独特而强大的调试和分析功能，包括对事件进行分类，以确定性能、上层协议以及逻辑层和物理层的问题。

通过抓包分析可以看到：所有数据帧都按照要求进行了修改，“错误”的报文一并被发送到待测设备上。通过测试结果分析可得：待测设备是否能对所有错包进行相应规则的处理，从而分析得出待测设备的容错性和健壮性是否符合客户需求，有助于开发人员更快、更高效地对FC网络进行开发和调试。

2.3 Load Testing性能测试

Load Testing是测试待测设备在不丢包的前提下，在单位时间内所能转发的最大数据量，通过二分查找算法找到一个转发包的数量极限，即在不丢包前提下的最大速率，从而测出不同帧长对应的吞吐量。

延迟测试是在发送报文字段上打上一个时间戳，在接受报文时解开时间戳并计算时延，同时需要把这条带时间戳的流与其他数据流区别开来，防止统计出错。

测试结果如图6所示。

图6 Load Testing性能测试结果

通过测试结果研究发现：4G bps速率下的FC网络，最大吞吐量为394.115 MB/s，平均延迟为1 μs，远小于其他总线方式的延迟,比如以太网交换的几微秒到几十微秒的延迟，FC支持非应答方式和传感器数据传输，可见FC具有很高的实时性。其低延迟的特性较其他网络协议，有明显的性能优势，其强实时性适合军用航空电子系统互连中实时传输的需求。

3 结束语

FC网络作为一种商用通信网络互连技术，其高速率、低延迟、高可靠、强实时性、可扩展性好的特性为航空电子系统提供较完美的解决方案，满足航空电子系统的各种特殊需求。本文通过对FC网络中的吞吐量、延迟、误码率、容错性等指标的测试，验证了FC在传输大数据时具有延迟低、吞吐量高、误码率低、容错性好等特点，适合航空电子系统中大数据的数据传输，已被业界普遍认为是未来航空电子系统领域网络互连的首选方案。

[1] LI C,ZHOU T.A new topology design and performance analysis for FC-AE based on PON[C]//Biomedical Engineering and Informatics (BMEI).USA:[s.n.],2012:1406-1410.

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[3] Xu Y J,Xiong H,Huang Y.Study on reliability of FC fabric in avionic[C]//Sixth International Symposium on Instrumentation and Control Technology:Sensors,Automatic Measurement,Control,and Computer Simulation.USA:[s.n.],2006:63584T-63584T-6.

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[5] 姜震.航空电子统一网络关键技术研究[D].北京:北京航空航天大学,2004.

[6] 徐辛隧,房立清,王希武.故障信息诊断原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2000.

(责任编辑 陈 艳)

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 作者简介：张庆松(1982—)，男，工程师，主要从事通信网络协议研究，E-mail:qszhang0511@163.com。

张庆松.航空电子系统光纤通道性能研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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