光纖通道仲裁環實時性能分析

王 珂，蔣華勤，王麗霞，遠 方

（1.鄭州供電公司，河南 鄭州 450000；2.黃河科技學院，河南 鄭州 450000）

0 引言

光纖通道是美國國家標準委員會（ANSI）的X3T11小組制定的一套關于計算機之間以及計算機與I/O設備之間的一種開放式高速串行協議。它既具有通道的特點，又有網絡的特性，逐步成為計算機外設總線，以及當今分布式、多協議高速局域網絡的最佳選擇之一。光纖通道仲裁環（Fibre Channel Arbitrated Loop，FC-AL）是光纖通道拓撲中一種重要的網絡結構，它提供了在共享式光纖網絡環境中把多個節點連在一起的方法。

光纖通道具有高寬帶、低延遲、高可靠等一系列優點，因而被認為是取代MIL-STD-1553成為下一代軍用數據總線的首選方案。由于軍用數據總線應用環境的特殊性，某些信息的丟失或者沒能按時傳遞到位，可能導致不可估量的后果，因此對總線的實時性能要求更高。能否確保消息的實時傳輸是衡量分布式實時應用的重要指標，仲裁環協議不僅能提供較高的網絡帶寬，而且有優良的延時特性以確保消息的實時傳輸要求，因此在實時聯網環境中得到了廣泛的應用。

目前在對數據總線技術實時性能的研究中，為了實現網絡的實時傳輸特性，主要方法就是對網絡帶寬進行合理的分配。帶寬分配方法的選擇直接影響到網絡的實時性能。本文就仲裁環協議的數據傳輸過程進行了簡要分析，闡明了帶寬分配的必要性，并就目前存在的一些帶寬分配方法進行了分析和比較，最后驗證了選擇合適的帶寬分配方法對提高網絡的實時性能有著關鍵的作用。

1 FC-AL網絡模型[1-2]

光纖通道仲裁環協議和令牌環協議一樣，都屬于公共信道多址接入協議，專門規定仲裁環的連接方式，通過一個環路將各個節點串接起來，各個節點之間通過競爭來訪問環網，當某節點檢測到環路處于空閑狀態時，可以通過贏得仲裁來獲得網絡的訪問權。一旦節點贏得仲裁后，就可以在目標和源節點之間建立一條點到點的鏈路，在完全保證連接帶寬的情況下可以進行點到點的通信，直到節點釋放環路使用權為止。

當系統上電后或者有新的節點加入環路時，光纖通道仲裁環體系都需要重新初始化程序對環路進行初始化，以確定環路中各個端口個數和狀態。環路初始化主要依靠環端口狀態機（LPSM）來完成，同時給各個節點分配仲裁環物理地址（AL_PA）以及建立地址的對應關系，初始化后各個節點就處于激活狀態。其中所分配的仲裁環物理地址的范圍為1～127，地址越低，優先權越高。初始化結束后，如果節點有數據需要發送，則向環路發送帶自己物理地址的仲裁申請原語信號ARB_x（x=AL_PA），同時，該節點還會不斷監視網絡中的其他ARB原語信號，如果網絡中其他節點也有數據要發送，則收到其他節點的ARB原語后，將其所帶的AL-PA值和自己的AL-PA相比較，如果大于自己的物理地址，則表明優先級比自己低，將收到的ARB_x原語丟棄，發送帶自己AL_PA值的ARB_y。否則繼續轉發收到的ARB原語。如果節點收到帶有自己AL-PA的ARB信號，則表明節點贏得仲裁，獲得環路的訪問權。此時該節點發送一個OPN_yx（y=目標節點AL-PA值，x=本節點AL-PA值）信號用來開放目標節點之間的通信。當目標節點接收到OPN信號后，則將自身的狀態轉化為OPEN，和源節點建立起一個相當于點到點的鏈接，直到接收節點或是發送節點收到CLS原語信號，放棄鏈接。由于仲裁環也是一種帶優先級的多址接入協議，因此也可能存在像其他帶優先級協議一樣的問題，就是優先級低的節點可能無法獲得環路的訪問權。為了解決這一問題，FC-AL協議制定了訪問公平機制，即在某段時間區間內，所有申請仲裁的節點組成一個“訪問窗”。訪問窗內任何贏得仲裁的節點在發送完一個數據包后，即使還有數據需要發送，也必須等待窗口內其他節點都發送過一次數據包之后才能重新申請下次環路的仲裁。例如，某節點贏得仲裁后，向目標節點發送了一個數據包，同時也發出一個ARB（F0）原語信號，這里的F0具有最低的優先級，如果窗內還有其他節點沒有發送過數據，則將ARB_x信號代替ARB（F0），這些節點重新比較優先級的高低，依次發送數據，當處于贏得仲裁的節點收到了ARB（F0）后，則認為目前這個訪問窗內所有的節點均發送過數據，開始傳送空閑信號Idle，此時還有數據需要發送的節點可以重新申請仲裁，新的訪問窗口就可以建立，并且窗口大小將隨著正在仲裁的節點數目的變化而變化。

在“公平算法”中，各個節點訪問環路的機會基本上是平等的，這種方法比較適合于網絡上的負載平均分布在各個節點上，并且在各個節點對消息時延差別不是很大的場合，但在實時性要求比較嚴格的領域，比如軍事領域，這種方法還存在著一定的缺陷。有些節點的實時性要求比較高，有些相對而言又比較低，如果還是按照公平算法，一個節點獲得仲裁后發送一個數據包，然后等待訪問窗內的其他節點均發送一次數據包后再重新申請仲裁。FC協議定義的幀結構中，由于其數據域比較大（2 kbyte），在強實時性應用環境下，如果其他節點均以最大的數據包發送，那么對實時性要求比較高的節點需要等待的時間就很長，從而可能導致其錯失消息發送的時限，消息不能實時傳輸。

2 任務模型

周期性任務模型是實時通信中經常采用的一種工作模型，是一種確定性的工作負荷模型。通過它的各種擴展，此模型精確地表示了許多傳統強實時應用的特征，比如數字控制、實時監視、常比特率音頻/視頻傳輸。基于此模型的許多帶寬分配算法具有很好的性能和容易理解的行為。在目前存在的一些帶寬分配方法中，大多都采用了這種任務模型。

假設網絡中有n個節點，每個節點i都有一個實時消息流Si需要在網絡中傳輸，每個消息流Si可以表征為Si=(Ci,Pi,Di)，因此網絡上共有n個消息流S1,S2,…,Sn，組成一個消息集合M，即

消息流的特征表示為：

1）消息流Si的長度Ci表示傳輸這個消息所需的最大時間，包括網絡協議規定的信息域和其他控制信息。

2）消息流產生周期Pi表示消息流Si的消息產生周期。

3）Di表示消息的最大允許延遲時間，即消息流Si的第j個消息達到時間為ti,j，則必須在ti,j+Di時刻以前被傳輸完。

3 帶寬分配方法及性能分析

目前在數據總線技術中應用比較多的帶寬分配方法主要有[3-6]：

1）耗盡型。節點每次獲得網絡訪問權發送隊列里的全部消息，即

4）歸一化比例型。節點按歸一化消息流負載率分配網絡帶寬

6）負載匹配型。在本地型帶寬分配算法的基礎上，利用基于負載匹配的思想得出的一種帶寬分配算法，即

7）基于優化算法的帶寬分配方法。根據公平訪問機制，得出了消息在最壞的情況下要實現實時傳輸所需滿足的條件為

將每個fi看成一個“粒子”，然后通過設立目標函數和約束條件，可將FC-AL網絡帶寬分配問題轉換成如下函數的優化問題

4 性能分析

從消息產生到信息被接受之間的全部通信延遲稱作端到端延遲（ETE_delay），是構成仲裁環節點間信息交互的一個重要部分。如果端到端的延遲要求不能滿足，則無法保證消息的實時性。本文對以上提及的部分方法進行簡單比較，分析對網絡的實時性能產生的影響。消息流特征如表1所示。

表1 消息流特征

以上文提到的耗盡型、比例型、負載匹配型和基于優化算法的帶寬分配方法為例，得出各種方法的ETE_de?lay情況如圖1～圖4所示。

本次實驗在各節點消息流要求的最大延遲時間中，最小的是0.12 ms，最大的是0.3 ms，可以看出在耗盡型下，大部分消息都不能得以實時傳輸，實時性能最差；比例型是基于各節點的負載率進行帶寬分配的，有利于重負荷節點的傳輸，在本例中對提高消息的實時性起到了一定的作用；負載匹配型在網絡負載率小于50%時能滿足同優先級消息實時性要求，在本例中效果不是十分明顯；基于優化算法的帶寬分配方法對滿足消息的實時性上效果最好，所有消息均能在其傳輸時限之前得以發送。

5 小結

本文分析了光纖通道仲裁環的數據的傳輸過程，指出了其在實時環境中應用的不足，并針對目前存在的一些帶寬分配方法進行了分析比較，驗證了選擇合適的帶寬分配對仲裁環的實時性有著重要的影響。

[1]LIAO Zhihua，HAN Chuanjiu.Bandwidth allocation for FC-AL based on PSO[C]//Proc.International Conference on Communication Technology.Guilin：IEEE Press，2006：269-272.

[2]Fibre channel framing and signaling[EB/OL].[2010-09-23].http：//www.t11.org/ftp/t11/pub/fc/fs-3/09-112v2.pdf.

[3]Fibre channel arbitrate loop[EB/OL].[2010-09-23].http：//www.xilinx.com/support/documentation/ip_dc_fibrechannelal.htm.

[4]AGRAWAL G，CHEN B，ZHAO W，et al.Guaranteeing synchronous message deadlines with the timed token medium access control protocol[EB/OL].[2010-09-23].http：//citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.63.6084&rep=rep1&type=pdf.

[5]ZHOU Qiang，LUO Zhiqiang，LI Qiao，et al.An optimal bandwidth allocation scheme and real—time performance analysis for LTPB network[C]//Proc.National Aerospace and Electronics Conference.Dayton，OH，USA：IEEE Press，2000：180-186.

[6]林強，熊華鋼，張其善.強實時條件下光纖通道仲裁環帶寬分配方法[J].北京航空航天大學學報，2005，31（4）：443-446.