航天光纖數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡設計

周 華 肖練剛 張繼生 陳 昌 田 豐

北京航天自動控制研究所，北京 100854

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航天光纖數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡設計

周 華 肖練剛 張繼生 陳 昌 田 豐

北京航天自動控制研究所，北京 100854

隨著高速光纖總線技術的逐漸成熟，具備高傳輸速率、高可靠性、低響應延遲、低線纜總重等特點的光纖總線開始在航天領域得到應用。在航天光纖總線的研究中，光纖通道是研究的熱點。本文研究了光纖通道的交換式拓撲，并結合航天器的實際工作要求，提出了基于FPGA的光纖通道交換式拓撲的實現(xiàn)方案，重點設計了光纖通道的交換結構和交換器。通過Quartus II 的仿真以及硬件實物實驗驗證了該方案的可行性。

航天；光纖通道；交換結構；交換器

隨著高速光纖總線技術的逐漸成熟，具備高傳輸速率、高可靠性、低響應延遲、低線纜總重等特點的光纖總線開始在航天領域得到應用。光纖通道(Fibre channel，F(xiàn)C)作為高速光纖總線的一種，具有極高的傳輸速率、靈活的拓撲結構以及適用于航空航天環(huán)境的FC-AE協(xié)議。它在航天上的應用，將大大改善現(xiàn)在航天器上電纜網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸帶寬低及線纜總重過重的情況。對于航天器的設計及制造將帶來極大的便利。

光纖通道具有點對點、仲裁環(huán)和交換式拓撲3種拓撲結構。其中，交換式拓撲可連接的設備數(shù)量遠比前面二者多，且故障隔離性好。國內相關學者在光纖通道交換式拓撲上有不少研究，如付建川[1]等研究了光纖通道交換結構及其配置功能。但目前對光纖通道交換式拓撲多以標準的研究為主，缺少基于實際工程應用背景的方案研究。本文注重于航天系統(tǒng)上的實際需求，在光纖通道交換網(wǎng)絡的設計上，適當刪減了標準中一些不必要的部分，對光纖通道數(shù)據(jù)交換中起重要作用的交換結構進行了軟硬件設計，并通過仿真對設計進行了初步驗證。

1 交換網(wǎng)絡方案設計

1.1 光纖通道交換式拓撲簡介

光纖通道在采用交換式拓撲時，各終端節(jié)點之間的通信是通過交換結構的轉發(fā)來完成的。如圖1，所有的節(jié)點終端都與交換結構直接相連，整個光纖總線成星形結構。而交換結構可以看成內部交換元件所構成的一個交換式網(wǎng)絡，它由交換元件和內部交換連接(ISL)2部分構成。從圖中可以看出，交換結構內的交換元件之間通過ISL相連[2]，可用多種拓撲方式自由地組成交換結構。最簡單的也是目前研究得最多的交換結構是基于交換器的交換結構。這種交換結構以光纖通道交換器(SWITCH)作為交換元件，最簡單的交換結構可以只由一個交換器構成。本文研究的重點是基于交換器的交換結構的方案實現(xiàn)，主要有2個方面：1)光纖通道交換器的設計；2)光纖交換器組建交換結構的方案。

圖1 光纖通道的交換式拓撲結構

1.2 光纖通道交換器的方案設計

光纖通道交換器可分為6個部分：交換器端口、交換實現(xiàn)模塊、路徑選擇器、路由模塊、交換控制器、地址管理器[3]。其結構圖如圖2所示。

1.2.1 交換器端口

交換器端口作為交換器與外部連接的部件，在交換器的構成中相當重要。它要完成信號的光電轉換及傳輸，對數(shù)據(jù)的編解碼、數(shù)據(jù)幀、命令幀、狀態(tài)幀(3種幀在下文中用消息幀來代替)等進行解、組幀等工作。此外，它還需要有一定的差錯控制及原語(Primitive)收發(fā)功能來獲取相關信息以保證交換的正常進行。

圖2 交換機的結構圖

交換器端口在交換器復位之后，將順序完成鏈路建立、登陸、端口配置等工作來達到正常工作狀態(tài)。在鏈路建立過程中，端口通過收發(fā)原語與連接的其它端口建立鏈路連接。在登錄過程中，2個端口會進行參數(shù)交換[4]，比如流量控制所用的信用、端口種類和端口ID等信息。成功登錄后，交換器端口將根據(jù)連接到自己的其它端口種類來進行配置。如果連接的端口為N端口(即普通終端節(jié)點的端口)，則交換器的端口會配置成F端口，專門用于和N端口進行通信。類似地，對應L端口將配置成FL端口。對應交換器端口，則2個交換器的端口都會配置E端口，這時它們之間的連接就是ISL。在登錄以及端口配置后，交換器端口才能正常工作。

1.2.2 交換實現(xiàn)模塊

交換實現(xiàn)模塊是實現(xiàn)交換器內部端口間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹黧w。所有經(jīng)過交換器的有效幀都是通過它來連接交換器的接收端口和轉發(fā)端口。FC-SW協(xié)議中未規(guī)定交換實現(xiàn)模塊的軟硬件實現(xiàn)形式。在本文中，交換建造模塊只支持幀復用交換(專用連接式交換不被支持)及阻塞式的交換方式(交換器在同一時間只能進行一個交換，其它的交換請求將被阻塞)。

1.2.3 路徑選擇器和路由模塊

路徑選擇器和路由模塊功能緊密結合，負責為交換器內消息幀轉發(fā)選擇正確的輸出端口。

1.2.4 交換控制器與地址管理器

交換控制器負責對整個交換器的管理，地址管理器在交換器組網(wǎng)時管理交換器的地址分配。文中交換器的地址預先指定。

1.3 交換結構的組建方案

文中主要依靠基本交換器、基本交換連接以及F 服務幀來建立交換結構。

在構成交換結構的交換器中，有一個交換器會被選為基本交換器，所有其它的交換器都會通過一條路徑與基本交換器相連接，組成這些路徑的ISL就叫做基本交換連接(Principal ISL)。一條基本交換連接，對于與之相連的2個交換器來說，有上行和下行的不同說法。從圖3中可以看出，每一個交換器所連接的上行基本交換連接只能有1個(基本交換器則沒有)，下行基本連接能有多個。如果只考慮基本交換連接，基本交換器能且只能通過下行基本連接到達任意一個其它交換器。同理，任意一個其它交換器也只能通過上行基本連接到達基本交換器。

F服務幀是在交換結構中使用的專門與交換器間交換參數(shù)、協(xié)調控制所用的幀結構。

考慮到航天上使用的光纖總線終端數(shù)目不多且確定。在交換結構組建中，預先指定基本交換器及基本交換連接，省去了光纖總線上基本交換器以及基本交換連接的產(chǎn)生過程。在交換結構組建時以基本交換器為中心，依靠基本交換連接，發(fā)送以及轉發(fā)包含相關信息的F服務幀來完成交換結構的初始化。

1.4 交換結構的轉發(fā)機制

交換結構在初始化完成后即可進行節(jié)點終端間的消息幀轉發(fā)。消息幀在交換器之間的轉發(fā)，將全部通過基本交換連接來完成，具體過程如下：當一個交換器在收到消息幀，并驗證無錯誤時，將在它所有的F端口里搜尋有無ID地址與目的地址對應的端口。若有，則將消息幀從此端口發(fā)送出去；反之，且交換器有其它具有基本交換連接的(E)端口，則將消息幀通過此基本交換連接轉發(fā)給其它交換器。與該交換器相連的其它內部交換連接作為交換鏈路故障后的備用連接，在交換結構正常工作時不參與數(shù)據(jù)轉發(fā)。

2 軟硬件設計

2.1 硬件設計

交換器的硬件原理如圖4所示，主要采用AVAGO的SFP光電模塊AFBR-57R5APZ，TI的串并SERDES芯片(串并轉換芯片)TLK3132以及ALTERA的FPGA芯片EP2S60，DSP芯片TMS320-C6747組成。光電模塊實現(xiàn)光電轉換及光通信功能。文中光電模塊采用850nm波長的短波，連接2條LC接口多模光纖，可以實現(xiàn)全雙工的數(shù)據(jù)收發(fā)并且單路數(shù)據(jù)吞吐量高達1G速率。

圖4 硬件設計框架圖

圖5 交換器端口初始化流程

SERDES芯片的串行接口端與光電模塊相連，接口采用CML電平，以106.25MHz的時鐘頻率進行數(shù)據(jù)收發(fā)。SERDES芯片的并行接口通過8位并行數(shù)據(jù)線、1位控制線和1位時鐘線與FPGA相連，發(fā)送和接收并行數(shù)據(jù)。SERDES芯片在進行串并/并串轉換發(fā)送數(shù)據(jù)時，同時截獲8B10B編碼數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)起始標志K28.5逗號[5]，以轉換得到正確的并行數(shù)據(jù)。FPGA與SERDES芯片的并行接口以及配置接口相連接，其既有配置SERDES芯片的功能，又有進行光纖通道高層協(xié)議的功能，發(fā)送與接收并行的光纖通道有效幀。FPGA是實現(xiàn)交換器功能的主要部件。

圖6 交換結構初始化流程

DSP與FPGA相連，方便與上位機的連接以及對整個交換器的調試與監(jiān)控。同時，為方便進一步調試，DSP可作為終端節(jié)點，并可將一些交換器的交換端口也設置成F端口。

2.2 軟件設計

交換器的交換功能主要是通過FPGA實現(xiàn)。文中采用VHDL硬件描述語言來進行編程。程序的設計，主要包括交換器端口的初始化、交換器的初始化及組網(wǎng)、交換結構正常工作時交換器的交換流程。

2.2.1 交換器端口的初始化

交換器端口的初始化過程是按順序建立鏈路連接，完成登錄、交換參數(shù)并進行端口配置，并將配置結果傳給交換控制器。交換器端口的初始化流程如圖5所示。

2.2.2 交換器的初始化及組建交換結構

交換器的初始化主要包括控制器的初始化及交換器端口的初始化。當超過一個交換器端口初始化完成后，就標志著交換器初始化完成，同時交換器初始化完成的標志置1。初始化完成后，交換器進行交換結構的組建，圖6顯示了交換器進行交換結構組建的流程。

2.2.3 正常工作時交換器的交換流程

在程序的設計上，首先假設交換結構由多個交換器構成。因此一個消息幀的交換可能需要多個交換器來實現(xiàn)。對于交換結構中的每個交換器，其交換流程如圖7所示。

圖7 交換器正常工作流程

3 仿真結果驗證

對交換結構各部分實現(xiàn)進行描述后，即可使用仿真平臺間接測試。本文的設計仿真平臺采用Altera公司的FPGA/CPLD開發(fā)工具Quartus II ，6.0版本。

在仿真中，仿真對象為4個F端口以及4個交換器組成的網(wǎng)絡，驗證交換器的設計及其組成交換結構的效果。驗證交換結構能正常實現(xiàn)交換功能:

在仿真中， F端口0輸出幀中的一個字節(jié)Transmit_word_F_port0可以被修改。所有F端口中接收的幀中相應位置的字節(jié)receive_word_F_port可以被監(jiān)控。且當Port_receiver_active中有位是1時，表示對應的F端口(0位指示F端口0)正在接收數(shù)據(jù)。

由圖8中可知在17ms附近的clk下降沿，Port_receiver_active的第2位置1。且receive_word_F_port2變?yōu)?x0Bh 。與F端口0在9.19ms時Transmit_word_F_port0發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣。表明F端口2收到了F端口0發(fā)送的幀。且F端口0發(fā)送幀的目的地址Destination_port_id_4port0=0x03h，是F端口2的地址。上述表明，交換結構正常工作，實現(xiàn)了幀交換的功能。

4 硬件實物驗證

在仿真驗證通過之后，將制作實物交換器進行驗證。交換器實物圖如圖9。在實物驗證時，通過DSP的JTAG調試檢測，發(fā)現(xiàn)從F端口發(fā)送的消息幀能夠通過交換結構發(fā)送給預定的接收端的F端口，且具有較低的時延。因此，本方案能夠實現(xiàn)交換結構的功能，也即實現(xiàn)光纖總線中的幀交換。同時， 在實物驗證時，發(fā)現(xiàn)了設計的交換結構在錯誤處理上的不足。因此，本設計在軟件上需要進一步完善。

圖8 仿真結果圖-交換結構初始化完成

圖9 交換器硬件實物圖

5 結束語

光纖通道作為新一代高速光纖總線，其傳輸速率高、可靠性高、響應延遲低、重量體積小等特點非常適合在航天上應用，將有效解決目前航天器上總

線帶寬低，線纜網(wǎng)過重等問題。本文針對了其交換式拓撲，結合航天器上系統(tǒng)的實際需要，提出了基于交換器的交換結構的軟硬件實現(xiàn)方案，并通過仿真、實物檢驗，初步驗證了方案的可行性。

[1] 付建川，周東.光纖通道交換結構及其配置功能研究[J].光通信技術，2008,7:26-28.(Fu Jianchuan，Zhou Dong .Research on Fibre Channel Fabric and Its Configuration[J]. Optical Communication Technology，2008,7:26-28.)

[2] ANSI INCITS. Fibre Channel Fabric Generic Requirements(FC-FG) [S].REV3.5,1996 .

[3] ANSI INCITS. Fibre Channel Switch Fabric(FC-SW) [S].Rev 3.3,1997.

[4] ANSI INCITS. Fibre Channel Physical and Signaling Interface (FC-PH) [S].REV4.3,1994.

[5] TLK3132 Data Manual[Z].Texas Instruments Inc.,2009.

Design of Fiber Optic Bus Exchange Network in Spacecraft

ZHOU Hua XIAO Liangang ZHANG Jisheng CHEN Chang TIAN Feng

Beijing Aerospace Automatic Control Institution, Beijing 100854, China

Withthegradualmaturationofhigh-speedfiberopticbustechnology，fiberopticalbuswithhightransmissionrate,highreliability,lowresponselatencyandlowcableweightbeginstobeusedinthefieldofAerospace.Andfiberchannelisahotspotinthestudyofaerospacefiberopticalbus.Bycombiningwiththespacecraftpracticalrequirements,theexchangetopologyoffiberchannelisstudiedandaschemeoffiberchannelswitchedtopologybasedonFPGAisgivenwhichfocusesonthedesignofthefiberchannelexchangestructureandswitch.ThroughthesimulationofQuartus IIandhardwareverification,thefeasibilityoftheexchangestructureoftheproposedschemeisverifiedinthispaper.

Aerospace;Fiberchannel;Fiber;Switch

2013-03-12

周 華(1989-)，男，湖南衡陽人，碩士研究生，主要研究方向為航天總線；肖練剛(1973-)，男， 四川資中人，博士生導師，研究員，主要研究方向為導航、制導與控制；張繼生(1980-)，男，河北人，工程師，主要研究方向為控制系統(tǒng)綜合；陳 昌(1983-)，男，河北人，工程師，主要研究方向為控制系統(tǒng)綜合；田 豐(1985-)，男，江蘇人，工程師，主要研究方向控制系統(tǒng)綜合。

TN929.11；V448.2

A

1006-3242(2014)03-0071-05