一種RapidIO和FC的互聯通信技術

文/張文俊

現代電子系統越來越復雜，越來越龐大，功能越來越多，各種不同領域，不同專業和不同設備進行了融合處理，每套電子系統如探測系統包含雷達、電子戰、通信等多個子系統，向著探測、干擾、偵收和通信一體化方向發展。尤其是軍用系統中多采用嵌入式系統，其中數字信號并行處理技術為其中的關鍵技術，它可以實現對海、陸、空和天等多種信息融合處理。提升多個并行處理模塊、數據處理模塊和集群處理模塊之間的數據交換性能是提高整個嵌入式數字信號并行處理系統性能的關鍵。以往使用的單總線模式已經無法滿足未來系統的傳輸需求。新一代的高性能互連通信技術如RapidIO、FC、PCI Express、Hyper-Transport、InfiniBand 等逐步替代原有的慢速通信技術在設備中大量使用，不同高速通信技術有各自的優缺點，沒有一種通信技術可以適用所有的應用需求，現有大型系統多為多種通信技術共存，因此多種通信技術的融合互聯需求越來越強烈。其中，RapidIO和FC在軍用電子設備應用較為廣泛。RapidIO是一種基于報文交換的互連體系結構，具有高帶寬、低延時、高效率、高可靠性等優點，能夠為高性能嵌入式系統計算節點之間通信提供良好的解決方案。FC是一種高帶寬、低延遲、擴展性好，傳輸可靠性高、協議豐富且相對簡單和傳輸距離遠的特點，廣泛用于設備之間的大容量數據傳輸。

本文討論了能滿足大容量數據傳輸RapidIO和FC互聯通信技術，針對多設備互聯和數據交換需求，提出了兩種通信協議的無損高效解決方案。

1 RapidIO和FC通信的特點

RapidIO 互連通信協議采用3層體系結構，分別為邏輯層、傳輸層和物理層。最高層為RapidIO邏輯層規范，規定了協議包格式，RapidIO節點發起傳輸的格式內容定義和指令含義以及操作步驟，中間層為傳輸層規范，規定了RapidIO地址空間規范和數據包在傳輸所需的節點橋接信息，物理層規范定義的數據傳輸的物理結構和方式，包括所有電氣特性的詳細規范。RapidIO操作是基于請求和響應的，執行過程為有源節點發送一個請求需求并傳送到目標節點，目標節點執行完請求后產生一個響應并返回至源節點來完成這次操作。RapidIO通信開始時需要一個主控節點進行控制和管理，在交換體制下，還需要完成橋接配置，節點交換使用的是靜態橋接。

圖1：典型RapidIO和FC數據互聯應用場景

圖2：融合互聯層次結構圖

圖3：RapidIO數據包到FC數據包轉換流程

FC協議來源于美國，最早應用于航空電子系統網絡，美國國家標準委員會還專門成立了研究光纖通道用于航空電子系統的分委員會（ANSI FC-AE），該分委員會與波音公司、洛克西德馬丁公司等合作制定了一組專門用于航空電子系統的FC協議子集，即光纖通道航空電子環境（FC-AE），其中FC高層協議采用的就是FC-AE下的匿名簽署消息傳輸協議（FC-AE-ASM）。FC協議替代當前的航空電子主網絡 MIL-STD-1553，已成為航空電子系統發展的必然趨勢，從現有發展來看FC協議必將成為下一代航空電子通信的首選協議。

FC協議將通道傳輸的高速性和網絡傳輸的靈活性結合在一起，采用層次化的結構，共 分 為5層：FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4；定義了3種拓撲結構：點對點、交換式、仲裁環網絡，此三種方式既可實現高速和高效的傳輸，同時也具有任意節點全互通特性，特別是交換方式網絡的拓撲結構，可很好的實現復雜設備的多節點互連。

由于RapidIO和FC兩種協議的傳輸方式和通信結構不同，兩種協議的數據交互必然需要相互轉換的過程，該過程需要做的實時，無損，兼顧兩種協議的特點。

2 RapidIO和FC互聯通信的應用場景

大型系統中由多設備組成，每個設備中又有多個處理集群，每個處理集群中又有多個處理節點，有的處理集群采用的RapidIO協議通信，有的采用采用FC通信協議，每個節點互聯互通就需要做到RapidIO和FC的融合互聯通信。典型的應用場景如圖1。

3 RapidIO和FC互聯的原理

該技術主要應用于RapidIO協議和FC協議之間的雙向相互通信。該技術包括RapidIO協議解析、FC協議解析和RapidIO協議數據包和FC協議數據包之間的重組和重定向等功能。該通信分為2個方向，對于FC協議轉換RapidIO協議方向，光纖接收外來FC節點發送來的FC協議數據包，解析FC協議的數據包中FC目的ID，根據目的ID號查找橋接表中的RapidIO協議的節點號和發送空間地址，并轉換為RapidIO數據包并送達相應的RapidIO節點，對于RapidIO協議轉換FC協議方向，接收RapidIO節點發送來的數據包，解析RapidIO協議的數據包中RapidIO目的ID，根據目的ID號查找橋接表中的FC協議的節點號，并轉換為FC數據包并送達相應的FC節點。本技術解決了現有技術中大型系統中RapidIO協議和FC協議無法相互通信的問題，實現了RapidIO協議和FC協議的相互轉換，并且能夠高效率在RapdIO協議和FC協議之間進行交互并保留2種協議的完整功能。

RapidIO協議為3層結構，包括邏輯層，傳輸層和物理層，FC協議為5層結構，FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4。本方案在FC-4上選用為FC-AE-ASM。融合互聯采用在應用層（RapidIO的邏輯層和FC的FC-4層上的）進行數據交互，具體層次結構如圖2。

3.1 RapidIO到FC轉換流程

RapidIO到FC轉換到過程為，RapidIO節點發送數據包到一個接收融合互聯節點進行RapidIO協議解析和數據解包，然后根據接收融合互聯節點橋接關系進行映射和重定向，再進行完成FC數據包重組，對重組好的FC數據根據發送的FC物理節點放入相應隊列，數據包按照順序從FC端口發送，具體流程如圖3所示。該流程中的對于橋接映射重定向，設計了1個Srio2FC橋接管理模塊。用于完成RapidIO協議到 FC協議之間的相互轉換。

Srio2FC橋接管理用于管理RapidIO轉換換為FC數據包，主要功能為FC端口檢測，流量統計，節點注冊和路由分配。處理過程為每當有一個FC的端口連入，需要發送一個路由端口注冊報文，報文用于告訴有新的FC端口接入，橋接管理就設置該FC端口為有效并根據流量分配路由路徑，形成橋接關系。一旦有RapidIO包指向這個路徑，則按照路徑進行數據交換和傳遞。每當有一個FC端口斷開或者有故障時，橋接管理通過FC端口檢測就可以檢測到端口出現問題，會自動完成端口刪除，實現端口動態接入并保證系統交換狀態穩定，不會出現單端口故障造成系統阻塞。

3.2 FC到RapidIO轉換流程

FC到RapidIO轉換到過程為，FC節點發送數據包到一個接收融合互聯節點進行FC協議解析和數據解包，然后根據接收融合互聯節點已配置的橋接進行橋接映射和重定向，再進行完成RapidIO數據包重組和計算RapidIO空間地址映射，對重組好的RapidIO數據根據發送的RapidIO物理節點放入相應隊列進行發送，具體流程如圖4所示。

該流程中的對于橋接和重定向，設計了1個FC2Srio橋接管理，用于完成FC協議和RapidIO協議轉換，RapidIO數據包重組。

FC融合后接收數據時，FC2Srio橋接管理，會收集每個節點想信息和系統中的流量，形成并分配路徑關系，當RapidIO節點作為數據目的時，經過橋接管理，會指定RapidIO路徑，自動計算填寫RapidIO空間的映射的地址，形成完整的RapidIO協議包，發送到相應的節點。

3.3 多節點互聯

大型系統中一般同時具有多個RapidIO節點和多個FC節點，融合互聯設計時考慮到任意節點交換需求，單個節點可向多個節點發送，單個節點可接收多個節點發送來的數據。其中RapidIO協議需要用到空間地址而FC不需要使用空間地址，兩種協議的轉換就成為一個難點。為了達到單個RapidIO節點可發送到多個目的FC地址，在RapidIO交換枚舉時采用了映射多節點技術，對于一個物理的RapidIO節點，同時衍生出若干個映射節點號，RapidIO交換機配置的橋接管理把映射節點號都橋接到融合專用RapidIO節點，數據發送時使用不同的映射節點號作為RapidIO的ID號，融合互聯節點根據橋接管理完成RapidIO的ID號和FC的ID號的映射，這樣實現了系統中的一個RapidIO節點可向任意FC節點發送數據的功能。在FC轉RapidIO的過程中，由于RapidIO的數據傳輸方式為對應地址空間推送方式，FC轉RapidIO包需要分配好RapidIO空間地址，并在橋接管理中分配起始地址多和空間大小，再由融合節點自動計算每一個RapidIO數據包的空間地址且使用地址循環計算，不同的數據映射到不同的RapidIO空間，此設計實現了一個RapidIO節點可接收多個FC節點發送來的數據。FC節點使用順序接收，只要完成地址映射就可以實現多節點傳輸。

4 RapidIO和FC互聯的實現

通過設計一個RapidIO和FC互聯模塊實現。實際使用使用時在需要做兩種協議之間通信的位置部署該模塊即可。該模塊使用軟件和硬件相結合分方式，硬件采用FPGA實現兩種協議的實時轉換，軟件采用CPU實現系統的橋接配置、更新和管理，流量監控，狀態監控，BIT上報等功能。實現框圖如圖5。

該模塊保留了RapidIO和FC各自的特性，包括多節點交換，流量控制等特性。RapidIO端采用3.125Gbps×4模式，FC端采用4個單線速為4.25Gbps的光纖通道與之匹配，能做到數據通過率對等，無通信瓶頸。

該模塊實際測試結果單融合互聯節點雙向通過率達到1GB/s。

4.1 硬件設計

RapidIO和FC互聯模塊的硬件設計需具有實時高效高速。主芯片采用大規模FPGA，FPGA具有至少16路高速串行通信鏈路（大于4.25Gbps），大容量緩存，FPGA中的運行速度需要達到160M以上。該模塊采用VPX板卡結構形式，符合VITA46的協議，具有抗震動，耐沖擊特性，具有高可靠性，特別適合軍用電子設備應用環境。

4.2 軟件設計

軟件設計采用嵌入式CPU和vxWorks實時操作系統，設計具有文件系統，千兆以太網絡接口。實時操作系統的使用既實現了CPU運算的便利性和接口標準性和豐富性、軟件的靈活性，又解決了系統中的可靠性和實時性。使用軟件實現橋接實現了通過網絡便利配置，并使用操作系統的文件系統靈活固化。基于操作系統的軟件實現了模塊狀態的實時監控和查詢，橋接狀態的實時查詢和配置，以及FC和RapidIO數據流狀態的實時監控、查詢和記錄。

5 結束語

本文介紹了RapidIO和FC的特點，分析了兩種協議互聯的需求和應用場景，提出了一種RapidIO和FC互聯難點，詳細分析了兩種協議的融合互聯的流程、處理方法，對其中的關鍵點給出了實現方案，詳細介紹了兩種協議互聯通信技術實現要點，最后從實際應用的角度提出方案，并給出了測試數據。

圖4：FC數據包到RapidIO數據包轉換流程

圖5：RapidIO和FC融合互聯模塊實現框圖