光纤通道Fiber Channel协议测试方法的研究1.pdf
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1、 题题(中中、英文英文)目目光纤通道光纤通道(Fiber Channel)协议测试方法的研究协议测试方法的研究 Research on Test Methods of the FC-AE Protocol 作 者 姓 名作 者 姓 名刘倩刘倩 柴常春柴常春教授教授 集成电路工程集成电路工程 提交论文日期提交论文日期二一三年一月二一三年一月 黄韬研究员黄韬研究员 代号代号 分 类 号分 类 号 学号学号 密级密级 1070110701 TN4TN4 公开公开 10864906331086490633 U D C编号编号 学校学校指导教师姓名职指导教师姓名职称称 工 程 领 域工 程 领 域企业指
2、导教师姓名职称企业指导教师姓名职称 论 文论 文 类 型类 型 应用基础技术应用基础技术类类 独创性独创性(或创新性或创新性)声明声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不 包含其它人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 本人签名: 日期 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全
3、了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后,发表论文或使用论文(与学位论文相关)工作成果时署名单位仍然为西 安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校 可以公布论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存 论文。 (保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密,在 年解密后适用本授权书。 本人签名: 日期 导师签名: 日期 摘 要 摘 要 光纤通道(Fibre Channel)是目前国内外首选的航电网络总线,我国也正在研 发相关的 FC-AE 总
4、线产品,用于新一代机载航电系统。然而,由于缺乏自主的测 试方法和测试平台, 所以依然要依赖国外的测试机构对 FC 协议总线产品进行测试, 这严重影响了相关产品的研发进度,因此深入分析和研究航空电子环境下的光纤 通道协议(FC-AE 协议),得到具有自主知识产权的测试方法,已经刻不容缓。 本文对光纤通道 FC 协议进行了深入地分析和研究, 总结归纳了该协议的测试 方法;使用基于 FC 协议接口芯片的 FC 仿真测试卡,设计并实现了支持点对点拓 扑结构和交换网络拓扑结构的测试模块,搭建仿真测试平台,设计测试软件,初 步对部分功能测试和性能测试的方法进行了验证。 文中对光纤通道 FC 协议的测试需求
5、进行分析和归纳总结, 从物理层光信号测 试、物理层电信号测试、网络层功能测试和网络层性能测试这四个方面分析和研 究测试需求和测试方法;在网络层的实现上利用模块化的设计思想,分别设计了 硬件初始化、注册注销、数据分帧重组、流量控制块和差错处理等功能模块,并 采用故障注入的方式,模拟了数据帧的 SOF、帧头、负载、CRC、EOF 等的错误, 仿真了 FC-AE 总线通信过程中的瞬时故障、间歇故障和永久性故障,实现了对光 纤通道协议一致性测试。 关键词关键词:光纤通道 FC-AE 协议 功能测试 性能测试 Abstract Abstract Fibre Channel Avionics Enviro
6、nment (FC-AE) is the preferred network bus in newest Avionics System at home and abroad.Many bus products on Fibre Channel Avionics Environment are also under development in order to upgrade the new generation of airborne avionics system in our country.However,due to a lack of self-test method and t
7、est platform,it still have to rely on foreign testing agency to test the products,which seriously affected the progress of the product development.So,it is urgently need to depth research the FC-AE protocol,and draw up testing method with independent intellectual property rights. The test methods ha
8、ve been summarized and concluded in the process of analysis and realization of the FC-AE protocol.The thesis designs and implements the testing of the FC-AE protocol to support point-to-point topology and fabric topology based on the FC-AE simulation test card of FC protocol interface chip.The thesi
9、s verifys the test methods of part of functions and performance after building the simulation test platform and designing the test software. The thesis analyzes and summarizes the test requirements and has an in-depth research on the test methods of the optical signal testing of the physical layer,t
10、he electrical signal testing of the physical layer,the functional testing of the network layer and the performance testing of the network layer.it uses the modular design concept on the implementation of the network layer,and designes the function modules such as the hardware initialization,login an
11、d logout,the frame segmentation and reassembly,the flow control management and the error detection and recovery.It simulates the errors of the data frame on SOF,Frame_Header,Data_Field,CRC and EOF by using the fault injection,and achieves transient faults, intermittent faults and permanent faults in
12、 the communication process of the FC-AE bus to realize the conformance testing of the FC-AE protocol. Keywords: Fibre Channel FC-AE Function Test Performance Test 目 录 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景和意义. 1 1.2 国内外相关领域的研究现状和发展趋势. 2 1.3 研究目标与论文组织框架. 3 第二章 光纤通道 FC 协议分析 . 5 2.1 光纤通道协议光纤通道 FC 协议研究 5 2.1.1 光纤通道
13、协议特点 5 2.1.2 光纤通道协议分层结构 6 2.1.3 光纤通道网络拓扑结构与节点模型 7 2.1.4 光纤通道协议服务类型 9 2.1.5 光纤通道协议帧格式 10 2.2 上层映射协议 FC-AE-ASM 研究 . 13 2.2.1 FC-AE-ASM 协议简介 13 2.2.2 FC-AE-ASM 协议特性 14 2.3 本章小结. 16 第三章 光纤通道 FC 协议测试需求分析及实现方法 . 17 3.1 光纤通道 FC 协议实现的结构层次划分 17 3.2 光纤通道 FC 协议端节点测试需求分析 18 3.2.1 物理层光信号和电信号测试需求分析 18 3.2.2 网络层功能
14、测试和性能测试 27 3.3 光纤通道 FC 协议网络层的实现方法 36 3.3.1 硬件初始化模块 37 3.3.2 网络层协议处理模块 39 3.4 光纤通道 FC 协议应用层的实现方法 47 3.4.1 应用层接口定义 47 3.4.2 设备初始化的设计与实现 50 3.4.3 基于 Ping-Pong 模式的 DMA 控制设计与实现 . 53 3.5 本章小结. 55 目 录 第四章 光纤通道 FC 协议测试方法研究 . 57 4.1 物理层光信号测试 57 4.2 物理层电信号测试 58 4.3 网络层功能测试 58 4.3.1 注册/注销 59 4.3.2 数据帧管理 61 4.3
15、.3 数据分帧与重组 62 4.3.4 流量控制 63 4.3.5 错误检测与恢复 64 4.3.6 多播功能 64 4.3.7 时钟同步 65 4.4 网络层性能测试 65 4.4.1 网络延迟测试 65 4.4.2 吞吐量测试 66 4.5 本章小结 67 第五章 测试平台搭建与测试方法验证 . 69 5.1 测试平台搭建 69 5.2 测试软件设计与实现 70 5.2.1 测试软件总体结构 70 5.2.2 用户层功能与模块设计 70 5.2.3 业务逻辑层功能与模块设计 72 5.3 部分性能的测试结果验证与分析 73 5.4 本章小结 76 第六章 结束语 . 77 6.1 工作总结
16、 77 6.2 技术展望 78 致 谢 . 79 参考文献 . 81 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 第三代的综合航空电子系统(航电系统),采用的是数字数据总线网络,用 以完成飞机设备的分布处理和集中控制,实现显示信息的综合显示。然而,随着 该技术的进一步发展,其局限性也日益暴露:例如总线传输速率较低,难以完成 更高层次的系统综合;系统需要的数据总线过多,增加了整个航电系统的体积和 重量;系统的可靠性和电磁兼容性等问题也非常明显;同时,模块化和标准化程 度也较低,引起整体的成本、功耗也随之上升。因此,需要开发出更高层次的航 电系统以适应不断增长的战场信息,并且新一
17、代的航电系统不仅仅要实现把信息 显示给飞行员的功能,还要辅助飞行员进行一些决策。 光纤通道(Fibre Channel)是美国国家标准协会(ANSI) 制定的一种串行数据接 口协议,是一种高速度的、低延迟的、大容量的、高可靠性的双向串行、点对点 数据通信技术,能够为计算机高性能的外设的接口提供可扩展的数据交换,能够 有效地满足新一代航电系统在数字化、模块化、通用化以及综合化方面的需求。 光纤通道已经成为首选的新一代航空总线标准。光纤通道最大的特点是通过将网 络和设备的通信协议与传输的物理介质隔离开, 通过在同一个物理连接 (FC-4 层) 上实现多种协议的映射,从而实现多种协议可以同时在其上传
18、输。为了满足航电 系统在数据传输领域的某些特殊要求,ANSI 专门成立了研究航电环境下光纤通道 的分组织(ANST FC-AE),该组织提供了一系列在航空电子环境下应用光纤通道的 协议 FC-AE(Fibre Channel Avionics Environment), 对航空电子环境下光纤通道设备 接口和操作的标准进行规范,同时也提供了航空电子环境中原有的一些常用协议 到光纤通道的映射。光纤通道除了速度高、延迟低、容量大、可靠性高等特点之 外,还支持多种拓扑结构并且扩展性好:通过光纤交换机,最多能支持 1600 个设 备的互联,这足以满足新一代航电系统的对设备扩展的需求。因此,研究光纤通 道
19、技术在航空领域的应用已变得极为必要1-6。 光纤通道 FC 协议总线作为新一代的航电系统总线标准, 在其产品投入实际应 用之前必须首先进行 FC 协议总线测试方法的研究。通过测试 FC 网络中端到端数 据传输的延迟时间、误码率以及网络吞吐量等,并且对协议进行分析,来进行 FC 网络各部分的性能验证,为整个产品的功能改进,以及部件的性能提升等方面提 2 光纤通道(Fiber Channel)协议测试方法的研究 供参考依据。目前,国内还没有统一的 FC 协议总线测试标准,相关研发单位只能 被迫为产品付出巨大代价寻找国外相关公司进行测试或者耗费巨资购买国外的测 试系统和设备。为加快我国航电系统领域光
20、纤通道产品的开发、应用速度,开展 FC 协议总线测试方法研究工作已经刻不容缓,与此同时,要实现对 FC 协议产品 所要满足的功能和所要实现的性能进行定量评估, 推进光纤通道 FC 协议在综合航 空电子系统领域的应用。 1.2 国内外相关领域的研究现状和发展趋势 早在上世纪 80 年代,美国就在“宝石柱”计划中提出了包括光纤通道 FC 协议 总线在内的 7 种总线和机载网络技术。继“宝石柱”之後,美国又在 90 年代提出了 功能更为完善、性能更为优良、综合程度更高的“宝石台”(Pave Pace)计划,这 也被称为第四代战机综合航电系统7-9。经过若干年的研究和发展,美国、西欧等 发达国家最终将
21、光纤通道 FC 协议总线确定为新一代航空电子系统的主流总线。 光纤通道 FC 协议总线己用于美国航空电子的升级换代,如:在 AH-64D 长弓 阿帕奇直升机中用于数字视频接口-飞行试验和任务处理器的互连; 在 F/A-18 中用 于构建机载预警与控制系统扩展哨所(AWACS Extend sentry)光纤通道交换式网络 区域网; B1-B中航空电子计算机和数据存储/传输设备间的光纤通道-仲裁环接口; 美国的 F-35 战斗机(JSF)上,在综合核心处理机(ICP)和每个传感器、导航和 识别(CNI)系统和各显示器之间的通信采用速度为 2Gb/s 的光纤总线进行互联。 国外在光纤通道测试方法上
22、的研究已较为成熟,并且开发出了多种相应的测 试系统。美国安捷伦公司已开发出针对多种光纤通道应用的测试系统,如:1735A 光纤通道测试仪,通过流量构造和协议分析,对光纤通道设备进行帧计数、吞吐 率、错帧、乱序、误码、延迟等方面的测试。Spirent 公司的 HyperMetrics 光纤通 道(FC)模块支持 FCoE(光纤通道以太网)的基准测试和性能测试。法国通信仪表 厂商 LeCroy 也于 2010 年 7 月推出 SierraFC M804 8G 光纤通道协议分析仪。美国 Finisar 公司的 Xgig 分布式测试系统可以帮助工程师在开发, 调试局域存储网时轻 松应对高速串行总线/协
23、议带来的诸多挑战,这些协议包括 FC,Gigabit Ethernet, iSCSI, FCIP 以及 SAS/SATA。 我国航空电子领域光纤通道的应用还处于起步阶段,光纤通道产品在国内航 空领域尚未得到实际应用。目前,国内有一些高等院校、公司和科研机构进行了 FC 的技术研究和实验尝试,如:华中科技大学外存储国家专业实验室采用基于 SoPC 平台的设计方法,在 FPGA 器件上采用 FPGA 器件供应厂商提供的 FC Core 完成 FC 适配器的设计和实现;2009 年,电子科技大学利用 Xilinx 公司 Virtex Pro 系列的 FPGA 平台,结合自主设计的 FC 控制逻辑实现
24、了接口协议芯片的设计;中 第一章 绪论 3 航工业洛阳电光设备研究所采用 Xilinx Virtex-5 系列的 FPGA 设计开发平台采用 FPGA 器件供应厂商提供的 FC Core 设计实现了 FC 接口协议芯片;中国航空计算 技术研究所研制了基于 ARM 核的光纤通道接口协议芯片 HKSFCFS-2G, 对芯片的 相应验证工作还在进行中。西北工业大学基于 QLA2200G 光纤网卡搭建硬件网络 平台,对应用于航空领域的 FC-AE-FCLP 协议通信系统进行了的研究。 从国内外的研究和应用情况对比可以看出,目前国内对于光纤通道产品的研 制很多都是基于国外的 FC 协议接口芯片或 IP
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