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

25、核，相关产品还处于验证阶段。对 于测试方法，更是一片空白，芯片、产品的测试验证都要依赖国外的测试机构或 昂贵的测试设备。文献10-15主要对光纤通道协议进行分析，研究光纤通道协议 簇体系结构及其在航电系统中的应用，未涉及到具体的设计与实现。文献16-21 主要论述了基于光纤通道技术的存储区域网络 SAN 系统的设计，适配器驱动的设 计以及基于 FCP 协议的软件协议栈设计，但目前市场上可见的商业存储区域网络 相关的产品还是被国外的公司占领，如 IBM、思科、3Par、EMC。文献22-28主 要论述了光纤通道接口芯片的设计方法，几乎所有的协议芯片都是基于国外提供 的 IP 核进行设计，对芯片的

26、相关验证工作还在进行。文献29-36主要研究 FC 端 口建模以及 FC 网络建模仿真，通过模型的仿真测试结果，分析 FC 端口的状态转 换过程，以及 FC 网络在航空电子环境下达到的性能指标。文献37，38研究了 FC 网络性能测试，但也仅是局限于网络延迟一项，在对整个光纤通道 FC 协议协议分 析，以及网络延迟、吞吐量、误码率等多方面的测试，国内还未有这方面的研究。 我国在光纤通道航空电子环境的产品以及测试方法的研究上与欧美国家还存在很 大的差距，由于国外技术的封锁，光纤通道 FC 协议总线测试技术的落后严重制约 着新一代航电网络总线产品的研制速度，因此，急需开展光纤通道在航空电子环 境的

27、应用及其测试方法的研究。 1.3 研究目标与论文组织框架 在当前阶段，航电系统中不同 FC 节点卡的实现手段存在着差异，因而在实际 通信中产生了许多不确定性问题。本文对 FC-AE 协议的特性进行了分析研究，并 归纳总结了协议特性的一些测试方法，这对实现不同节点卡的通信产生了积极的 意义。 本文在章节安排上，共分为六章。 第一章为绪论，综述课题研究的背景和意义以及国内外相关领域的研究现状 和发展趋势，并介绍了课题研究的目标，安排了论文的组织框架。 第二章对 FC-AE 协议进行深入地分析研究， 首先介绍了光纤通道技术的特点， 对光纤通道的协议层次、网络拓扑结构与节点模型、服务类型以及 FC 帧

28、格式等进 4 光纤通道(Fiber Channel)协议测试方法的研究 行了详细的分析； 然后对其上层映射协议 FC-AE-ASM 即光纤通道匿名传输协议进 行了分析与研究。这一章节对协议的研究和分析为接下来进行测试需求分析以及 测试方法的设计与验证奠定了理论基础。 第三章介绍了光纤通道 FC 协议的软硬件结构层次划分， 并分析了协议测试需 求，重点介绍应用层和网络层测试的设计及实现方法。 第四章研究了光纤通道 FC 协议网络端节点的测试方法， 结合上一章对测试需 求的分析以及对测试模块的设计与实现，重点介绍了网络层的功能测试和性能测 试。 第五章首先根据对光纤通道 FC 协议测试需求和实现方

29、法的分析， 搭建协议测 试平台；然后在测试平台基础之上设计了测试软件的架构，利用测试软件对协议 的部分功能和性能进行测试，分析测试结果，从而验证测试方法的正确性与可行 性。 第六章作为结束语，是对整篇论文研究工作的总结，概括本论文所取得的一 些成果，指出研究中的不完善之处，并展望下一步研究的发展方向。 第二章 光纤通道 FC 协议分析 5 第二章 光纤通道 FC 协议分析 光纤通道协议是一种数据高速串行传输的协议，于 1988 年由美国国家标准协 会(ANSI)开始制定，主要用于实现工作站、大型机以及存储设备之间大容量数据 的高速传输1。随着光纤通道协议在航空电子领域的推广，ANSI 专门成立

30、了一个 研究航空电子环境下光纤通道应用的分组织(ANST FC-AE)，该组织已经制定了一 系列的专项子协议，即 FC-AE（光纤通道航空电子环境）簇。FC-AE 所支持的协 议子集有： ASM 协议、VI 协议、RDMA 协议、FC-LP 协议、MIL-STD-1553B 影 射协议等4。 本章主要分析了光纤通道 FC 协议及其上层映射协议 FC-AE-ASM，其对协议 的研究和分析为下一步进行测试需求分析以及设计与验证测试方法奠定了理论基 础。 2.1 光纤通道协议光纤通道 FC 协议研究 2.1.1 光纤通道协议特点 光纤通道协议具有如下的一些特点9： （1） 高带宽： 数据的串行传输一

31、般可以达到 1Gb/s 的带宽， 在全双工的情况下可达到 2Gb/s， 并且最新的研究正在将速率向 4Gb/s 甚至 10Gb/s 提升。 （2） 多媒介： 可以采用单模光纤、多模光纤、铜线或屏蔽双绞线等为传输介质。 （3） 长距离传输： 单模光纤的传输距离可达 10km 以上，而多模光纤的传输距离为 0.5km 左右； 如果是铜线互连，可以支持 25m 以上的传输距离。 （4） 可靠性与实时性： 多种错误处理机制，CRC 校验达 32 位；利用优先级占先适应不同报文要求与 解决媒体访问控制时的冲突，传输位差错率低于 10-12；端到端传输延迟的量级小 于 10us，支持非应答方式与传感器数据

32、传输，满足快速交付的性能等级要求。 （5） 拓扑结构与可扩展性： 根据系统性能要求或封装类型来选择拓扑结构，可以是点对点、仲裁环路或 6 光纤通道(Fiber Channel)协议测试方法的研究 交换式网络结构，并提供六种类型的服务。在仲裁环路拓扑结构的一个环路上最 多可连接 127 个设备；通过交换式拓扑结构，最多可连接 1600 个设备，并提供良 好的电气性能，保证了较高的数据传输效率。 （6） 协议映射： 光纤通道不包括本地的上层协议，而是定义了各种传输层之间的上层协议映 射，并确定了一系列光纤通道交换和序列。利用上层协议映射提供强大的兼容和 适应能力，可有效地减少物理器件与附加设备的种

33、类，降低经济成本。 （7） 开放式互连： 遵循统一的国际开放式标准，保证不同生产厂商的产品能够互连协作使用。 2.1.2 光纤通道协议分层结构 为了形象地反映一个通信网络中数据的传输过程，往往将通信协议划分为多 个层次，而网络中各个层次协议的总和就称之为通信协议栈。光纤通道 FC 协议也 采用这种分层的协议模型结构，共分为 5 层：FC-0、FC-1、FC-2、FC-3 和 FC-4， 如图 2.1 所示。 FC-0 FC-1 FC-2 FC-3 FC-4 FC-LP 1553B ASM 公共服务 帧协议，数据流控制和仲裁环功能 传输协议，编解码及差错控制 物理介质，传输速率 图 2.1 光纤

34、通道协议层次模型 FC 协议的各个层次之间是相互独立的，每个层次都有各自的功能，具体定义 如下： （1） FC-0 层： 物理链路层，规定了传输的物理介质、物理接口（发送机、接收机）以及物 理层传输速率等。 （2） FC-1 层： 传输协议层，完成了串行序列的编码、解码、错误监控及处理等。 （3） FC-2 层： 信令协议层，定义了光纤通道的帧结构格式、序列结构格式、不同节点间的 信息交换管理、拓扑结构，此外，还定义了多种传输服务类型以及流量控制机制 等。 按照 FC-2 层的功能，又可将其细分为三个子层13： 第二章 光纤通道 FC 协议分析 7 1) FC-2P（FC-2 Physical

35、） ：位于 FC-2 层的最底部，完成物理端口的缓冲之 间的流量控制机制定义； 2) FC-2M（FC-2 Multiplexer） ：位于 FC-2P 和 FC-2V 之间，实现端口的多 路复用； 3) FC-2V（FC-2 Virtual） ：位于 FC-2 层的最上部，完成对数据帧的处理。 （4） FC-3 层： 定义了一组通用可选的公共通信服务，主要实现一对多的通信功能，例如组 搜寻(Hunt Groups)和多播(Multicast)等。 （5） FC-4 层： 协议映射层，规定了各种上层协议到 FC 协议的映射规则。由于光纤通道可以 支持通道协议和网络协议这两种高层协议，所以经由

36、FC-4 层的映射，FC 通信网 络可以实现网络和通道两种信息的传输，还可以实现不同通道的混用。 2.1.3 光纤通道网络拓扑结构与节点模型 光纤通道的网络拓扑结构有三种，分别是：点对点拓扑、交换网络拓扑和仲 裁环拓扑，如 2.2 所示。 交换机交换机 N_Port N_Port （a）点对点 L_Port L_Port （c）仲裁环 L_Port L_Port N_Port N_Port F_Port F_Port E_Port E_Port F_Port F_Port N_Port N_Port F_Port F_Port N_Port N_Port （b）交换网络 交换机交换机 图 2.

37、2 光纤通道 FC 协议网络拓扑结构模型 在点对点拓扑结构中，用 N_Port（Node Port）来表示端节点的端口；在仲裁 环拓扑结构中，用 L_Port（Loop）来表示端节点的端口；在交换网络拓扑结构中， 用 N_Port（Node Port）来表示端节点的端口，用 F_Port（Fibre Port）来表示交换 机与端节点相连的端口；用 E_Por（Expansion Port）来表示交换机与交换机相连的 端口。 FC 网络的一个端节点中可以包含多个物理端口PN_Port （Physical N_Port） ， 8 光纤通道(Fiber Channel)协议测试方法的研究 而一个物理

38、端口中必须包含一个由 FC-0、FC-1 和 FC-2P 组成链路控制单元 LCF（Link Control Facility），该链路控制单元通过 FC-2M 子层来实现 FC-2V 子 层中的实例即虚拟端口VN_Port（Virtual N_Port）与 LCF 之间的复用；每个 PN_Port 与其他端口节点的连接，可以依靠全双工的光纤链路来完成，FC 网络的 端节点模型如图 2.3 所示13 。 图 2.3 FC 网络端节点模型 FC 网络交换节点的物理端口也是由包含FC-0、 FC-1和FC-2P 的 LCF、 FC-2M、 以及 FC-2V 等组成的；其中与端节点连接的交换节点物理

39、端口被称为 PF_Port （Physical F_Port），具有支持多个虚拟端口 VF_Port（Virtual F_Port）的能力；而 与交换节点的交换节点物理端口被称为 PE_Port（Physical E_Port），同样也具有 支持多个虚拟端口 VE_Port（Virtual E_Port）的能力，FC 网络的交换节点模型如 图 2.4 所示13。 图 2.4 FC 网络交换节点模型 第二章 光纤通道 FC 协议分析 9 2.1.4 光纤通道协议服务类型 光纤通道协议定义了 6 种服务类型（Class16），包含现在网络通信中所有的 服务类型。依照传输的数据类型和通信需求来选择服

40、务的类型，不同类型的服务 其流控制机制不同。下面详细介绍了这六类服务的基本特征5, 41-43： （1） Class1： 第一类服务，需要建立一个源节点和目的节点之间的专用链接，数据帧按照 顺序从源节点向目的节点发送的，并且在目的节点端口接收到的帧的顺序是一致 的。该类服务常用在交换网络拓扑结构中，使用的是端到端的流量控制机制，源 节点的端口通过发送带有 SOFc1 起始定界符的帧建立其与目的节点端口之间的链 接，而发送带有 EOFd 或者 EOFdti 终止定界符的帧则可以实现拆除链接，链路一 旦建立，接收方可以通过发送 ACK 帧进行应答。 （2） Class2： 第二类服务，无需建立专用

41、链接，而是通过多路复用和多点传送实现数据的 传输。与第一类服务类似，第二类服务也需要响应 ACK 帧进行应答，如果帧不能 被传送，则目的端口还要回复“BSY”（繁忙）或“RJT”（拒收）原语信号来指示； 由于此类服务传输的帧不是顺序到达的，在接收到数据帧之后要根据 SEQ_CNT 对帧进行重排。 （3） Class:3： 第三类服务，同样不需要建立专用链接，与第二类服务的区别在于不提供任 何应答信息如 ACK、BSY、RJT 等，也就是不使用端到端的流量控制机制，而是 使用缓冲区到缓冲区的流量控制机制；该类服务的源节点按照给定顺序发送数据 帧，但目的节点不一定保证是按照一致的顺序接收的，所以也

42、要根据 SEQ_CNT 对接收到帧进行重排。 （4） Class4： 第四类服务，与第一类服务类似，都是面向链接的服务，并且目的节点端口 接收到的帧的顺序与源节点发送的帧的顺序是一致的；区别是第四类服务是虚拟 的链路服务，源节点端口与目的节点端口之间不是一条专用链接，而是将传送方 向上的带宽分成了 254 条虚拟链路，所以它具有更好的灵活性。 （5） Class5： 第五类服务， 该类服务到目前为止在任何 FC 协议文件中都没有明确的定义和 使用规则。 （6） Class6： 第六类服务，是交换网络拓扑结构中带有单向专用链接的多播服务，其数据 帧只能由源节点传送到目的节点。在多播服务的发送节点

43、与多个目的节点端口建 10 光纤通道(Fiber Channel)协议测试方法的研究 立链接之后，发送节点的数据帧通过多播服务节点转发到多个目的节点端口，每 个目的节点端口在接收到数据帧之后，都会响应一个应答帧发至多播服务节点， 再由多播服务节点产生一个应答帧发送给源节点，由此实现一个可靠的单向的从 一个源节点到多个目的节点的多播服务。 2.1.5 光纤通道协议帧格式 在 FC-2 层中对 FC 帧的帧格式作出了定义：一个完整的 FC 帧由帧起始定界 符（SOF）、帧头（Frame_Header）、数据区间（Data Field）、校验（CRC）和 帧终止定界符（EOF）五个部分组成，如图 2

44、.5 所示19。 图 2.5 FC 帧的帧格式 FC 帧各组成部分的含义如下： （1） 帧起始定界符（SOF） ： 帧起始定界符是一个 4 字节（一个传输字）的有序集（Sequnece），标识帧的 起始，SOF 不同表明帧的服务类型不同。 （2） 帧头： 帧头位于 SOF 的后面，是个 24 字节（六个传输字）的字段，从帧头内容中可 以提取路由控制、帧类别控制、帧控制以及序列管理等方面的信息， FC 帧的帧 头格式如图 2.6 所示19。 图 2.6 FC 帧的帧头格式 第二章 光纤通道 FC 协议分析 11 1) R_CTL： 路由控制字段， 长度为 8bit， 可以区分帧的用途， 如表 2

45、.1 所示。 表 2.1 R_CTL（路由控制）字段意义 R_CTL 值 意义 0000 设备数据帧 0010 扩展链路服务（ELS）帧 0011 FC-4 链路数据帧 0100 视频数据帧 0101 扩展头 1000 基本链路数据帧 1100 链路控制帧 1111 扩展路由控制 其他 保留 2) S_ID 和 D_ ID，分别是源标识符和目的标识符。拓扑结构中的每一个节 点的每一个端口都会被分配唯一的一个 24bit 的地址，其中，23-16 位是 区间标识符，15-8 位是区标识符，7-0 位是端口标识符，在 FC 交换网络 中要跟据 FC 帧的目的地址和源地址进行寻址操作。 3) CS_

46、CTL/PRIO， 类别专用控制/优先级字段， 长度为 8bit， 其意义与 F_CTL 的值有关。 4) TYPE，是帧类型字段，与 R_CTL 字段相互配合，共同完成对 FC 帧类 型的区分。 5) F_CTL，帧控制字段，长度为 24bit，每一位都代表不同的含义，用于完 成帧控制的相应操作，具体如表 2.2 所示。 6) SEQ_ID，序列标识符，长度为 8bit，该字段在一个交换中每个序列的序 列 ID 唯一。 7) DF_CTL，数据区间控制字段，长度为 8bit，用来识别数据区间中的可选 帧头和有效载荷的特征。 8) SEQ_CNT，序列计数字段，长度为 16bit，可以序列内的

47、所有的帧进行计 数，还可以检测的到丢失帧。 9) OX_ID 和 RX_ID，发起端标识符和响应端标识符字段，长度均为 16bit， 分别用来对交换的发起端和响应端进行唯一的标识。 10) 参数字段，又被称为帧类型关系字段，长度 32bit，配合 R_CTL 字段对 帧进行分类，该字段对于 FC 帧来说是可选的。 12 光纤通道(Fiber Channel)协议测试方法的研究 表 2.2 F _CTL（帧控制）字段各位的含义 F _CTL 字段各位定义 各位不同值的含义 23：交换上下文 0：交换发起端 1：交换响应端 22：序列上下文 0：序列发起端 1：序列响应端 21：第一个序列 0：无

48、第一序列的交换 1：交换的第一个序列 20：最后一个序列 0：交换的其它序列 1： 交换的最后一个序列 19：结束序列 0：序列的其它数据帧 1： 序列的最后一个数据 帧 18：结束连接(Class1 或 Class6) 0：连接使能 1：连接挂起(Class 1 或 Class 6) 17：CS _CTL优先级 0：字 1 的 3l24 位表 示 CS_CTL 1： 字 1 的 3124 位表示 优先级 16：序列启动 0：保持序列启动 1：传输序列启动 15：X _ID 再分配 0：X _ID 保持分配 1：X _ ID 再分配 14：无效数据 X _ ID 0：X _ID 保持分配 1：

49、无效 X _ID 1312：ACK 形成 00b：不需要额外提供 01b：需要 Ack 1 10b：保留 11b：需要 Ack 0 11：数据压缩 0：未压缩有效载荷 1：压缩有效载荷 10：数据加密 0：有效载荷未加密 1：有效载荷加密 9：序列重传 0：初始序列重传 1：序列重传 8：单向传输(Class1) 0：双向传输 1：单向传输 76：连续序列条件(当结束序列=1，序列 启动=0 时有效) 00b：下一序列无信息 01b：实时序列 10b：快速序列 11b：延迟序列 54：终止序列 条件 接收端响应帧 00b：连续序列 01b：异常终止序列，按 异常中止处理 10b：停止序列 11b： 实时序列重传请求 发起端数据帧（交换的 第一个） 00：异常中止，丢弃 多个序列 01b：异常中止，丢弃一 个序列 10b：无限缓存处理策 略 11b：丢弃多个序列，立 即重传 3：相对偏移 0：一些帧定义的参数 字段 1：参数字段，相对偏移 2：交换重组 交换重组保留 10：有效载荷结束填充字节（有效载荷 不满 4 字节整数倍时