Vol. 28 No. 4Apr. 2021
第28卷第4期2021年4月电光与控制Electronics Optics & Control 引用格式：俞大磊，韩强，高杨，等•综合化核心处理平台FC 网络集成仿真验证系统设计[J].电光与控制,2021,28(4)=92-96. YU D L, HAN Q, GAO Y, et al. Design of an integrated simulation and verification system of FC network on integrated core processing platform [ J ]. Electronics Optics & Control, 2021,28(4) ：92-96. 综合化核心处理平台FC 网络集成仿真验证系统设计
俞大磊，韩强，高杨，吴佳鑫
(航空工业西安航空计算技术研究所，西安710119)
摘 要：综合化核心处理平台广泛采用FC 网络实现内外部子系统之间的高速信息传输，为了验证FC 网络是否满足 航电系统对功能、性能和接口定义等用户需求，需要对FC 网络进行仿真验证。提出了一种FC 网络集成仿真验证系
统，充分模拟核心处理平台的应用环境，为核心处理平台FC 网络提供平台级的仿真、验证、测试、监控、分析环境，确 保核心处理平台FC 网络功能、性能和接口定义满足系统要求。目前已成功对FC 网络仿真验证系统进行了验证，有 广阔的应用前景。 关键词：光纤通道；核心处理平台；FC 仿真卡；FC 监控
中图分类号：TP273 文献标志码：A doi : 10.3969/j. issn. 1671 -637X. 2021.04.020
Design of an Integrated Simulation and Verification System of FC Network on Integrated Core Processing Platform
YU Dalei, HAN Qiang, GAO Yang, WU Jiaxin
(Aeronautical Computing Technique Reaearch Institute, AVIC, Xi'an 710119, China)
Abstract : FC network is widely used in the integrated core processing platform to realize high-speed
information transmission between internal and external subsystems. In order to verify whether the FC network
can meet the requirements of the avionics system on function, performance and interface definition, the FC network needs to be simulated and verified. An integrated simulation and verification system of FC network is驱动链轮
proposed to fully simulate the application environment of the core processing platform and provide a
platform-level environment for simulation, verification, testing, mon 让oring and analysis of the FC network on the core processing platform, so as to ensure that the function, performance and interface definition of the FC network on the core processing platform can meet systematical requirements. Currently, the simulation and
verification system of FC network has been successfully verified, which has broad application prospects.
Key words : fiber channel ； core processing platform ； FC emulation card ； FC monitoring
0引言
IL-40
光纤通道(FC)具有高带宽、低延迟、良好的传输可
靠性和可拓展等特性，能很好地满足综合模块化航空电 子系统的互连要求"7。综合化核心处理平台通过FC
网络实现内部各信息处理功能区及核心处理平台与外
部子系统之间的高速信息传输。在产品研制过程中，
会针对网络系统需求、网络产品需求以及产品部件需 求逐层开展网络系统级集成和验证、网络产品级集成
收稿日期：2020-02-29 修回日期：2020-05-22
基金项目：航空科学基金(2016ZC31005)
作者简介：俞大磊(1985 ―)，男，陕西西安人，硕士，高工，研究方向为计算机系统,282123582@ qq. com 。
与验证以及产品部件测试等环节卩句。
通过开展FC 网络集成仿真验证，验证核心处理
平台FC 网络是否满足FC 标准协议的功能和性能要 求，并确认是否严格符合航电系统对FC 网络功能、性
能和接口定义等需求。本文研究了一种适用于综合化
核心处理平台的FC 网络集成仿真验证系统，该系统 是基于核心处理平台FC 网络应用需求搭建的与真实 系统等价的原型验证平台，主要实现FC 网络数据的 仿真、测试、监控、分析等功能，为核心处理平台FC 网
络提供分析、设计、评价、决策、测试等手段。
1 FC 网络集成仿真验证系统架构
FC 网络集成仿真验证系统由核心处理平台和FC 仿真验证支撑设备组成，系统架构如图1所示。
第4期俞大磊等：综合化核心处理平台FC网络集成仿真验证系统设计93
核心处理平台FC网络采用以交换网络架构为主，局部兼容点对点拓扑结构的混合拓扑结构，包括节点机、交换机和光背板。节点机通过光背板连接到交换机上，从而实现各节点通过FC交换网络完成数据通信。为了提高系统的可靠性，核心处理平台内部FC系统互联设计采用系统备份的设计思路，将FC节点分成两组，分别连接在交换机1和交换机2上。核心处理平台每个GPP模块有4个FC节点,MMM,GPIO分别有2个FC节点连接到交换机上，每个SPM模块除提供1路FC节点连接到交换机2外，另外提供4路点对点FC接口。为了保证网络的连接规模，交换机采用级联方式进行扩展，提供一个更大规模的交换网络，并在每个交换机上提供不少于2个监控端口。在实现多个FC接口组件的模块内部，不同的组件之间提供时钟同步电路，保证最终实现FC网络中所有节点的高精度时统要求。
FC仿真验证支撑设备包括FC仿真卡、FC光交换开关、FC监控平台、FC物理层测试及协议分析工具和FC配置仿真平台。FC仿真卡用于模拟核心处理平台外部的FC节点，通过FC光交换开关实现与核心处理平台外部FC端口的互连。FC监控平台用于对网络中指定端口的数据进行监控和分析。FC物理层测试及协议分析工具包括光功率计、光衰减计和JDSU测试设备，为核心处理平台提供光功率、接收灵敏度等物理层验证及FC协议分析"期。FC配置仿真平台实现FC网络配置数据的生成，以及交换机、节点机网络配置数据的远程加载等功能。2FC网络集成仿真验证系统关键技术
2.1核心处理平台关键技术
2.1.1FC节点机
FC节点机（FIC）用于实现FC-AE-ASM通信协议，为FC网络设备提供对外的高速通信接口，负责将应用的数据发送到网络上，或者从网络收取数据提交应用。nc以大规模FPGA为核心，设计协议处理相关逻辑，并通过对该逻辑进行组合和配置形成标准电路。HC 提供多路集成的设计实现方式，满足系统中单路、双路、四路、五路等规模FC接口的集成要求，并以统一的应用接口实现对上层通信的支持。FIC支持以交换机为核心的交换拓扑，并支持局部点到点拓扑连接方式。为了方便不同设备的使用,FIC设计为标准子卡的形式，通过PCIe接口与CPU进行耦合。
后挂式耳机2.1.2FC交换机
核心处理平台采用两块FC交换机构成交换网络，对于执行关键任务的节点机，分别提供连接到两块交换机模块的接口，且接口备份工作。FC交换机作为整个FC通信网络系统的核心部件，满足各个节点机数据以及控制信息的传输要求，负责为FC网络系统中所有nc节点提供全互联的数据交换支撑。
FC交换机包括CPU控制模块和FC交换模块两部分。FC交换模块使用了大容量的FPGA进行设计，实现46个FC端口全双工、无阻塞的交换和2个监控端口的线速数据监控,CPU控制模块采用1个通用处理器与FPGA通过异步总线进行连接，实现交换机的
94电光与控制第28卷
配置、监控和网络管理等功能。2.1.3光背板
核心处理平台内部采用光背板实现系统所有光信 号的互联，包括各模块nc 节点与交换机之间的网络互
连、核心处理平台外所有FIC 节点到交换机的互联、2个
交换机之间的级联及SPM 模块之间的Rapidio 光互连 接口。光背板以结构化组件的方式加固在核心处理平
台内部，为核心处理平台FC 统一网络提供可靠的传输, 同时避免了传输带宽和EMI 等方面的问题。从模块光 电收发器到光背板之间要求选用62. 5 jun/125 jun 多 模光纤带连接，光纤带的末端采用MT 接头安装在光
电混装连接器上，所有对外的光纤全部接到圆形光纤 连接器上。
2.2 FC 仿真验证支撑设备关键技术2.2.1 FC 仿真卡
FC 仿真卡实现了 FC 网络中网络管理器和网络终 端的功能，用于FC 网络集成验证系统的仿真、测试和
数据分析。FC 仿真卡由主控FC-AE-ASM 协议处理模 块和外围电路实现串行FC 链路数据通信，通过PCIe
主机接口实现与主机处理器的通信。FC 仿真卡支持
点到点、交换网络、仲裁环等多种拓扑结构，具备2条独 立的光纤通道端口，每个通道端口最多支持1 Gibit/s , 2 Gibit/s,4 Gibit/s；支持1层、2层和高层协议帧，具有 触发、过滤和错误注入功能。其硬件架构如图2所示。
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图2 FC-ASM 仿真卡硬件功能架构Fig. 2 Hardware function architecture of FC-ASM
simulation card
FC 仿真卡软件分为传输软件和驱动软件，协同完 成FC 总线的整个通信、管理等流程。传输软件是FC 仿真卡软件的内部接口，负责响应主机中断、命令，控
制FC-AE-ASM 协议处理引擎工作，同时向主机返回相
应的命令响应和FC 仿真卡的状态。驱动软件是FC 仿真卡软件的外部接口，向应用软件提供一组标准的
API 接口，实现对FC 网络系统设备的运行控制。
2.2.2 FC 光开关
FC 光开关是FC 网络集成验证系统的重要部件,
主要用于多路对外FC 端口的光路切换。光开关主要
由MEMS 光组件和数字控制电路组成，数字控制电路 通过总线与PC 机通信，实现上位机对光开关的软件控
制。光开关可以提供48路输入和4路输出，波长范围 700 ~ 1700 nm，插入损耗3 dB ，响应时间10 ms o
核心处理平台对外的FC 端口通过光开关与FC 仿真验证支撑设备连接。FC 网络集成验证系统中使
用两个光开关,f 光开关连接FC 的发送端口（ TX ）,
另一个光开关连接FC 的接收端口（ RX ），上位机软件
同时控制两个光开关的切换，实现所有对外FC 端口的 自动验证测试。光开关在FC 网络集成仿真验证系统 中的连接关系如图3所示。
图3光开关连接关系Fig. 3 Optical switch connection
核心处理平台对外FC
接口
2.2.3 FC 监控平台
FC 监控平台包括FC 监控端口、FC 监控卡和FC
网络监控工具。
1） FC 监控端口在核心处理平台中实现，主要实 现网络数据监控，支持对ASM 消息ID 、输入端口和输 出端口监控这3种监控方式。
2） FC 监控卡采用PCIe 接口，作为FC 网络中的 监控节点，可以根据监控方案的配置，接收和过滤交换
机监控端口输出的数据，并将监控到的数据提交主机, 依靠FC 网络监控工具完成网络故障诊断、故障定位、网 络数据记录和分析。FC 监控卡以高性能FPGA 为核心, 外围配置PR0M,Fla8h 和光电收发器等接口电路。
3） FC 网络监控工具包括PC 端监控软件和FC 数
据存储和协议分析软件。PC 端监控软件为FC 监控卡 提供监控设备设置、触发监控设置和存储设置等人机
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接口，并实时显示监控数据的链路状态、传输状态等关 键属性。FC 数据存储和协议分析软件对监控
到的数 据进行协议分析，可以分析出每个数据帧的SOF, CRC,EOF，以及帧头、数据字段等内容。同时按照用户
的配置，将用户重点关注的关键信息列表显示。
2.2.4 FC 配置仿真平台
FC 网络是一种分布式的大型网络，应用于核心处
理平台这种高复杂度环境时，若随意编排网络通信表， 将导致网络传输延迟过大而造成无法满足应用需求的 现象发生，这个在网络中是不允许的，因此需要FC 配 置仿真平台，通过这些工具生成配置表，并将配置表作
为输入进行配置后仿真，以检查配置的合理性。FC 配置仿真平台为一台内部集成FC 仿真卡的PC 机。FC 配置仿真平台包括网络通信配置工具、网络仿
真工具和网络加载工具。1）网络通信配置工具生成节 点收发通信配置数据、交换机组播配置数据、交换机监
控配置数据，如果是虚拟链路或时间触发的FC 网络，还 要生成交换机的路由表。2）网络仿真工具以配置为输
入，通过仿真判断各个数据流的带宽和延迟，通过分析 得出网络数据的延迟指标，指导网络配置。3）网络加载
工具包括目标机加载软件和PC 端加载软件。目标机加 载软件需要与PC 端加载软件配合，为核心处理平台中所
有模块提供网络逻辑、软件及配置数据的远程加载功能,
目标机加载软件不区分模块，各模块上运行相同软件。
3 FC 网络集成仿真验证应用
3.1基于光开关的对外FC 接口验证
核心处理平台通过对外FC 接口与外部子系统进
行通信。对于平台级验证，核心处理平台所有对外FC 接口需要进行光通道物理层信号质量测试和通信测
试。验证以光交换开关为核心，核心处理平台所有对
外FC 接口通过外置的光交换开关后与FC 仿真卡或 光功率计相连。FC 仿真卡连接光交换开关的第一路
输出，光功率计连接光交换开关的第二路输出。待光 交换开关完成初始化，上位机软件控制光交换开关依
低温脱硝催化剂次遍历所有对外FC 接口，完成对外FC 接口的验证。单人被
基于光开关的对外FC 接口验证流程如图4所示。 可以通过上位机选择光通道物理层信号质量测试和通
信测试两种验证模式。光通道物理层信号质量测试又 分为发送端光功率测试和接收端光灵敏度测试。
（看门蟲嚮周期］L
FC 仿真卡
通信测试|
光开关初 始化i=l
工作模式选择
电路自检测
内
功率痢兪||融舷|
电路自检测
（结束）
图4基于光开关的对外FC 接口验证
Fig. 4 Verification of external FC interface based on optical switch
发送端光功率测试时，核心处理平台对外FC 接口
录；接收端光灵敏度测试时，核心处理平台对外FC 接输出的光信号经光开关切换后进入光功率计测试并记
口输出的光信号经光衰减计、
光开关切换后进入交换
96电光与控制第28卷
机输入通道，调整光衰减计衰减倍数直至输入通道接收信号处于断续状态，再由光功率计测得此时的光功率并记录。
FC数据通信测试时，仿真卡发送的数据经过光开关后输入核心处理平台内置的交换机，交换机将数据
再转发给仿真卡，仿真卡对数据进行判决，完成数据通信验证。通信内容包括块消息和流消息，数据帧数可以通过上位机软件自由设置。
3.2FC数据监控
每个交换机设置2个监控端口，完成对输入和输出物理端口的数据监控。网络监视模块（NM）作为特殊的网络终端接口，提供FC网络系统数据接收和记录功能，通过捕获自交换机监控端口转出的数据信息，实现对FC网络系统数据的监控，为数据记录和分析提供支持。网络数据监控支持对ASM消息ID、输入端口和输出端口监控这3种监控方式。
FC光纤总线监控系统可以实时接收FC网络消息，并对被接收的网络消息进行时标标注。根据实际监控的目标接收并保存加载的监控方案，同时对监控到的数据进行解析、转换、处理和显示。总线数据具有正确性、实时性和可视性，能够采集、记录、监测、回放及图形显示，且图形显示内容可由用户选择。
3.3FC网络管理
核心处理平台FC网络高度复杂，网络管理用于构建功能完备且运行状态可控的网络系统。FC网络管理具备网络控制权管理切换、网络远程终端上下网控制、网络系统物理链路状态监控等功能。方波信号发生器
1）网络控制权管理切换验证核心处理平台网络管理器能否在网络系统初始化时完成管理器争权过程，同时网络管理器节点故障时，网络控制权是否可以实现正常切换，原备份网络管理是否能够正常获取系统控制权。
2）网络远程终端上下网控制验证网络远程终端主动上网、主动下网、被动上网和被动下网是否正常。
3）网络系统物理链路状态监控验证网络管理器能否依据交换机周期广播的链路信息进行物理链路状态监控。网络管理器完成初始化后，网络上的远程终端作为网络客户端初始化并申请上网，模拟某个远程终端的光纤链路故障，则网络管理器和其他远程终端通过获取全网设备状态信息，可以确认光纤链路故障的节点处于下线状态。4结语
FC网络集成仿真验证系统充分模拟核心处理平台的应用环境，为核心处理平台FC网络提供平台级的仿真、验证、测试、监控、分析环境，确保核心处理平台FC网络功能、性能和接口定义满足系统要求。首先介绍了FC网络集成仿真验证系统的架构，接着对核心处理平台的关键技术以及FC仿真卡、FC光开关、FC监控平台、FC配置仿真平台等仿真验证支撑设备的关键技术进行了分析，最后从基于光开关的对外FC接口验证、FC数据监控、FC网络管理等方面对FC仿真验证工作进行了示例。目前FC网络仿真验证系统已成功在某项目上进行了验证，具有广阔的应用前景。
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豫公网安备41160202000603
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