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1、光纤通道（FC）协议分析光纤通道协议（简称 FC 协议）是美国国际信息技术标准委员会（INCITS）于 1998 年开始制定一种高速串行通信协议。该协议将快速可靠的通道技术和灵活的、可扩展的网络技术有机融合在一起。FC 协议发展至今，已经能够支持很多上层协议和指令集，例如：MIL-STD-1553B、IP、ATM 等协议以及 HIPPI、IPI、SCSI等指令集。支持光纤和铜缆等多种物理介质。FC 协议能够很好地实现全双工、半双工和单工的通信模式。FC 协议的基本特点是：灵活的拓扑结构、高带宽、高可靠性、低迟延、开放性。n 光纤通道分层结构类似于 OSI 的七层模型结构和 TCP/IP 的四层
2、模型结构，FC协议具有五层模型结构。FC-0：接口与媒体层，用来定义物理链路及特性；FC-1：传输协议层，定义了编码/解码方案、字节同步和有序集；FC-2：链路控制层，定义了传送成块数据的规则和机制；FC-3：通用服务层；FC-4：协议映射层，定义高层协议映射到低层协议的方法。n FC-0 接口与媒体层研究FC-0 接口与媒体层即为光纤通道协议的物理层。该部分主要涉及的是传输介质以及使用的收发器等，即从物理组成方面来定义光纤通道协议的要素。1.光纤通信原理光纤通信采用光纤作为传输介质，光作为信息的载体。它首先要在信号发射端将需要发送的电话、电报、图像和数据等电信号进行光电转换，即将电信号变成光
3、信号，再通过光纤传输到接收方的端口，接收端将接收到的光信号转变成电信号，继而还原成原信号。图 3-1 为光纤通信系统，可将其分为三个基本组成单元：光发射器、光纤和光接收器。光发射器由将传输信号进行电光变换的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成。光源是其核心部件，由半导体发光二极管 LED 或者激光二极管 LD 组成。光纤在使用系统中一般以光缆的形式存在。光接收器由光检测器、放大电路和具有信号恢复功能的解调电路组成。光发射器和光接收器也称为光端机。在光纤通信系统中还包括大量的有源、无源光器件。2.光收发一体模块的选择所谓的光收发一体模块即是能实现光电、电光转换，具有独立发射驱动和接收放大电路
4、，符合电信传输标准的光电子系统。光收发一体模块从九十年代开始应用以来，各类光通信的系统接口部分都采用其作为核心器件。光收发一体模块（Optical Transceiver Module）具有结构小、成本低、可靠性高、性能好等优点。图 3-2 为光收发模块的原理框图。光发射部分使用偏置控制电路给激光源提供偏置电流，数据信号进入高速缓冲器整形后，形成调制电流，激光器输出光信号，完成电光转换和数据发送。调节调制电流和偏置电流可以起到控制光收发模块的消光比和稳定输出功率的作用，此调节电路称之为 APC 自动控制功率电路。而温度控制电路 ATC 由制冷器和热敏电阻双向控温，用以稳定模块工作时的光源中心波
5、长。光接收部分主要由 PD探测管，前置放大器，主放大器，均衡电路和时钟提取电路组成。PD 探测管将接收到的光信号转为电信号，完成光电转换，前置放大器用于降低噪声干扰，提高接收灵敏度。主放大器对信号进行整形放大后，再由判决再生电路和时钟电路将信号还原。光收发一体模块包括的种类有：（1） 1x9 双工 SC，ST 连接器光模块（2） RJ45 电口小型可插拔模块（3） 点对点双向光模块（4） 千兆以太网接口转换器（GBIC）模块（5） 无源光网 PON（G-PON，GE-PON）光模块（6） 小型可插拔收发光模块（SFP）（7） 10Gb/s 光模块（XFP，SFP+）目前应用最为广泛且有着巨大发
6、展潜力的是支持热插拔的 SFP 模块。故从通用性和升级性考虑，本设计采用 SFP 封装的光纤收发模块。SFP 光模块是一种小封装、可热插拔的光纤收发一体模块。小封装能够提高线路接口模块的端口密度，可插拔性则为用户更换模块提供方便，有利于升级和维护设备。SFP 光收发模块采用 LC 光接口，SFP 光收发模块有多模和单模之分，多模 SFP 主要应用于短距离的数据传输，单模 SFP 则主要用于中、长传输距离。SFP代表了收发模块发展的方向。而智能 SFP 光模块，即带有数字诊断功能的 SFP 光模块，则是各厂商技术升级换代的标志性产品，通过光模块自带的数字诊断功能，可以得到光模块的相关状态，从而为
7、我们对光通信产品的调试、使用以及整个网络的维护提供检测手段和方法。SFP 提供的性能检测手段，可以帮助系统管理预测光模块的寿命、隔离系统故障并在现场安装中验证模块的兼容性等等。本课题综合多方面考虑采用多模传输的智能 SFP 模块，选定 AVAGO 公司的HFBR-57L5AP，该收发模块兼容光纤通道协议，高速串行信号传输速率可达1.0625Gb/s，工作温度为-10+85，传输距离可达 550m，且具有能够实时检测功能的数字诊断功能。图 3-3 为所选用的光纤收发一体模块原理图。TD与 RD为高速串行信号线，设计时要将其与 SERDES 芯片相连，由于该信号线上传输的信号为高速差分信号，因此在
8、具体 PCB 设计的走线上要满足阻抗匹配。FPGA 部分连接光纤模块的如下引脚，用于监测和控制光纤模块。TX_FAULT：激光出现错误时，激活该信号，使其被锁为高电平。该信号一旦被激活，激光将停止发射。该信号由 TX_DISABLE 或电源清零。通过 FPGA 观察该信号。TX_DISABLE：光学输出无效使能，高电平有效。RX_LOS：输入信号电源不足时，该信号被激活。高电平有效，表示调制信号缺失或硬件连接错误（如光件已坏或远程收发器不好使）。MOD_DEF0：高电平用于指示光模块的存在。MOD_DEF1，MOD_DEF2：I2C 总线控制信号。3. 光模块的物理连接方案光纤通道物理连接界面
9、要求将并行结构的数字系统连接至一个高速串行通信链路，且数据格式为 8b/10b 编码。当数据从多比特并行字转换成 8 位的字节，继而编码成 10 位的字节，并再将其转换成高速串行数据时，相位噪声（AKA 抖动）的影响将随着时钟频率的提高和字节周期的缩短变得更加明显。为使 10 比特宽的编码字节串行化，设置在串并行转换器（SERDES）发送端的锁相环（PLL）会将并行数据传输时的钟频率提高 10 或 20 倍，在编码过程将并行数据复用，产生高速串行数据。嵌入在 SERDES 芯片接收器内的另一个 PLL 可提取将串行数据转换成并行数据所需的时钟。在光纤收发器模块中也集成了一个复杂的电路，用来将S
10、ERDES 的数据输出转换为调制激光器所需的模拟信号，并且将接收到的光脉冲转换回差分数据输出。安捷伦科技的（SERDES 芯片）嵌入式 PLL 使用了完善的电荷泵误差信号放大器和位频率检测器，改进了对电源噪声的抗干扰性。同时在所选的光收发一体模块资料中也给出了较为适合光模块的 SERDES 芯片，以及其接口电路。本课题选择的是安捷伦科技的 HDMP-1636A，该芯片满足光纤通道的1.0625Gb/s 的传输速率，能将已编码的 8b/10b 码的 10 位数据转换为高速串行数据，也能完成将高速串行数据变为 8b/10b 码的 10 位数据。其工作主要是从发送和接收两方面来完成的。发送部分接收1
11、0位并行TTL电平数据，并将其串行化形成高速的串行数据流。接收的 10 位并行数据要求是 8b/10b 编码或是同等码制，这些并行数据在参考时钟（作为发送字节时钟）的上升沿被锁存至输入寄存器。光纤通道的参考时钟要求为 106.25MHz。发送部分的锁相环将用户提供的参考时钟锁住，这个时钟然后被 10 倍频来产生用于输出高速串行数据流的时钟。这个高速数据流直接连至铜质电缆或光纤模块输出。接收部分接收 1062.5M 波特率的串行数据流并将其恢复成 10 位并行数据。接收部分的锁相环锁存住输入信号，并将其恢复成串行时钟和数据。串行数据被转换回 10 位并行数据，同时识别 8b/10b 编码特点来排
12、列字节。恢复的并行数据对于用户来说都是 TTL 电平输出的。接收部分也恢复两个接收时钟，并且这两个时钟相位相差 180 度。对于光纤通道来说，该时钟则为 53.125MHz。并行数据将被恰当的按照每个时钟的上升沿进行排列。ENBYTSYNC 引脚控制的 BYTSYNC 信号是整个时序的关键，它用来完成数据字节的同步。当检测到二进制数据 101111100（K28.5 的 RD-编码）时，BYTSYNC信号有效，同时恢复的时钟 RBC0 和 RBC1 对数据是严格的沿对齐。同时，方便于测试，芯片给出了一个外部输入引脚来控制本地数据自收自发。图 3-4 为SERDES 芯片的原理框图。n FC-1
13、 传输协议层研究FC-1 层定义了串行序列的物理传输编解码、有序集的组成以及端口状态机等。FC 在该层定义了传输码制，即采用 8b/10b 数据编码传送信息。1.8b/10b编解码方案光纤通道中为了增加数据传输的可靠性，采用了传输带宽小、转换密度高以及码字游程长受限的 8b/10b 编解码方案。它将原 8 位数据编码成为 10 位的字符，增加了数据中的高低电平变换（即 1/0 变换），有利于实现编解码前后的时钟同步，此外还能帮助实现直流平衡，以便接收器的输入没有直流（DC）漂移。由于采用该码制的链路可以是交流（AC）耦合的形式，因此，设备厂商提供了更大的灵活性。而且这种编码有利于检测出传输过程
14、中单个和多个比特的误码，同时编码方案中的一些特殊字符为比特流的码组定位和信息识别提供了有力的支持。将 8b/10b 编码划分为 3 个模块实现，较好地反映了 8b/10b 编码的特点，实现流程清楚，容易编写代码，图 3-5 为 8b/10b 编码框图。其具体实现步骤为：（1）判断是特殊字符还是数据；（2）若是特殊字符，根据 RD 极性直接取值；（3）若是数据，根据 RD 极性确定 6bit 的取值；（4）根据 6bit 编码值确定 4bit 的编码取值。图 3-6 给出了解码模块的基本结构框图。8b/10b 解码的难点是将 1024 个数据当中的有效数据字、特殊字和错误字分辨清楚。在 1024
15、 个数据当中，有 24 个特殊字、440 个有效数据字和 560 个错误字。因此解码模块可以分成四个主要子模块，即为特殊字解码子模块、错误字检测子模块、有效数据字解码子模块和 RD 及 RD错误计算子模块，用于完成解码、错误检测和 RD 计算等功能。2.光纤通道有序集研究光纤通道协议的有序集分为三种：帧界定符，原语信号和原语序列。其中帧界定符包含帧开始（SOF）和帧结束（EOF），指出帧的起始和终止，指出帧的服务类型，并给出帧在序列中的相对位置并说明帧内数据的有效性。原语信号是由特殊的 K28.5 编码开始的连续四字节的一组特殊信号，主要用于说明各端口的状态变化和通知事件的发生。主要的原语信号
16、包括空闲信号（IDLE）和准备完毕信号（R_RDY），空闲信号的传送一方面是说明链路空闲，另一方面则保证链路之间的通畅，不让其他信号传递。R_RDY 信号主要用于缓冲到缓冲的流控制，用于确认接收方有能力接收更多帧。表 3-1 为原语编码表。原语序列是不断发送的有序集，在原语序列协议中用来完成链路初始化和链路层校正。发送原语序列表明端口的状态在发生变化。原语序列包括不操作（NOS），离线（OLS），链路故障（LRR），链路复位（LR）等等。3.端口状态机原理设计在光纤通道中，端口是通信的基本单元。所有连接到光纤网络上的设备都必须有光纤端口，这些端口控制数据的传输。当端口上电或复位后，它必须经过一套严密的握手机制由非激活状态转换为正常工作状态；另外，在数据通信过程中，若发现链路故障、超时、缓冲区溢出、信号丢失或不同步等异常情况时，端口也要启动特定的协议来进行故障排查、
