光纤通道FC协议栈行业市场发展分析研究报告.docx

1、光纤通道FC协议栈行业市场发展分析研究报告光纤通道FC协议栈行业市场发展分析研究报告1 FC概述光纤通道(Fiber Channel ,FC)技术是一种能够为存储设备、IP数据网、音频流等应用提供高速数据传输的骨干网络技术。早在1988年，惠普（HP），SUN和IBM等公司就开始了对这项技术进行实验和开发、经过多年的发展，光纤通道技术已经发展成为一项完备的，高速的和高扩展性的网络技术，现在的光纤通道技术主要应用在网络数据存储、高速IP数据网、音视频流等多种领域。目前，光纤通道技术可以广泛提供1 Gb/s速率的设备，价格有所降低，设备的端口密度可以达到数十个甚至上百个。2 Gb/s设备已经实用化

2、，标准化和互操作性等都有所提高。FC是由美国工业标准协会(ANSI)提出的通道标准，其目的是适应快速增长的高速数据传输的需求。为了能够适应可能出现的技术变革，提供更快更好的性能，光纤通道技术被设计为具有下面的这些要素： 为可扩展性、小型光纤，连接器和距离扩展能力准备的串行传输； 最大规模网络应用中的异步通信； 交互通信能力和连接新的传输介质的能力； 低延迟的交换网络互联; 为开发和配置复杂性准备的模块化和层次化结构； 高带宽、低延迟的最低错误率和轻量级错误;我们可以认为光纤通道是一种通用的传输通道，它能够为多种高层协议(Upper Level Protocols，ULP)提供高性能的传输通道，

3、这些协议包括智能外设接口(Intelligent Peripheral Interface，IPI)命令集、小型计算机系统接口(Small Computer System Interface，SCSI)命令集或高性能并行接口(HighPerformance Parallel Interface，HIPPI)数据帧、互联网协议(Internet Protocol，IP)、IEEES022等。在逻辑上，我们可以将FC看作是一种用于构造高性能信息传输的、双向的、点对点的串行数据通道。在物理上，FC是一到多对应的点对点的互连链路，每条链路终结于一个端口或转发器。FC的链路介质可以是光纤、双绞线或同轴电

4、缆。在FC系统中，所有的设备(如主机或存储系统)的连接都是由两条单向的传输通道构成的，一条用于发送，另一条用于接收，每一条传输通道都要将一个设备上端口的发送器与另一个设备上端口的接收器连接起来。传输通道介质可以采用单模光纤、多模光纤双绞线或同轴电缆，相应的设备端口可以采用SC、SG、LC或MTRJ。FC提供了非常广泛的介质速率选择范围，计入8 B10B编码和其他开销之后，对于净负荷100MB/s的传输速率，介质上的传输速率要达到1063 Mbs。这一速率是实际速率，称为全速(Full Speed)。还可以分为半速、14速、1培速等。同样，FC系统也定义了倍速和4倍速(如下表所示)。表1-1 F

5、C速率类型净负荷MB/s速率Mb/s与全速的比率12.51331/8251661/4505311/2100106312002126240042524FC系统中设备的连接有三种拓扑方式：点对点方式(Point to Point)、交换方式(Fabric)、仲裁环方式(Arbitrated Loop)。FC协议栈模型可以用下图来表示： 图1-1 光纤通道协议栈结构 1.FC-0层描述物理接口，它包括传送介质，发射机和接收机及其接口。FC-0层规定了各种介质和与之有关的能以各种速率运行的驱动器和接收机。 2.FC-1层描述了8B/10B的编码规则，该码型可以实现传送比特流的DC均衡，使控制字节与数据

6、字节分离且可简化比特，字节和字同步。另外，该编码具有检测某些传送和接收误差的机制。 3.FC-2层是信令协议层，它规定了需要传送成块数据的规则和机制。在协议层，FC-2层是最复杂的一层，它提供不同类型的服务，分组，排序，检错，传送数据的分段重组，以及协调不同容量的端口之间的通信需要注册服务。 4.FC-3层提供的一系列服务，是光纤通路节点的多个N端口所公用的。由于必要性限制，故对这层尚未给出明确定义，但是它所提供的功能适用于整个体系结构未来的扩展。 5.FC-4层提供了光纤通路到已存在的更上层协议的映射，这些协议包括IP、SCSI协议，或HIPPI等等。2 FC-0(Physica1)层FC-

7、0层定义了FC中的物理部分，包括光纤、连接器以及不同传输介质和传输速率所对应的光学和电器特性参数。另外，在FC-0层中还详细说明了各种介质以及相应的驱动和可能的接收速度。FC-0层又分为介质子层和接口子层，介质子层描述了不同传输介质的光学和电器特性，以及相应的传输速率和距离范围。目前支持的传输介质主要有单模光纤(Single mode，SM)、多模光纤(Multi mode， Mm)、视频电缆(Video Cable，VC)和微型电缆(Miniature Cable，MI)以及屏蔽双绞线(Twisted Pair，TP)等。接口子层描述了不同传输介质的接口规范，及其接口插座的光信号特性，其中包

8、括发送接口(TX)和接收接口(RX)，如：SC、SG、LC、MT-RJ等。另外，在FC-0层中还定义了发送状态、接收状态、输人数据相位跳转的回应、不可用码的限制、接收初始化时间等内容。 发送状态发送状态由FC-l层控制，状态值由从FC-l层接收的串行数据信号转换为与传输介质相适合的信号类型。FC-0层共有3种状态：不可发送状态(Transmitter NotEnable State)，表示光发送器的光源输出关闭，或者是电路发送器的输出电平小于最小限制或为零。在电源打开时，FC-0层将置于不可发送状态，直到FC-1发出信号。可发送状态(Transmitter Enable State)，表示发送

9、器能发送数据比特序列。发送失败状态(Transmitter Failure State)，有些发送器能够监控自己内部发生的错误，当其发现错误后将自己置于发送失败状态，另外有些发送器不能够监控自己内部发生的错误，所以也就不具备发送失败状态。 接收状态接收器从传输介质中接收数据比特序列，然后放大数据信号并且联合时钟一起送给FC-1层进行处理。FC-0层中没有接收状态。 输入数据相位跳转的回应有些支持链路控制功能(Link Control-Facilities)的FC物理设备可以检测到输入串行比特数据流的相位不连续，并且提供相应的恢复特性。 不可用码的限制FC-0层并不检测传输编码中不合规则的比特流

10、，如：非法的命令集等，FC-0层总是希望将比特流传输到能够提供码流校验的更高层去处理。而FC-0层只是尽可能地提供码流传输的同步和提供误码率(Bit Error Rate，BER)小于10 -12等必须条件。 接收初始化时间FC-0层接收器的初始化时间指的是，从初始接收有效输入数据开始到对输入比特流同步并以保证的误码率放大和转发的时间。整个接收器的初始化时间应当不大干1 ms。3 FC-1(Code)编码层FC-1层中定义了FC的底层传输协议，包括串行编码、解码和链路状态维护。在FC中，数据的传输采用8 B10 B编码，用以限制最大运行编码长度维护数据比特流电位的平衡并且提供信息数据的编码对齐

11、。经编码处理后的字符共有两类，一类是数据字符，一类是专用字符。在FC-1层中由几个专用字符组合在一起，并通过字符命令集来表示一定的特殊含义，如：帧边界、简单传输请求或通过周期性的交互维持链路传输状态。3.1 8 B10 B编码在FC-1层中，信息数据的传送编码是将1个字节8比特转换成10比特的传输字符，然后再将比特流进行串行传输的。在接收端如果是数据字符，则将10比特的传输字符转换为8比特的标准字节，FC支持所有0-255的8比特标准字节，如果是保留的专用字符将不被转换，而直接进行功能处理。FC-1使用字母符号表示数据信息比特和控制变量。对于上层FC-2层的1个数据字节，在FC-1层中由A，B

12、，C，D，E，F，G，H表示，同时由z表示控制变量(如图3所示)，这个信息经过FC-I的8 B10B编码转换为1个A，B，C，D，E， F，G，H，I，J的10比特传输字符。其中每个信息比特表示的值为1或0，每个控制变量表示的值为D(数据字符)或K(专用字符)。对于每一个标准的8比特传输字符，均采用Zxx.Y的命名法则进行编码转换，其中Z是未编码的传输字符的控制变量，如果传输字符是有效数据字符，则Z=D；如果传输字符表示专用字符，则Z=K。小数点前面的xx表示比特符号E，D，C，B和A的二进制值，小数点后的Y表示比特符号H，G和F的二进制值。经过Zxx.Y命名转换后的传输字符可以通过编码表获得

13、l0比特的传输编码(参见FC-FS 标准中的10比特编码表)。下图示例了FC-2层十六进制字节0xBC分别作为有效数据字符和专用字符在FC-1层中的字符编码命名和10比特转换过程。图3-1 光纤通道编码3.2链路维护FC-1层的链路维护是通过系统对发送器和接收器的逻辑状态进行控制来完成的。发送器和接收器的逻辑状态大致可以分为操作状态和非操作状态两种。接收器状态转换见下图。当接收器检测到一个信号，而且接收器又不在回路模式时，接收器将尝试进行接收器收到的传输字边界字符的编码比特流之间的同步。如果没有边界分隔字符发现，接收器将返回同步丢失的错误。图3-2 接收器状态转换接收器的操作状态包括同步获得状

14、态(SynchronizationAcquired)和同步丢失状态(Loss-OfSynchronization)。当接收器收到的传输字边界字符与发送器产生的边界字符相同时，接收器进入到同步获得状态，同时接收器开始接收比特信息流，并开始进行解码。当接收器收到的传输词边界字符与发送器产生的边界字符不相同时，接收器进入到同步丢失状态。接收器在进入到同步丢失状态以后，仍然保持可操作状态，但是不再接收比特信息流和相应的解码。接收器的非操作状态只有重置状态(Reset)一种，当内部或外部的重置条件被强加给接收器时，接收器将成为非操作状态，并随之进入重置状态。正常情况下，接收器的初始状态为同步丢失状态，此

15、时的接收器会尝试进行同步，一旦和发送器建立了同步，接收器就进入同步获得状态进行比特信息流的接收和解码，如果接收器检测到信号丢失条件，那么就从同步获得状态转入同步丢失状态，一般信号丢失条件为连续收到5个非法传输词字符，无论接收器是在同步获得状态还是在同步丢失状态，当内部或外部的重置条件被强加给接收器时，接收器将转入重置状态FC)，而当内部或外部的重置退出条件被强加给接收器时，接收器由重置状态转入同步丢失状态，在FC标准之中没有明确地定义重置条件和重置退出条件，具体实现由厂商完成，最典型的重置条件和重置退出条件是电位重置。当发送器处于操作状态，发送器将持续尝试向所连接的光纤发送经过编码的比特信息流

16、有些发送器能够监视发送信号和校验其有效性，如果发现错误，发送器会转入非操作状态。FC-1层发送器的操作状态包括工作状态(Working)、不可用状态(NotEnabled)和开放光路状态(OpenFiber)。当发送器积极地尝试向所连接的光纤发送经过编码的比特信息流时，发送器处于工作状态。当一个发送器端口请求或被外部事件所初始化，发送器将进入不可用状态，而当发送器检测到一个激光安全条件，发送器将进入开放光路状态。发送器在进入到不可用状态和开放光路状态，将保持操作状态。激光安全条件的检测是由FC-0层的链路控制功能(LinkControlFacilities)来完成的，旦发送器进八开放光路状态，

17、不管是否接收到可用或不可用的端口请求，发送器都将一直保持开放光路状态，直到发送器检测不到激光安全条件。发送器的非操作状态只有失败状态(Fai1ure)一种，当发送器检测到一个失败条件后，发送器将成为非操作状态，并随之进入失败状态。失败条件的检测，是由各个生产厂商定义的单一信号的检测，FC标准没有作明确规定。正常情况下，发送器的初始状态为不可用状态，如果发送器收到端口可用的请求，而且又没有检测到激光安全的条件，那么发送器就会进入工作状态，然后开始向所连接的光纤发送编码比特信息流如果处于开放光路状态的发送器检测到激光安全条件不存在了，而且又没有明显的禁用请求，那么发送器就会转入到工作状态。如果处于

18、工作状态的发送器收到一个禁用请求，而且又没有检测到激光安全的条件，那么发送器就会回到不可用状态。无论发送器是处于工作状态，还是处于不可用状态，只要是发送器检测到了激光安装条件，那么发送器就会转入到开放光路状态。如果处于工作状态的发送器在向所连接的光纤发送编码比特信息流时检测到了一个失败条件，那么发送器就会转入到失败状态。如果处于开放光路状态的发送器检测到激光安全条件不存在了，而且收到明显的禁用请求，那幺发送器就会转入到不可用状态。发送器只有在工作状态下，才会向所连接的光纤发送编码比特信息流，而当处于不可用状态或开放光路状态时，将停止向所连接的光纤发送编码比特信息流，但是仍保持操作状态。如下图所

19、示：图3-3 发送器状态转换图4 FC-2(Protocol)层数据帧及数据包的发送和接收是在FC-2(Protocol)层实现的，FC-2层定义了帧结构、命令集、序列、交换、分类服务等内容。FC-2层定义了4种数据传输单位：帧、帧序列、帧交换和数据包。当上层协议的数据单元长度大于光纤通道数据帧负载的最大长度2112个字节时，则需要被分割成多个数据帧，这些数据帧就被称为帧序列。一个帧序列表示一个上层协议数据单元，而上层应用程序对数据的操作通常基于一个个操作，一个操作包括双向的几个数据单元交换，因此，用帧交换来表示上层协议的一个操作，一个帧交换内只能有一个帧序列处于活动状态。数据包是由一个或若干

20、个帧交换组成。4.1帧(Frame)结构数据帧由帧起始（SOF）、帧报头（frame header）、数据字段、冗余校验码（CRC）和帧结束（EOF）组成。帧起始、冗余校验码和帧结束都是由一个传输字组成。帧报头由6个传输字组成。负载最多能有537个传输字（2112个字节），数据帧格式如下图所示。图4-1 FC-2的帧格式 帧报头格式每个帧含有一个24字节的帧头，它包括字段描述内容和帧处理。帧头格式包括下列字段：R_CTL：路由控制。D_ID：目的标识符。S_ID：源点标识符。CS_CTL：类型特殊控制。TYPE：数据结构类型。F_CTL：帧控制。SEQ_ID：序列标识符。DF_CTL：数据字段

21、控制。SEQ_CNT：序列数。OX_ID：发送端交换ID。RX_ID：响应端交换ID。参数：数据帧中的相对偏移。帧头字段的主要作用是唯一的标识帧。每个帧是由称为帧ID值的（S_ID,D_ID,OX_ID,RX_ID,SEQ_ID和SEQ_CNT）值来唯一地标识。帧报头格式如下图所示：图4-2 帧报头格式路由控制字段：R_CTL提供不同类型帧之间第一层的区别，起到归类帧的作用,路由控制(R_CTL)是1个字节字段，它包括两个四位的子字段，即：路由子字段和信息子字段,路由控制字段 R_CTL 类别码如下表所示。表4-1 R_CTL 类别码路由帧类型0设备数据帧2扩展链路服务3FC-4 链路数据4视

22、频数据5扩展头8基本链路服务c链路控制帧f扩展路由其他保留地址标识符：S_ID和D_ID每个N端口有一个3字节N端口标识符，在交换结构地址域内是唯一的。F端口像N端口一样都具有唯一的本地地址标识符，它可以用于将帧连接到交换结构上的端口。等级特别控制：CS_CTL用于与服务类型有关的帧处理。这个字段只在第1类和第4类帧中才有意义。数据结构类型：TYPE一个可进一步标识帧种类的字段。最常见的用法是在数据帧中来区别FC-4 ULP接口。该字段和R_CTL字段共同标识出帧的具体类型。首先通过R_CTL字段标识出该帧是数据帧还是链路控制帧，再通过该字段进一步标识出帧的类型。例如当R_CTL0xh, TY

23、PE=0Ah 则表示该帧为承载SCSI协议的数据帧。帧控制:F_CTL一个含有与帧内容有关的控制信息，一个3字节字段，大多数其他帧头字段基本上是用于帧标识，F_CTL是控制帧处理的重要字段，对于不同的服务类型来说，相关的控制位有不同的值,同时控制字段的有效性也不同。F_CTL各字段的详细描述如下表所示：表4-2F_CTL格式控制字段位描述交换上下文230 交换发起端1 交换响应端序列上下文220 序列发起端1 序列响应端第一个序列210 交换的其它序列1 交换的第一个序列最后一个序列200 交换的其它序列1 交换的最后一个序列结束序列190 序列的其它数据帧1序列的最后一个数据帧结束连接(Cl

24、ass 1 或 Class 6)180 连接激活1 连接挂起结束(Class 1 或 Class 6中有效，在其它类型中忽略)CS_CTL/优先级170 字1的3124位表示CS_CTL1字1的3124位表示优先级序列Initiative160 保持序列Initiative1 传输序列Initiative废弃15废弃14ACK形式（Class1,Class2,Class6有效）13-1200b 不需要额外提供01b 需要Ack_110b 保留11b 需要Ack_0数据压缩（废弃）11数据加密（废弃）10序列重传（Class1,Class6有效）90 初始序列重传1 序列重传单向传输（Class

25、1,Class6有效）80 双向传输1 单向传输连续序列条件（当结束序列=1, 序列Initiative=0时有效）7600b 无信息01b 实时序列10b 快速序列11b 延迟序列终止序列条件54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 实时序列重传请求数据帧00b 异常中止，丢弃多个序列01b异常中止，丢弃一个序列02b 无限缓存处理策略11b丢弃多个序列，立即重传相对偏移30 一些帧定义的参数字段1 参数字段，相对偏移交换重组2交换重组保留填充字节10净荷结束，不满4字节整数倍，填充00b 填充0个字节01b填充1个字节10b填充2个字节11

26、b填充3个字节序列ID：SEQ_ID用来唯一标识交换内的序列，由序列发起端分配。数据字段控制：DF_CTL规定帧头和帧净荷之间任选头标所包含内容的说明。数据字段中定义的可选报头是：网络报头(Network Header)、关联报头(Association Header)和设备报头(Device Header)。序列计数：SEQ_CNT用来唯一地识别出一序列的帧，保证帧接收的连续性并使链路控制帧与它们相关的数据帧具有唯一的关系。发送端交换标识符：OX_ID发起端交换标识，是除了FFFFh以外的值。响应端交换标识符：RX_ID接收端交换标识，是除了FFFFh以外的值。参数字段：此字段与帧类型有关。

27、对链路控制帧而言，参数字段给出链路控制帧的特定类型。对数据帧而言，参数字段包含相对偏转值。这规定从ULP缓冲区与ULP基础地址的偏移。参数字段的定义：对请求数据类(FCP_DATA IU)，参数字段应该包含一个相对的偏移，F_CTL的相对偏移位应该置为1，表明参数字段的值是一个相对偏移。相对偏移是个4的整数倍。对非请求控制类(FCP_CMND IU)，参数字段依赖任务重试标志是否激活，如果发送和接收的FCP_PORT在任务重试上达成一致，参数字段应该置为任务重试标志，如果发送和接收的FCP_PORT在任务重试上没有达成一致，参数字段应该置为0。不管哪种情况，F_CTL字段的相对偏移位都应该置为

28、0。对其他的FCP类型的Device_data帧，F_CTL字段应该置为0，相对偏移字段包含0。 帧的内容域帧内容域的数据长度是4字节的整数倍，当长度不足4字节的整数倍时将采用向内容域中填充1-3个字节，从而使其长度达到4字节的整数倍。内容域中字段描述如下图所示：图4-3 帧内容帧数据段中的可选报头是提供给FC-4层使用的，可选报头头的类型是由帧报头的DF_CTL字段决定的。DF_CTL字段的长度是一个字，对应位与所定义的附加报头如下表所示。表4-3附加报头字段对应位Bit(s) 可选报头 可应用范围 23 保留 所有帧 22 0 = 无 ESP_Header 和 ESP_Trailer 1

29、= ESP_Header 和 ESP_Trailer 所有帧21 0 = 无 Network_Header 1 = Network_Header 设备数据和视频数据帧20 0 = 无 Association_Header 1 = Association_Header 设备数据和视频数据帧19-18 保留所有帧17-16 00 = 无 Device_Header01 = 16 Byte Device_Header 10 = 32 Byte Device_Header11 = 64 Byte Device_Header设备数据和视频数据帧可选报头的长度和类型如下图所示：图4-4 FC-2帧的内容域

30、中可选报头和负载4.2命令集(Ordered Set)在FC-2命令集中的每条命令均由表示数据或专用符号的4个字符组成，每条命令均表示一定的含义。命令集提供有效性使获得的比特或字同步，同时命令集也用于建立字边界对齐。所有命令都以专用字符K28.5作为开始。在FC-2层有帧定界符、原始信号、原始序列三种主要的命令。 帧定界符(Frame Delimiters)包括帧开始(SOF)和帧结束(EOF)命令集。用于表示一个帧的开始与结束，在交换拓扑和节点瑞口中由多个SOF和EOF定界符用于序列控制。例如：典型的SOF命令为K28.5 D2l.5 D23.0 D23.0、EOF命令为K28.5 D21.

31、4 D21.6 D21.6 。 原始信号(Primitive Signals)包括空闲Idle)和接收器准备(Receiver Ready，R-RDY)命令集。当一个可操作的节点端口准备好发送或接收数据时，一个表示空闲命令的原始信号会被发送；当接口缓冲区准备好接收数据帧时，一个表示接收器准备的原始信号会被发送。 原始序列(Primitive Sequence)是一组被连续地重复发送的命令集用于表示节点端口特定的状态或端口逻辑状态。当一个原始序列被节点端口接收或识别节点端口恢复个相应的原始序列或空闲命令。识别一个原始序列需要连续地检测3个相同命令集的实例典型的原始序列有FC-l层的OLS、NOS、LR、LRR状态命令。4.3序列与交换 序列(Se