Использование интерфейса Fiber channel для обмена видеоинформацией в бортовых системах

УДК 681.3

В.А.Колядинцев, О.О.Попов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНТЕРФЕЙСА FIBER CHANNEL ДЛЯ ОБМЕНА ВИДЕОИНФОРМАЦИЕЙ В БОРТОВЫХ СИСТЕМАХ

Fiber channel interface videodata exchange in avionic equipments is considered. Two versions of videodata exchange are proposed.

Введение

В качестве интерфейса обмена информацией находит все более широкое применение интерфейс FC-AE (Fiber channel Avionics Environment) [1,2]. Благодаря высокой скорости передачи информации, надежности, возможности сетевого доступа данный интерфейс с успехом заменяет использующиеся в бортовой авионике интерфейсы информационного обмена ARINC-429 и MIL-1553B.

Передача таких данных, как пилотажно-навигационная информация, команды управления, параметры бортовых подсистем и комплексов, действительно требует реального времени, измеряемого микросекундами. Однако в современной бортовой авионике появляются и другие информационные потоки, требующие еще более высоких скоростей и гигантских объемов передаваемых данных. Это потоки видеоинформации, передаваемые между подсистемами видеонаблюдения, прицеливания, системой отображения информации и, наконец, системой видеорегистрации.

Однако в редакции протокола FC-AE rev.2.6 не отражен в полной мере механизм передачи видеоинформации. Таким образом, представляется весьма актуальным восполнить этот пробел и сформулировать необходимые требования к такому интерфейсу.

Особенности интерфейса Fiber channel

Интерфейс обмена информации FС (Fiber channel) занимает особое место среди цифровых интерфейсов передачи данных. Основное направление использования данного интерфейса — это локальные и глобальные сети хранения данных. Основные преимущества интерфейса FC перед интерфейсом SCSI в сетях хранения данных:

— большая дальность связи между отдельными устройствами;

— большая пропускная способность между двумя портами ввода/вывода;

— возможность одновременного доступа к массиву хранения данных для нескольких устройств за счет развитой топологии «Fabric»;

— одновременная передача информации для различных устройств (упаковка данных внутри одного «транспортного контейнера»);

— снижение времени простоя шины за счет отсутствия конфликтов на шине.

По сравнению с технологией Gigabit Ethernet FC имеет следующие преимущества:

— отсутствие конфликтов на шине;

— отсутствие задержки отклика на запрос;

— отсутствие топологической зависимости механизма контроля потоков, что позволяет одновременно использовать различные сетевые протоколы верхнего уровня — Ethernet IEEE 802.x, FDDI ANSI, Token Ring IEEE 802.6 в пределах одной среды распространения.

Основной единицей передачи потока информации по последовательному интерфейсу в соответствии со стандартом FC-PI является 32-битное слово [3].

Данные подвергаются избыточному кодированию 8b/10b, которое предназначено для удаления постоянной составляющей при передаче. Избыточность получаемого кода используется также для формирования дополнительных служебных символов кадровой синхронизации и служебного обмена.

Стандарт БЄ-РІ описывает несколько типов физического подключения устройств между собой: через оптическое волокно или медные провода. Каждый из типов соединений характеризуется набором характеристик, основными из которых являются: дальность связи, длина волны оптического излучателя (для оптоволокна) и тип среды распространения сигнала на одной из базовых скоростей передачи информации. Основные характеристики типов среды передачи сигнала представлены в таблице. Все характеристики в ней указаны для условий, обеспечивающих вероятность возникновения однократной ошибки 10-12.

Основные характеристики типов среды передачи сигнала

Тип кабеля Скорость передачи Мбайт/с,

100

БМ, одномодовое оптоволокно 100-БМ-ЬС-Ь БМ 1 300 нм 2 м — 10 км 200-БМ-ЬС-Ь БМ 1 300 нм 2 м — 10 км 400-SM-LC-L SM 1 300 нм 2 м — 10 км

ММ 50, многомодовое оптоволокно 100-М5-БМ-1 ММ 780/850 нм 2 м — 500 м 200-М5-БМ-1 ММ 850 нм 2 м — 300 м 400-M5-SN-I MM 850 нм 2 м — 150 м

ММ 62,5, многомодовое оптоволокно 100-М6-БМ-1 ММ 780/850 нм 2м — 300 м 200-М6-БМ-1 ММ 850 нм 2м — 150 м 400-M6-SN-I MM 850 нм 2м — 70 м

БЬ несимметричная линия связи (коаксиальный кабель) 100-ББ-БЬ-Б дальность связи зависит от баланса линии 200-ББ-БЬ-Б дальность связи зависит от баланса линии

БЬ симметричная линия связи (экранированная витая пара) 100-БР-БЬ-Б дальность связи зависит от баланса линии 200-БР-БЬ-Б дальность связи зависит от баланса линии 400-DF-EL-S дальность связи зависит от баланса линии

Из табл. видно, что наиболее перспективной средой распространения сигнала является одномодовое оптоволокно, которое обеспечивает дальность связи до 10 км при максимальной скорости передачи информации.

Стандартом FC описывается несколько типов топологий объединения устройств: топология «точка-точка», топология «Fabric» (коммутируемая решетка), топология «петля с арбитражным доступом» [3]. Каждая из представленных топологий обладает набором характерных особенностей, которые влияют на производительность обмена информацией между узлами.

Самая простая схема основана на последовательном полнодуплексном соединении двух ^портов с взаимоприемлемыми параметрами физического соединения и одинаковыми классами сервиса. Один из узлов получает адрес 0, а другой — 1. В сущности, такая схема может рассматриваться как частный случай кольцевой топологии, где нет необходимости в разграничении доступа путем арбитража. В качестве типичного примера такого подключения можем привести наиболее часто встречающееся соединение сервера с внешним RAID массивом.

Структура подключения типа «точка-точка» представлена на рис.1.

^Порт А ^Порт Б

Рис.1. Структура подключения типа «точка-точка»

«Петля с арбитражным доступом» обеспечивает подключения до 126 портов. Любые два порта в кольце могут обмениваться данными посредством полнодуплексного соединения точно так же, как и в случае «точка-точка». При этом все остальные выполняют роль пассивных повторителей сигналов уровня FC-1 с минимальными задержками, в чем, пожалуй, заключается одно из основных преимуществ технологии FC-AL.

Разработчики FC-AL предпочли использовать абсолютную адресацию узлов, что в итоге позволило ретранслировать кадр в неизменном виде и с минимальной латентностью. Передаваемое с целью арбитража слово ARB не понимается и не используется обычными ^портами, поэтому при такой топологии дополнительные свойства узлов обозначаются как L_порт. Структура подключения типа «петля с арбитражным доступом» представлена на рис.2.

Рис.2. Структура подключения типа «петля с арбитражным доступом»

Основным преимуществом «петли с арбитражным доступом» является низкая себестоимость в пересчете на количество подключенных устройств, поэтому наиболее часто она используется для объединения большого количества жестких дисков с дисковым контроллером. К сожалению, выход их строя любого L_порта или соединительного кабеля размыкает петлю и делает ее неработоспособной, из-за чего в чистом виде такая схема сейчас уже не считается перспективной. Кроме того, добавление или удаление L_порта вызывает достаточно длительный процесс инициализации LIP (Loop Initialization Process), который может измеряться десятками секунд при большом количестве подключенных узлов.

В настоящее время наибольшее распространение получила схема организации петли с помощью активных концентраторов, которые умеют изолировать поврежденный L_порт путем автоматического подключения внутреннего резервного пути.

Наиболее перспективна топология, позволяющая преодолеть все ограничения «петли с арбитражным доступом» и представить каждому №_порту выделенный канал FC-AL. Как понятно уже из названия, в основу решетки положен Fiber с^шш^ коммутатор с F_портами (Fabric ports). Структура подключения типа «коммутируемая (коммутационная) решетка» представлена на рис.3.

Nx-Порт

Nx-Порт

Рис.3. Структура подключения типа «коммутационная решетка»

К портам коммутатора Fabric могут подключаться другие коммутаторы или концентраторы, в таком случае это будет называться соединением через №_порт или FL_порт соответственно.

Организация обмена видеоинформацией

Известно, что семейство стандартов FC основывается на одинаковых базовых принципах передачи информации и взаимодействия устройств при построении сети обмена информацией. Так, стандарт FC-PI определяет физическую среду распространения сигнала и способы кодирования информации, стандарт FC-FS описывает формирование пакетов (кадров) и команд для взаимодействия между устройствами. Стандарт FC-AV (Fiber ^annel Audio-Video) rev.1.71 является наиболее подходящим для обмена видеоинформацией, так как он оптимизирован для обмена такого рода данными.

Для одновременной регистрации информации от нескольких источников видеоинформации требуется, чтобы обеспечивалась необходимая пропускная способность канала связи. Так, для одновременной регистрации информации от четырех многофункциональных индикаторов необходима полоса пропускания канала не менее 270 Мбайт/с, что вполне реализуется при использовании канала FC на скорости 400 Мбайт/с. Однако это влечет за собой значительные аппаратные затраты, так как потребует организации связи через «коммутационную решетку» на высокой скорости.

Наиболее простое решение — передача информации по выделенным каналам связи с использованием топологии «точка-точка». В этом случае значительно упрощается прием информации, но вместе с тем возрастают аппаратные затраты, так как необходимо создать многопортовое приемное устройство.

Использование технологии FC позволяет создать систему, которая может выступать как специализированный массив хранения данных при регистрации видеоизображений.

Возможно несколько вариантов предоставления доступа к ресурсам памяти:

а) каждому внешнему устройству выделяется виртуальный массив памяти для регистрации данных. Исходя из этого, каждое из устройств самостоятельно проводит запись информации в пределах выделенной памяти. Для воспроизведения информации по тому же каналу подается запрос на воспроизведение (1 класс сервиса FC — специализированное подключение);

б) каждое из устройств является внешним массивом данных, видеоизображение для регистрации предоставляется по запросу (1 класс сервиса FC — специализированное подключение);

в) все устройства производят передачу видеоинформации без установления логического соединения и подтверждения приема (3 класс сервиса FC — «датаграмма». Датаграмма — это пакет данных и связанной с ним адресной информации, который маршрутизируется в сети с переключением пакетов или передается по локальной сети).

Для обеспечения гарантированной регистрации информации наиболее подходят первые два вида доступа к данным, однако подобное подключение требует значительных программных и аппаратных затрат на реализацию обменов на верхнем уровне протоколов. Для обеспечения гарантированной доставки информации на регистрацию устройства, передающие эту информацию, должны обеспечивать контроль доставки информации.

Подобные меры защиты информации от сбоев требуют значительных аппаратных затрат на промежуточное время хранения данных. Однако из-за того, что между видеокадрами наблюдается значительная корреляция, буфер хранения кадров на передачу используется неэффективно.

Учитывая последнее обстоятельство, можно пожертвовать гарантированной доставкой видеоинформации. Тогда подключение без установления логического соединения и подтверждения приема реализуется значительно проще. Однако подобное решение не позволит отказаться от наличия канала обратной связи между источником и приемником информации, так как стандартом FC-2 и FC-3 оговаривается обязательный отклик принимающего информацию порта R_RDY для контроля готовности «буфер-буфер».

Порядок обмена видеоданными в соответствии с FC-AV приведен на рис.4. В каждом контейнере (Container) может находиться информация от различных источников данных и различных форматов (видео, звуковая, служебная), которые обозначаются как объекты (object).

Схема формирования кадров информации представлена на рис.5.

AV поток

Объекты, добавленные расширенным режимом

Рис.4. Порядок обмена видеоданными в соответствии с FC-AV

Кадр интерфейса Fiber ohannel

Запол-

нение SOF

слова

Заголовок

кадра

Поле данных

Дополнительные заголовки

Истечение/защита

Сеть

Устрой-

ство

Полезная

нагрузка

Запол-

нение

Заполнение слова

Заголовок кадра

CRC

EOF

Связь

R CTL Идентифика- CS CTL Идентифика- ТИП F CTL SEQ ID DF CTL SEQ CNT OX ID RX ID Параметр

тор адресата тор источника

Общая последовательность

контейнера FC-AV

Рис.5. Схема формирования кадра информации в соответствии с FC-AV

На основе проведенного анализа предлагается два варианта организации обмена видеоинформацией в бортовых системах по интерфейсу FC. И в том и другом среда распространения — одномодовое волокно, длина волны оптического излучателя — 1300 нм, топология «точка-точка», контроль ошибок передачи данных — на основе CRC суммы, исправление ошибок не предусмотрено. Но если в первом варианте 3 класс сервиса FC — «Датаграмма», то во втором FC не поддерживается. Что касается степени соответствия стандарту FC, то в первом варианте обеспечивается полная поддержка требований стандарта FC-1, FC-2, FC-3 и частичная поддержка FC-4 (взаимодействие только 3 класса), а во втором — полная поддержка требований стандарта FC-1, FC-2, частичная поддержка FC-3 (формирование информационных пакетов без контроля присутствия узлов), FC-4 не поддерживается.

Оба варианта построения информационного обмена не требуют значительных аппаратных затрат, связанных с гарантированной передачей пакетов данных, тем не менее обеспечивают высокую надежность передачи видеоданных. Организация обмена видеоинформацией по первому варианту выгодно отличается возможностью дальнейшего расширения под требования стандартов FC.

Вывод

Таким образом, для передачи видеоинформации в аппаратуре бортовой авионики наиболее предпочтительно использовать интерфейс Fibre channel с использованием в каче-

стве среды распространения одномодового волокна. Предложено два варианта организации информационного обмена, которые характеризуются простотой логического взаимодействия между узлами.

1. 14th Digital Avionics Systems Conference AIAA/IEEE: 20 years later! 5-9 November 1995. Cambridge, Massachusetts: IEEE Order Dept. 1995. 516 p.

2. Benner Alan F. Fibre Channel for SANs. New York: McGraw-Hill, 2001. 360 p.

3. International standard ISO/IEC CD 14165-1: Information Technology - Fibre channel - Part 1. Physical and signalling interface (FC-PH) // www.iso.ch