10Gb光纤通道技术及其测试挑战分析

本文讨论了10Gb光纤通道(Fibre Channel)技术。光纤通道协议带来的主要改变是使其采用了10Gb以太网中定义的64B/66B传输码，并因此创建了10GFC层。因此，在检查被测试设备与标准的一致性时，就必需采用能够进行PCS分析的专用工具。此外，在10GE标准中引入接收机一致性测试，这也为10Gb光纤通道接收机的测试带来了更多的挑战。

随着1/2千兆位(Gb)光纤通道在存储网络(SAN)中找到了用武之地，光纤通道产业已经开始着眼于10Gb光纤通道。这将是一次怎样的发展？它对评测10G光纤通道产品所需的测试类型又会有怎样的影响呢？要全面了解光纤通道向10Gb发展对光产业的影响，我们首先必需考察10Gb光纤通道技术的要求，以及它所带来的光纤通道标准的变化。

10Gb光纤通道

10Gb光纤通道协议的运行信号速率为10.518Gbps，其结构与所有数据率下的光纤通道结构相同(见图1)。光纤通道协议定义了5个功能层，FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4，每层包含的功能如图1所示。ANSI INCITS 373-2003 (FC-FS)标准对FC-1、FC-2和FC-3层的功能均做了规定。

而针对10Gb光纤通道，FC-FS只对FC-1层的功能做了一些微小的改变。10Gb光纤通道带来的最大的变化是产生了ANSI INCITS 364-2003 (10GFC)标准，该标准定义了10Gb光纤通道接口的物理层要求。另外，10Gb光纤通道协议不支持针对较低信号速率定义的仲裁环路 (arbitrated loop)拓扑。

图2 描述了在10GFC标准中定义的10Gb光纤通道端口内的协议组成。除了ANSI以外，ISO/IEC也有定义光纤通道协议的文件。

10GFC标准

10GFC标准描述了要在一系列不同的FC-0物理层下达到超过10Gbps的数据传输率所需满足的信令和物理接口要求。另外，该标准还在FC-3层上引入了可选的端口管理功能。标准定义了四种四分之一速率通道(quarter speed lane)光学物理类型的两种格式，以及一种光纤上的全速通道格式。由于一种光纤类型上的全速通道格式是三种格式中最常见的，因而本文将对其进行着重介绍，后文中的陈述可能并不适用于前两种格式。

除了具备较高的传输率，10GFC标准还采用了10Gb以太网(10GE)的物理层设计，并用64B/66B传输码取代了FC-FS中为1Gb和2Gb光纤通道设计的FC-1 8B/10B传输码。尽管对许多已经采用了光纤通道的用户而言，转变为8B/10B码似乎更直接，但64B/66B代码却能实现更高的带宽效率，并利用现有的10Gb光纤通道技术。在IEEE Std. 802.3ae-2002中针对10GE定义了图2所示的XGMII(10G媒体独立接口层)、PCS(64B/66B编解码功能所在的物理编码子层)、PMA(物理媒体连接子层)和PMD(物理媒体关联子层)，在10GFC中对这些层的定义得到了扩展，以便使它们能工作在10.518Gbps。值得注意的是，10GE标准中引入了一个特殊的抖动信号，用于评估接收机在较差条件下的性能。

图1：光纤通道分层结构。

在10GFC标准中，为了使FC-FS中定义的FC-1信息能够适应于XGMII，创建了一个10GFC层，这就使FC-FS中定义的FC-1层功能与10GE中定义的XGMII层功能的标准操作都得以保持不变。

就单通道10Gb光纤通道而言，根据FC-FS定义，8B/10B传输编码已经不再是FC-1层功能的一部分。但FC-1层功能中仍保留了原语信号(Primitive Signal)、原语序列(Primitive Sequence)和端口状态机功能。

10GFC层的功能

10GFC层提供了必要的FC-1层和XGMII层之间的转换功能。无需对来自FC-2层的数据进行转换，因为XGMII能够不改变这些数据而直接传递它们。然而，FC-FS和XGMII中对FC-1有序集(ordered set，例如帧分隔符、原语信号和原语序列)的定义不同。例如，所有FC-FS有序集都以一个K28.5特殊字符开始，后跟3个决定该有序集含义的字节。而在10GE中则为每个有序集定义一个控制码。因此，一个来自FC-1的有序集必需首先转换成能够为XGMII识别和支持的格式，才能被传输。类似的，一个来自XGMII的有序集也需要转换成FC-1能够识别的格式才行。同时，10GFC层也会在将一个来自XGMII的原语序列发送给FC-1功能之前先将其转换为合适的格式。

XGMII中并没有FC-FS中定义的NOS(不可操作性)有序集，10GFC 会将FC-FS中的NOS有序集映射到||RF||有序集。来自XGMII的合格的||LF||将转换为到FC-1层的带外信号“loss_of_sync”。

尽管10GFC利用了10GE中定义的XGMII，出现在10GFC和10GE的XGMII中的信息流动管理规则却不同。例如，这两种技术中，帧间隙(IFG)、原语序列和原语信号的产生规则就不同。有关XGMII、PCS、PMA 和PMD的详细信息可参看IEEE Std. 802.3ae-2002。

10Gb光纤通道的测试

10Gb光纤通道的测试包括物理层测试与协议测试(即FC-2层及以上层的测试)。物理层测试用于评估被测设备(DUT)从一个地点到另一个地点无错地承载信息的能力，协议测试则用于评估DUT交换信息以建立或释放一个连接的能力，以及按照某给定建议、规范或标准传送和交换数据的能力。

在进行协议测试之前，必需首先满足物理层性能要求。10Gb光纤通道的物理层包括FC-1、XGMII、PCS、PMA和PMD子层。其中，PMD子层的性能评估需要使用光学仪器，测量波形、时钟以及灵敏度等收发机特性。用来进行接收机测试的仪器比用来进行发射机测试的仪器更难找，因为市场上大部分产品都很难满足接收机测试对输入光信号的特殊要求。

图2：10G光纤通道。

PCS子层和XGMII子层的测试需要特殊的，能够对DUT发送的64B/66B代码进行分析的工具。理想的仪器应该能够报告PCS错误和统计信息，捕捉并以一个可读的格式显示接收到的64B/66B代码。这就允许测试对输入信号与标准中规定的IFG规则、原始信号、原始序列和连接故障信令的一致性进行检查，因为这些信息都包含在64B/66B代码流中。此外，该仪器还应该能够产生适当的64B/66B代码，允许插入错误条件并编辑被传送的比特，强制DUT接收机进入或跳出规定状态，以验证其实现与标准的一致性。一旦FC-1层及以下层测试完毕，就可以通过评估有效载荷的误码率(BER)来确定用户数据性能。

在DUT的传输能力通过验证之后，就需要使用一台10GFC协议测试仪来评估其建立和释放一个连接、处理信息流、以及根据标准将用户数据映射到光纤通道信号的能力。需要测试的内容很大程度上取决于DUT的属性及其期望的功能。