基于CWDM的FC-SAN I/O接口模块的设计

资源类型:pdf 资源大小:300.00KB 文档分类:工业技术 上传者:王欣瑜

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【作者】 苏勇  周敬利  李榕  秦磊华 

【关键词】光纤通道 稀疏波分复用 I/O 存储区域网络 

【出版日期】2005-04-11

【摘要】研究了SAN的光纤通道技术和低成本、高带宽的CWDM波分复用技术,在分析QLA2200光纤通道卡原理的基础上,设计了一个基于CWDM的FC-SANI/O接口模块,实现了应用CWDM技术对SAN的远程连接,对构建专有线路的基于CWDM的SAN容灾系统具有一定意义。

【刊名】计算机工程与应用

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1引言存储区域网络(StorageAreaNetwork,SAN)是一种新型的网络存储方法,能够对存储设备和数据实行集中的管理,提供一种独立于LAN的、统一的、高可用性和可扩展性的网络存储框架。SAN一般采用光纤通道(FibreChannel,FC)协议进行互连,光纤通道硬件产品在1998年开始进入市场,其发展异常迅速,2000年开始在高性能信息服务系统中全面取代SCSI产品,对IT产业产生深远影响。在最近的InfoTechTrends报告中,由数据分析集团提供的市场数据资料显示,全世界的FiberChannelSAN市场2006年将达到$5.3Billion,需要储存的信息量将从2002年的800,000Tbytes提高到700millionTbytes。因此FC-SAN是目前公认的最具有发展潜力的存储技术方案,而未来SAN的发展趋势将是开放、智能与集成及构建容灾系统。但是目前使用单模光纤作为传输介质的光纤通道SAN,在不使用扩展技术的情况下只能达到10公里的范围,因此若要构建基于FC-SAN的容灾系统就必须要实现远程连接SAN。目前远程连接SAN的主要技术有四种:经由同步光纤网(SONET)的远程连接技术;经由ATM的远程连接技术;经由IP网络的远程连接技术和使用密集波分复用(DenseWaveDivisionMultiplexing,DWDM)技术。但是这四种方法都有较大缺陷,前三种方法都要借用现有的用于公众的广域网,其主要问题是网络安全问题,这对国家重要部门如军事单位来说是不能接受的,它们一般需要构建独立的系统,另外都需要对数据帧转换,有较大延迟。借助DWDM的远程连接技术由于技术复杂、成本太大,到目前为止只用于电信部门的骨干网中。而相比较而言,稀疏波分复用(CoarseWaveDivisionMultiplexing,CWDM)技术是一种新型的低成本波分复用通信技术,其有效范围可达100公里左右,而且随着其技术的不断成熟及广泛的应用,其有效范围将进一步扩大。在FC-SAN中只要能使数据通过CWDM传输,就能实现FC-SAN的远程连接,而且由于其数据传输速度快、延迟小、成本低,适合构建专有线路的数据同步复制的容灾系统。该文阐述的就是通过设计一个基于CWDM的FC-SAN的I/O接口模块,实现应用CWDM技术对SAN的远程连接从而使其成为构建专有线路的容灾系统的基础。2CWDM技术在光网络中,波分复用系统一般被分为三大类:密集波分复用(DenseWaveDivisionMultiplexing,DWDM),波长间隔小于8nm,典型的波长间隔为0.8nm;稀疏波分复用(CoarseWaveDivisionMultiplexing,CWDM),波长间隔小于50nm,典型的波长间隔为2Onm(ITU建议);宽波分复用(WideWaveDivisionMultiplexing,WWDM),波长间隔在50nm以上。相对于DWDM而言,CWDM具有更宽的波长间隔,业界通行的标准间隔为20nm。常用的波长为147Onm、1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1590nm以及16l0nm。CWDM的信道间隔为20nm,而DWDM的信道间隔从0.2nm到l.2nm,所以CWDM称为粗波分复用。CWDM和DWDM有一定的相似性,区别主要有3点:(1)CWDM光波通道间距较宽,同一根光纤上复用光波长数比DWDM少。(2)CWDM光调制采用非冷却激光,用电子调谐;而DWDM采用的是冷却激光,用温度调谐。由于在一个很宽的光波长区段内温度分布很不均匀,因此温度调谐实现起来难度很大,成本也很高。CWDM避开了这一难点,因而大幅度降低了成本,目前CWDM系统成本一般只有DWDM的20%。(3)CWDM系统的功耗和物理尺寸比DWDM系统小。DWDM由于其高成本,目前主要应用在电信通讯骨干网中。而CWDM相对DWDM传输设备具有低成本优势,而且其带宽可达1000M以上,传输距离可达100公里,若加上中继可达150公里,由于是波分复用所以在长距离的光纤网络中光纤成本降低。CWDM的传输系统模型如图1[1]:图1CWDM的传输系统模型CWDM系统中输入的光波信号,首先需要经过OTU(光波转发单元)转换成CWDM波长范围的指定波长的光波信号,然后才能由OMU(光波复用单元)进行波分复用传输,传输到另一端OMT(光波复用终端)后再由ODU(光波解复用单元)对光波信号分离。3光纤通道(FC)技术光纤通道(FC)是由美国国家标准学会(ANSI)开发的。与以太网和SONET/SDH不同,FC不是传统的网络协议,它更像连接扫描仪或计算机硬驱的小型计算机系统的接口。FC运行速率分别为:100Mb/s、200Mb/s、400Mb/s、1Gb/s和2Gb/s。FC可以用于同轴电缆、屏蔽双绞线以及多模光纤、单模光纤。FC所支持的传输长度范围为:屏蔽双绞线线路为50m,而单模光纤线路为10km。由于FC使用了简单的缓冲器———缓冲器转换机理,所以时延极小,约为10~30us[2]。FC包括14个ANSIT11X3FC协议,按其功能结构,光纤通道可划分为从FC0到FC4的5个协议层,分别定义物理介质传输速率和接口规范、编解码方式、帧协议和流量控制、通用服务以及上层协议接口。其技术优点主要为:(1)具有开放的体系结构、极高的带宽和吞吐率(每秒上万次I/O操作)、可靠性和安全性,性能优异。(2)继承了网络通信技术的主要优点:数据串行传输,接口电路简单可靠;支持多种传输介质,传输距离较远;支持多种拓扑结构。(3)光纤通道协议采用通道技术控制信号传输,在共享介质时采用基于仲裁或交换的信道共享冲突解决机制和基于信用的流量控制策略,信道的传输效率极高,特别适合于网络负载较重的应用。(4)同时支持SCSI,IP,HIPPI和IPI3等多种协议,具有很强的兼容性、开放性、灵活性和可扩展性。4QLA2200光纤通道卡QLA2200/66是美国Qlogic公司生产的,目前应用最为广泛的光纤通道适配器,该文主要针对此卡设计基于CWDM的I/O接口。分析光纤通道的体系结构并研究QLA2200板卡结构后可得到其电路原理,如图2所示。图2QLA2200适配器的电路原理框图QLA2200主要由核心处理芯片ISP2200A及其存储器构成。图中,ISP2200A以RISC芯片作为核心控制器并包含有PCI接口和FC接口,完成通道控制及协议转换中的底层工作,是一块具有总线结构和光纤通道协议处理器的高集成度的芯片,能够不需主机干涉而管理多端口的操作和完成多种数据的传输,有相当高的智能性。LT1086为电源模块,具有1.5A,3.3V三端固定的电压输出。LM334为可调电流源,用于建立工作电流的温度感应,作为板卡的温度控制器,保护芯片不因过热而毁坏。电压与绝对温度成线性关系,当温度为25℃时电压为64mV,接一简单的外接电阻后,温度每升高1℃电流产生约-0.33%的变化。93LC56B为2.5Kbit低电压串行电可擦除PROM,总线宽为16位,用作ISP2200A的串行BIOS,以存储配置信息。AM29LV010B是一个1M位、3.0V电压的快闪存储器,用作ISP2200A的并行BIOS,存储固件数据及代码。CY7C1021V33是64K×16bit的高性能CMOS静态RAM,工作电压为3.3V,具有高位、低位的独立控制,用作ISP2200A的内存。QLA2200光纤通道卡虽然支持FC协议,但卡本身的FC接口是一个四针的DB9电缆接口,分别为一对数据发送铜线TD+、TD-和一对数据接收铜线RD+、RD-,传输速率为全双工200Mb/s。其I/O信号为高速串行PECL电平信号,频率为1250MHz。PECL与TTL、COM技术相比有很大的不同,主要表现为:(1)逻辑电平以电源为参考,电源电压的变化也使输出的逻辑电平发生变化;(2)PECL的输出采用发射极开路结构,所以必须提供直流通路;(3)PECL的输入采用基极开路结构,一般要求与PECL输出直连,或由外接电路提供直流偏置电压;(4)PECL电路的频率很高,即使很短的印制线路也有明显的传输线效应,必须有终端匹配电阻以免信号反射,PECL的阻抗推荐为50Ω。5基于CWDM的FC-SANI/O接口模块设计5.1光收发模块光收发一体模块自从1999年问世以来,已经成为各类光通信系统接口部分的核心光器件。它是实现光电、电光转换并具有独立发射驱动和接收放大的光电系统,可将传统的分离发射、接收组件合二为一密封在同一管壳内,使收发功能合一[3光收发模块分为收、发两部分。发送部分的作用是将串行输入的1250MHzPECL电平信号转换为光信号,接收部分负责将接收的光信号转换为电信号。收、发部分有各自的电源和接地引脚,电接口采用差分PECL信号。接收部分还有光检测信号输出该接口的设计采用的是深圳飞通光电股份有限公司的光收发模块为1.25GCWDM用收发一体光模块PT7623。CWD用收发一体光模块不同于普通的光收发一体模块,因为它使用的是低成本的无需制冷的CWDM激光器,其输出光波长为可选的CWDM指定的1470nm,1490nm,1510nm,1530nm,1550nm1570nm,1590nm,1610nm八种波长。因此使用此光模块,电光转换后输出的光波信号不再需要OTU器件进行波长转换,可以直接输入到OMU器件进行波分复用,其传输距离可达8公里。5.2接口模块设计实例设计QLA2200的DB9电缆输出连接到光收发模块的接口模块,必须遵循以下规则[4]:(1)高速串行数据线路应该安排在一起并保持相同的长度以使脉冲宽度失真最小化。(2)在高速数据线路中应该避免90度的急剧弯曲,当高速数据线路改变方向时,应该用大半径转角或转角≤45度。(3)使用差分信号时,避免使用不平衡的单端高速数据线路。因为它将导致脉冲宽度失真。(4)使用带有接地功能和包括电源层的多层板,利用地层和电源层可以降低电磁辐射、降低线路串扰并减少对噪声的敏感度。(5)接口中必须加入下拉电阻、交流耦合电容和传输线终端匹配电阻。电路传输线的设计规则:连接DB9到光模块的高速串行数据线必须做成带状线或者微带传输线状结构。(1)带状线的特征阻抗可以用下式计算[4]:Z0=60εr√ln4b0.67π(0.8w+t) 带状线设计时,信号线是夹在印制板绝缘材料之间的,且与两个接地的平面导线距离相同。带状线的阻抗取决于印制板材料的相对绝缘常数(εr)、绝缘层的厚度(b)、传输线的宽度(w)和铜导线的厚度(t)。(2)微带线的特征阻抗可以用下式计算[4]:Z0=87εr+1.41√ln5.98h0.8w+t 微带线设计时,传输线放在印制板的最上面或最低端,因而使其有一面向外,接地电路或电源平面放在印制板的内层中。微带线阻抗取决于印制板材料的相对绝缘常数(εr)、绝缘层的厚度(h)、传输线的宽度(w)和铜导线的厚度(t)。根据1.25GCWDM用光收发一体模块PT7623各参数定义及以上规则,设计并制作了四层板的PCB板(中间两层铺上铜,分别用于接地和电源,用以消除电路板的噪声干扰)。PCB板上高速串行数据线路采用的是带状线设计,而且必须加入终端匹配电阻及下拉电阻,光模块采用3.3伏电源供电。将设计的I/O接口模块连接装有QLA2200FC卡的文件服务器和CWDM波分复用器(OMU和ODU)实现对SAN的多个点到点拓扑结构的远程连接。由于设计的FCI/O接口模块使用的是CWDM用光收发模块,所以能将QLA2200FC卡的电信号转换为CWDM指定波长的光信号,不再需要OTU(波长转换单元)可以直接通过单模光纤由OMU和ODU进行复用和解复用。对远程连接测试网络的两端的电信号进行波形测试,一端为QLA2200FC卡输入给FCI/O接口的电平信号,另一端为经CWDM传输到达接收端FCI/O接口输出的电平信号,用Tektronix公司的TDS-7254B型示波器的测试结果如图3所示。实验显示两端波形正常,失真小。接口

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