易 娟，何 鋒，王 彤

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

相比普通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，航空電子機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性和可靠性方面具有更高的要求。實(shí)時(shí)性要求航空電子總線網(wǎng)絡(luò)提供端到端延時(shí)控制機(jī)制，滿足消息的時(shí)間確定性傳輸;可靠性要求航空電子總線網(wǎng)絡(luò)提供故障隔離、冗余檢錯(cuò)等手段確保消息的有效傳輸。引入了虛擬鏈路技術(shù)的航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full Duplex switched ethernet，AFDX)，其具備流量整形、流量管制、優(yōu)先級(jí)調(diào)度等確定性控制機(jī)制［1］，這極大地增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性，成為大中型飛機(jī)綜合化互連的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)［2］。

在研究AFDX網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議行為和具體實(shí)施方案中，需要在已有COTS(Commercial-off-the-shelf)平臺(tái)上，對(duì)COTS技術(shù)進(jìn)行改造，使基于TCP/IP協(xié)議的航電應(yīng)用能夠透明地在AFDX網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，完成實(shí)時(shí)流量在AFDX網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確接入。在這個(gè)過(guò)程中，模擬端系統(tǒng)基于虛擬鏈路通信的通信協(xié)議中間件將成為COTS平臺(tái)與AFDX網(wǎng)絡(luò)對(duì)接的關(guān)鍵部件。法國(guó)圖盧茲大學(xué)航空航天實(shí)驗(yàn)室提出的Toolkit模型作為一種COTS平臺(tái)與AFDX網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接部件，僅實(shí)現(xiàn)了不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的相互通信，并未保障數(shù)據(jù)流的時(shí)間確定性。

中間件處于操作系統(tǒng)與用戶應(yīng)用軟件之間［3］。它在操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)之上，用戶應(yīng)用軟件之下，為處于自己上層的應(yīng)用提供運(yùn)行與開發(fā)環(huán)境，幫助系統(tǒng)開發(fā)者靈活、高效地開發(fā)和集成應(yīng)用軟件［4］。

本文通過(guò)分析與研究網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)接口規(guī)范中間層驅(qū)動(dòng)程序框架結(jié)構(gòu)，利用其在通信模型中的位置［4］，設(shè)計(jì)了適用于AFDX網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)流量中間件接入模型，并提出了相應(yīng)的時(shí)間確定性保障算法。將該中間件安裝在普通以太網(wǎng)端，普通以太網(wǎng)端上的航空電子應(yīng)用即能在保證時(shí)間確定性的條件下與AFDX網(wǎng)絡(luò)正常通信。這為航空電子應(yīng)用通信過(guò)程無(wú)差別地在AFDX網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行提供了解決方案。

1 實(shí)時(shí)流量中間件接入模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)接口規(guī)范簡(jiǎn)介

中間驅(qū)動(dòng)程序是網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)接口規(guī)范(Network Driver Interface Specification，NDIS)所支持的3種網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)類型之一，它處于協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序與網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序之間，其在通信系統(tǒng)中的特殊位置使得從上層向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包和從外界接收的數(shù)據(jù)包都須經(jīng)過(guò)它之后再繼續(xù)傳遞，因而利用中間驅(qū)動(dòng)程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過(guò)濾和協(xié)議轉(zhuǎn)換，這也為AFDX網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)流量中間件的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

1.2 AFDX實(shí)時(shí)流量中間件接入模型

AFDX中間件接入模型包括配置文件解析模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊與流量整形模塊。配置文件解析模塊通過(guò)對(duì)用戶配置文件的解析，為中間件其他模塊提供參數(shù)。

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)數(shù)據(jù)幀實(shí)施AFDX協(xié)議與TCP/IP協(xié)議幀格式的相互轉(zhuǎn)換。流量整形模塊的功能是對(duì)普通以太網(wǎng)下無(wú)序的數(shù)據(jù)流進(jìn)行時(shí)間調(diào)度，在單條鏈路上實(shí)現(xiàn)BAG整形，并在此基礎(chǔ)上實(shí)施抖動(dòng)最小的多鏈路復(fù)合算法，保證進(jìn)入到AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的時(shí)間確定性。AFDX中間件接入模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)流流向如圖1所示。

圖1 AFDX通信中間件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of AFDX communication middleware

2 協(xié)議幀格式轉(zhuǎn)換

為實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的航電應(yīng)用與AFDX網(wǎng)絡(luò)的透明通信，中間件模型需要對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行幀格式轉(zhuǎn)換。AFDX網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)制使其尋址方式與TCP/IP協(xié)議不同，同時(shí)其幀格式在數(shù)據(jù)域之后還存在順序號(hào)(Sequence Number，SN)域。因此，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀報(bào)頭字段的重組和SN插入。AFDX協(xié)議幀尋址方式如圖2所示。

圖2 AFDX協(xié)議幀地址格式Fig.2 Address format of AFDX frames

在IPv4數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中，總長(zhǎng)度域的取值范圍為21～1500字節(jié)，在AFDX中由于存在SN，總長(zhǎng)度域(不將SN考慮在內(nèi))的范圍是21～1499字節(jié)。SN按數(shù)據(jù)幀次序由0至255以步長(zhǎng)1循環(huán)遞增。同時(shí)，AFDX網(wǎng)絡(luò)為保護(hù)數(shù)據(jù)流，采用冗余的A/B網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，這意味著一個(gè)數(shù)據(jù)幀及其備份會(huì)分別進(jìn)入到A/B網(wǎng)絡(luò)，而它們擁有相同的SN。因此，在進(jìn)行SN插入時(shí)，應(yīng)區(qū)分進(jìn)入不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀對(duì)SN分開計(jì)數(shù)，以記錄數(shù)據(jù)幀的正確次序。

當(dāng)數(shù)據(jù)幀在協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊入口被截獲后，中間件模型將數(shù)據(jù)幀展開，將用戶配置的檢測(cè)信息與數(shù)據(jù)幀內(nèi)容進(jìn)行匹配，對(duì)檢測(cè)到需要處理的數(shù)據(jù)幀，實(shí)施由MAC頭至UDP頭的重新填充，使其滿足協(xié)議格式規(guī)范要求。

在中間驅(qū)動(dòng)程序中傳遞的數(shù)據(jù)包以NDIS_PACKET類型的結(jié)構(gòu)體存在。NDIS_PACKET為包描述符，一個(gè)數(shù)據(jù)包的包描述符指示了一系列以鏈表形式連接的緩存描述符NDIS_BUFFER。每片緩存的虛擬地址空間分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包各層實(shí)際占用的物理內(nèi)存。

依照NDIS中數(shù)據(jù)包的存儲(chǔ)方式，采取新建NDIS_BUFFER連接在原包描述符末尾的方法實(shí)現(xiàn)SN插入。實(shí)施SN插入的核心算法如下。

3 時(shí)間確定性調(diào)度分析

流量整形是AFDX網(wǎng)絡(luò)確定性機(jī)制實(shí)施的根本保障技術(shù)之一。通過(guò)對(duì)同一邏輯鏈路承載的前后相鄰數(shù)據(jù)幀之間的時(shí)間間隔進(jìn)行限制和約束，降低和平滑了VL上數(shù)據(jù)幀的突發(fā)流量，保證了VL邏輯帶寬預(yù)分配機(jī)制，并增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)通信確定性。流量整形以單條VL為基本單元，在每個(gè)BAG間隔中發(fā)送幀的數(shù)目不會(huì)多于一個(gè)。對(duì)于多條VL上的數(shù)據(jù)流，在數(shù)據(jù)進(jìn)入到接收端前，需對(duì)它們進(jìn)行有效調(diào)度，以保證對(duì)于給定的VL數(shù)據(jù)幀能夠在最大允許抖動(dòng)內(nèi)到達(dá)。

3.1 單條鏈路的BAG整形

在AFDX網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于單條VL，數(shù)據(jù)幀沒有抖動(dòng)時(shí)BAG反映了兩個(gè)相鄰幀的起始二進(jìn)制位之間的最小時(shí)間間隔?；赥CP/IP協(xié)議的航電應(yīng)用通信所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，幀間間隔并不受約束。因此當(dāng)航電應(yīng)用向AFDX網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)流很可能無(wú)法滿足AFDX網(wǎng)絡(luò)對(duì)幀間間隔的要求。BAG整形即是完成數(shù)據(jù)流幀間間隔的調(diào)整。數(shù)據(jù)幀在經(jīng)過(guò)中間件協(xié)議轉(zhuǎn)換處理后包含了鏈路號(hào)信息。根據(jù)鏈路號(hào)，可將單條數(shù)據(jù)流上的數(shù)據(jù)幀劃分至多條VL，然后對(duì)各VL實(shí)施BAG調(diào)整。數(shù)據(jù)流實(shí)際的幀間間隔TRealBAG與用戶配置的BAG值TBAGu的大小關(guān)系是判別是否進(jìn)行流量整形的條件。由AFDX協(xié)議規(guī)范可知，只有TRealBAG＜TBAGu的數(shù)據(jù)幀需要被處理。BAG整形核心算法通過(guò)內(nèi)核延遲實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀延遲發(fā)送，使數(shù)據(jù)幀的幀間間隔增大至TBAGu，同時(shí)為保證流量整形的精確度，還對(duì)實(shí)際幀間間隔實(shí)時(shí)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)調(diào)整延時(shí)長(zhǎng)度。

3.2 多鏈路復(fù)合時(shí)間調(diào)度算法

經(jīng)過(guò)BAG整形的各VL在進(jìn)入到AFDX端系統(tǒng)之前，需要復(fù)合成為單條多路復(fù)用流。由于各VL數(shù)據(jù)抵達(dá)的時(shí)間不確定，因此在復(fù)合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)對(duì)物理鏈路的爭(zhēng)搶，導(dǎo)致復(fù)合后的數(shù)據(jù)流規(guī)整度降低，進(jìn)入到AFDX網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間不確定性加大。為避免此種情況，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)流量抖動(dòng)最小的VL復(fù)合時(shí)間調(diào)度算法(Timing-Send，T-Send)，中間件通過(guò)該算法來(lái)限定不同VL數(shù)據(jù)流抵達(dá)物理鏈路的時(shí)間，分時(shí)利用物理鏈路，從而實(shí)現(xiàn)VL的無(wú)沖突復(fù)合。

同理，可得到VLCj上規(guī)整后第l批數(shù)據(jù)包抵達(dá)時(shí)間為tj1_l'。假設(shè)存在數(shù)據(jù)包沖突，則有

將式(1)代入式(2)可得

假設(shè)j＜i，令l″=l'-1-2i-j*(l-1)。則上式可化簡(jiǎn)為

l″為整數(shù)，故式(5)無(wú)解，因此通過(guò)上述調(diào)度能夠使BAG不等的VL復(fù)合后的數(shù)據(jù)流之間無(wú)沖突。

同樣可得到鏈路VLCi-s'上的第k'個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)的時(shí)間tis'_k'。假設(shè)存在數(shù)據(jù)沖突，則有

將式(6)代入式(7)可得

令s″=s-s'，k″=k'-k，化簡(jiǎn)得

4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

為評(píng)價(jià)AFDX中間件接入模型的性能，驗(yàn)證其協(xié)議轉(zhuǎn)換以及時(shí)間確定性保障功能，將AFDX中間件模型安裝在普通以太網(wǎng)卡終端進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由一臺(tái)普通以太網(wǎng)卡終端與一臺(tái)航空電子交換式全雙工以太網(wǎng)卡終端組成，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)線互聯(lián)進(jìn)行消息發(fā)送。

為驗(yàn)證AFDX通信中間件協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的正確性，在配置文檔中設(shè)定待處理源端口號(hào)為5，并填寫其他配置參數(shù)，例如，設(shè)定用戶自定義標(biāo)識(shí)為0xFF32、分區(qū)標(biāo)識(shí)為0b001等。在普通以太網(wǎng)卡終端分別以源端口137以及5向AFDX網(wǎng)卡終端發(fā)送數(shù)據(jù)包，在AFDX網(wǎng)卡終端抓包顯示結(jié)果見圖3。

圖3 接收端抓包與發(fā)送端抓包結(jié)果數(shù)據(jù)幀解析對(duì)比Fig.3 Frame-parsing comparison between the sender and receiver

由抓包結(jié)果來(lái)看，來(lái)自于用戶配置源端口(端口5)的UDP數(shù)據(jù)包被中間件處理，數(shù)據(jù)幀報(bào)頭字段進(jìn)行了重填，并且含有正確的SN，幀格式符合AFDX協(xié)議規(guī)范。對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行協(xié)議解析可知，經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)幀地址格式中所含參數(shù)與用戶配置參數(shù)一致。由此可見中間件能夠正確解析配置文件解析并進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

為驗(yàn)證AFDX中間件的流量整形功能，設(shè)置參數(shù)TBAGu=128 ms，普通以太網(wǎng)卡終端數(shù)據(jù)包發(fā)送工具選擇自動(dòng)發(fā)送UDP包，時(shí)間間隔TSendGap分別設(shè)置為50 ms與150 ms。在收發(fā)兩端同時(shí)進(jìn)行抓包，對(duì)兩種TSendGap下選取4000 ms內(nèi)收發(fā)兩端抓獲的數(shù)據(jù)包時(shí)間間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 單鏈路整形調(diào)度結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistic of BAG shaping results

圖4中，首個(gè)數(shù)據(jù)幀對(duì)應(yīng)時(shí)刻設(shè)為0。由圖4可知，當(dāng)TSendGap=50 ms時(shí)，發(fā)送端數(shù)據(jù)流的幀間間隔在50 ms左右波動(dòng)較大，接收端數(shù)據(jù)流規(guī)整有序，幀間間隔基本保持為128 ms。這是由于TSendGap=50 ms＜TBAGu=128 ms，中間件模型對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行了流量整形。當(dāng)TSendGap=150 ms時(shí)，發(fā)送端的數(shù)據(jù)流幀間間隔均處于128 ms以上，但在150 ms左右波動(dòng)較大。波動(dòng)是由于發(fā)送端通信源的時(shí)間不確實(shí)性造成的。由于幀間間隔已符合BAG的要求，中間件模型識(shí)別出該數(shù)據(jù)流不需BAG處理，所以在接收端，接收到的數(shù)據(jù)流幀間間隔情況與發(fā)送端數(shù)據(jù)流基本無(wú)異。由此可知，中間件模型不會(huì)增加數(shù)據(jù)流的不穩(wěn)定性。在時(shí)間軸上觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，以50 ms為間隔發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，發(fā)送端較為密集的數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)中間件的整形后變得緩和。

針對(duì)FIFO算法和T-Send算法引起各鏈路上的抖動(dòng)延時(shí)，采用Matlab進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)仿真共使用了24條VL，總帶寬設(shè)置為10 Mb/s。并根據(jù)實(shí)際需要將Lmaxi均設(shè)置為1518 Bytes，包含的TBAGu有1 ms、2 ms、4 ms、8 ms、16 ms、32 ms、64 ms、128 ms，且每個(gè)TBAGu值對(duì)應(yīng)有3條虛擬鏈路。對(duì)于FIFO算法，無(wú)優(yōu)先級(jí)。對(duì)于TSend算法，在計(jì)算由其引起的抖動(dòng)延時(shí)時(shí)，將中間件模型的處理時(shí)間考慮在內(nèi)，中間件模型處理時(shí)間在100～200μs范圍內(nèi)波動(dòng)。仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

由圖5可知，使用FIFO算法復(fù)合后，數(shù)據(jù)流的抖動(dòng)值比較大而且分布不均勻，均值為884μs，均方值為357.1μs。在同樣條件下，使用T-Send算法復(fù)合后產(chǎn)生的抖動(dòng)的均值為162μs，均方值為18.1μs。因此TSend算法通過(guò)對(duì)各鏈路在時(shí)間上進(jìn)行有效分配使數(shù)據(jù)流復(fù)合引起的抖動(dòng)時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于FIFO算法，并且其抖動(dòng)值更加平穩(wěn)。圖中所顯示的T-Send算法下抖動(dòng)時(shí)延為非0值，這是由于計(jì)算時(shí)包含了中間件模型處理數(shù)據(jù)流的時(shí)間。綜上所述，通過(guò)單鏈路上的BAG整形以及多鏈路復(fù)合的T-Send算法，AFDX中間件接入模型能夠保證進(jìn)入到AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包流的時(shí)間確定性。

圖5 多鏈路復(fù)合調(diào)度引起抖動(dòng)時(shí)延結(jié)果圖Fig.5 Statistics of jitter caused by VL multiplex algorithm

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在NDIS基礎(chǔ)上，提出了適用于AFDX網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)流量中間件接入模型，并針對(duì)多鏈路復(fù)合提出了T-Send時(shí)間調(diào)度方法，成功實(shí)施了基于TCP/IP協(xié)議的航空電子應(yīng)用在AFDX網(wǎng)絡(luò)上的確定性接入過(guò)程，已有航空電子應(yīng)用(第三方應(yīng)用)不會(huì)感知在接入航空電子全雙工和普通以太網(wǎng)的不同，在網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)過(guò)程中，最大化保護(hù)了已有開發(fā)資源，降低了網(wǎng)絡(luò)接入難度。而且，本文中提出的T-Send時(shí)間調(diào)度算法，結(jié)合單條鏈路上的BAG整形，引起的抖動(dòng)時(shí)延要遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)的AFDX虛擬鏈路調(diào)度FIFO算法，使進(jìn)入到AFDX網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流具有更好的時(shí)間確定性。

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