李 哲，田 澤，張榮華，楊 峰

(西安航空計算技術(shù)研究所 集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710068)

AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù)的研究

李 哲，田 澤，張榮華，楊 峰

(西安航空計算技術(shù)研究所 集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710068)

機(jī)載通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)間大容量的高速數(shù)據(jù)交換的樞紐和核心，其性能和功能決定航空電子系統(tǒng)綜合化程度的高低，是現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)航空電子綜合化的關(guān)鍵技術(shù)之一。源于商用以太網(wǎng)技術(shù)、在國際民機(jī)中廣泛使用的AFDX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有低成本、高帶寬、低延遲、確定性、高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)。文中在論述現(xiàn)有總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了AFDX技術(shù)。重點(diǎn)敘述了AFDX網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，給出了AFDX網(wǎng)絡(luò)工作機(jī)制和流程，重點(diǎn)分析研究了AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù)，為AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理芯片的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)、驗證及系統(tǒng)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

AFDX；開環(huán)；確定性；協(xié)議；關(guān)鍵技術(shù)

0 引 言

高度綜合化的航空電子系統(tǒng)，對航電子系統(tǒng)間的超高速、大容量數(shù)據(jù)交互和消息共享的要求日益增長，傳統(tǒng)的ARINC 429、ARINC 629、MIL-STD-1553等機(jī)載總線已不能滿足通信需求。航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX)利用成熟、魯棒、高速的商用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3通信原理和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對通信協(xié)議和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行限定，使之滿足航空應(yīng)用要求[1-2]。

AFDX標(biāo)準(zhǔn)為航空電子工程委員會(Airlines Electronic Engineering Committee,AEEC)制定的ARINC664標(biāo)準(zhǔn)。2005年,AFDX協(xié)議被民用航空通用標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)——美國航空無線電設(shè)備通訊公司/美國航空公司電子工程委員會飛機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)工作組定義為一種確定性網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，正式定名為“航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)”(ARINC Specification 664P7,Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX) Network)。ARINC 664標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)由AEEC的航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)工作組負(fù)責(zé)，主要職責(zé)是將商用的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)用于機(jī)載領(lǐng)域，支撐飛機(jī)平臺與客艙的高速、大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)陌l(fā)展需求[3]。

1 AFDX網(wǎng)絡(luò)概述

AFDX應(yīng)用于模塊化航空電子系統(tǒng)架構(gòu)中的通用通信系統(tǒng)。ARINC664-Part7定義了AFDX的基本概念，規(guī)定了AFDX體系架構(gòu)、功能和通信機(jī)制。

1.1 AFDX網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

AFDX采用以交換機(jī)為中心的全雙工、星型、雙余度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由端系統(tǒng)(End System，ES)、AFDX交換機(jī)(SWitch，SW)以及通信鏈路組成，如圖1所示。

圖1 AFDX網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

ES負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)，為航空電子子系統(tǒng)與AFDX的連接提供安全、可靠的數(shù)據(jù)交換“接口”；SW負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換、調(diào)度和監(jiān)控；通信鏈路提供可靠的物理連接，是子系統(tǒng)間信息交互通道[4-5]。

如圖1所示，AFDX不同于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，是一種雙余度網(wǎng)絡(luò)，端系統(tǒng)分別通過兩組獨(dú)立的交換機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，相同路徑上的交換機(jī)通過一根雙絞線連接。采取物理連接余度的AFDX，使每個端系統(tǒng)都可通過獨(dú)立的兩條物理鏈路訪問網(wǎng)絡(luò)中的其他端系統(tǒng)，提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性[6]。

在AFDX中，某些端系統(tǒng)可通過網(wǎng)關(guān)與普通以太網(wǎng)設(shè)備相連，用于航電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)配置、下載和記錄。

1.2 AFDX網(wǎng)絡(luò)工作機(jī)制和流程

AFDX網(wǎng)絡(luò)的工作流程由上電自檢測、配置表加載、數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)管理等構(gòu)成。AFDX網(wǎng)絡(luò)是一種靜態(tài)配置的確定性網(wǎng)絡(luò)，工作前將配置表分別固化在SWES中，配置表規(guī)定了端系統(tǒng)和交換機(jī)的工作方式、路由轉(zhuǎn)發(fā)、警管過濾、端口速率、虛鏈路優(yōu)先級、最大抖動、延遲等信息。配置后網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備均根據(jù)自己的配置表進(jìn)行工作。

上電后，端系統(tǒng)和交換機(jī)節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行設(shè)備初始化和自檢測操作，然后加載已經(jīng)固化好的配置表，并依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中ES的位置信息在配置表中選擇該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的通信表，端系統(tǒng)根據(jù)通信表建立通信端口和虛鏈路，交換機(jī)根據(jù)通信表創(chuàng)建路由轉(zhuǎn)發(fā)表，在端系統(tǒng)、交換機(jī)間構(gòu)建相互通信的虛擬鏈路，完成網(wǎng)絡(luò)初始化。

網(wǎng)絡(luò)初始化完成后，端系統(tǒng)會創(chuàng)建消息，完成UDP、IP協(xié)議封裝，并將經(jīng)過流量整形的AFDX幀經(jīng)雙余度物理鏈路發(fā)出，幀進(jìn)入交換機(jī)后，交換機(jī)根據(jù)配置信息完成過濾和流量警管，并根據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)表信息將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到指定的輸出端口，若數(shù)據(jù)幀在交換機(jī)中駐留的時間超過Maxdelay，將被丟棄。從交換機(jī)出來的幀通過物理鏈路發(fā)送到接收端系統(tǒng)，接收端系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC校驗、完整性檢查和余度處理并經(jīng)UDP/IP協(xié)議棧軟件處理后將有效數(shù)據(jù)提交給上層應(yīng)用[7]。

若在工作中發(fā)生狀態(tài)更新，端系統(tǒng)或交換機(jī)會通過ES配置幀格式發(fā)送新的配置表到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接收到新的配置表后，會重新固化，加載配置表，并進(jìn)行復(fù)位操作。

交換機(jī)和端系統(tǒng)上所有操作都受到監(jiān)視。監(jiān)視模塊負(fù)責(zé)記錄幀的到達(dá)、CRC錯誤等事件信息，創(chuàng)建一個用來記錄內(nèi)部狀態(tài)的統(tǒng)計表[8]，并與網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)通信，傳遞操作信息和有關(guān)端節(jié)點(diǎn)或交換機(jī)的健康狀態(tài)信息。

2 AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及分析

由AEEC制定的ARINC664協(xié)議共由8部分組成，從不同層次對航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了系統(tǒng)的定義，形成以AFDX為核心的下一代航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的完整標(biāo)準(zhǔn)。

AFDX的通信協(xié)議棧如圖2所示。左邊是標(biāo)準(zhǔn)OSI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，右邊對照的是AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)及協(xié)議間的關(guān)系。

AFDX繼承了商用TCP/IP的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，并做了適應(yīng)性修改。協(xié)議棧分五層，從下到上依次為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。應(yīng)用層包括航電應(yīng)用和維護(hù)應(yīng)用兩類[9]。

航電應(yīng)用主要通過TFTP(簡單文件傳輸協(xié)議)實(shí)現(xiàn)，維護(hù)應(yīng)用包括數(shù)據(jù)加載服務(wù)、SNMP代理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議，傳輸層采用UDP協(xié)議(TCP協(xié)議可選)。傳輸層采用隊列，采樣和SAP三種端口與應(yīng)用層通信。航空電子應(yīng)用程序包括普通文件傳輸服務(wù)的TFTP協(xié)議。航電系統(tǒng)維護(hù)的應(yīng)用程序包括ARINC615A中規(guī)定的數(shù)據(jù)加載協(xié)議、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，以及普通文件傳輸協(xié)議。不同應(yīng)用采用不同的通信端口與端系統(tǒng)下層協(xié)議通信。ARINC664-Part3中對網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與服務(wù)有詳細(xì)說明。圖右邊的管理信息實(shí)現(xiàn)端系統(tǒng)內(nèi)部的通信信息管理。端系統(tǒng)覆蓋了ARINC664協(xié)議棧中下四層協(xié)議，應(yīng)用層協(xié)議在航電子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)[10]。

圖2 AFDX協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

3 AFDX網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 確定性

航空電子系統(tǒng)包括許多周期性、強(qiáng)實(shí)時控制系統(tǒng)，要求設(shè)備間的信息交互是低延遲、低抖動和時間確定的。任何功能分系統(tǒng)必須在一定時間內(nèi)完成信息收發(fā)，數(shù)據(jù)收發(fā)不應(yīng)造成階躍或瞬態(tài)，影響系統(tǒng)的控制效果或作戰(zhàn)效能。商用通信網(wǎng)絡(luò)做到“盡量”準(zhǔn)時，就可滿足要求。一般采用“盡可能傳輸”策略，保證網(wǎng)絡(luò)通信帶寬利用率，實(shí)時性要求不高。而機(jī)載通信網(wǎng)絡(luò)，必須滿足系統(tǒng)時間確定性要求。

AFDX是一種“確定性網(wǎng)絡(luò)”?！按_定性”主要指時間和路由的確定性，確定性由以下機(jī)制保障：除了配置表中約定的固定路由外，還限定了每條虛鏈路的帶寬，每個端系統(tǒng)的收發(fā)延遲，抖動上界及轉(zhuǎn)發(fā)延遲。

如圖3所示，AFDX網(wǎng)絡(luò)在端系統(tǒng)中采用虛連路和帶寬分配機(jī)制保證收發(fā)數(shù)據(jù)的確定性，在交換機(jī)中采用流量警管和幀過濾機(jī)制保證數(shù)據(jù)交換的確定性。另外，對不同優(yōu)先級的任務(wù)，通過BAG參數(shù)配置，分配獨(dú)立帶寬保證任務(wù)實(shí)時性。

圖3 虛鏈路示意圖

3.2 數(shù)據(jù)完整性

機(jī)載通信網(wǎng)絡(luò)在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)時到達(dá)的同時，還要確保數(shù)據(jù)正確和完整。在點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)，數(shù)據(jù)的路由是固定的，數(shù)據(jù)傳輸是按照先來先傳輸?shù)脑瓌t進(jìn)行，數(shù)據(jù)傳輸次序不發(fā)生變化，數(shù)據(jù)正確性由通信網(wǎng)絡(luò)的固有可靠度和糾錯措施來保障[11]。

AFDX交換機(jī)的通信路由采用靜態(tài)配置，同一條虛鏈路上的消息經(jīng)過的路徑是固定的，保證了一條虛鏈路上不同數(shù)據(jù)幀的順序到達(dá)。AFDX網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)幀CRC及校驗和機(jī)制，可檢查數(shù)據(jù)傳輸過程中的正確性，UDP/IP傳輸協(xié)議負(fù)責(zé)消息封裝與重組，保證數(shù)據(jù)的完整性。

數(shù)據(jù)的順序在AFDX中由幀序列號來判定和識別，交換式網(wǎng)絡(luò)固有可靠度較高，同時又采用完整性檢查等糾錯策略，可以保證數(shù)據(jù)完整性。

3.3 可用性

AFDX采用物理余度和消息余度兩套機(jī)制提高其可用性。在冗余配置下，每個端系統(tǒng)對將發(fā)送的幀編號，將它復(fù)制成兩份，分別通過相互獨(dú)立的交換設(shè)備向目的端系統(tǒng)發(fā)送。端系統(tǒng)具有冗余管理功能，目的端系統(tǒng)根據(jù)編號按順序接收。若兩個備份都被正常接收，則后到的被丟棄；其中一個出現(xiàn)傳輸故障，則用另一個替代。接收端系統(tǒng)有完整性檢查和冗余管理功能，根據(jù)“先到先贏”原則進(jìn)行幀的選擇。冗余管理機(jī)制包含在鏈路層中，冗余鏈路保證了數(shù)據(jù)報傳輸?shù)目煽啃訹12]。

3.4 安全性

機(jī)載通信網(wǎng)絡(luò)要有足夠的安全隔離措施，能抑制故障蔓延。任何一個終端的故障不能影響系統(tǒng)中的其他終端，也不能造成系統(tǒng)通信能力損失，同樣，任何一個終端也不能被其他終端所影響。

AFDX采用變壓器隔離耦合方式，所有端系統(tǒng)都通過兩個獨(dú)立的MAC與雙余度交換機(jī)相連，交換機(jī)通過路由轉(zhuǎn)發(fā)完成系統(tǒng)通信控制，端系統(tǒng)間完全隔離。網(wǎng)絡(luò)連接方式如圖1所示，在端系統(tǒng)內(nèi)部，通過分區(qū)隔離和帶寬隔離機(jī)制確保虛鏈路間的獨(dú)立性。

AFDX另一項安全性保證機(jī)制是兩級配置表。AFDX是一種靜態(tài)交換式以太網(wǎng)，為獲得可預(yù)知的確定性行為，配置表靜態(tài)建立，不支持生成樹算法，通過訪問控制表機(jī)制實(shí)現(xiàn)。AFDX端系統(tǒng)和交換機(jī)中都有一張預(yù)先設(shè)置好的配置表，當(dāng)交換機(jī)接收到VL的轉(zhuǎn)發(fā)請求，首先查詢自身配置表。若表中無該VL信息，則不響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)請求并過濾該消息；若表中有該VL信息，則根據(jù)配置表將消息轉(zhuǎn)發(fā)到預(yù)定目的地址。同樣，在端系統(tǒng)接收端也有一張配置表，若表中無接收VL的信息則丟棄該消息，否則提交給上層應(yīng)用。

采用在交換機(jī)和端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩級配置表可以避免網(wǎng)絡(luò)中的錯誤蔓延，提高網(wǎng)絡(luò)安全性，如圖4所示。

圖4 兩級配置表技術(shù)示意圖

AFDX的安全性還體現(xiàn)在通信端口上。通信端口是單向的，端口要么是接收端口，要么是發(fā)送端口，不能兩者兼顧或共享，避免了因端口爭用而發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。

3.5 QoS機(jī)制

QoS(Quality of Service)表示網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。從控制論角度講，AFDX是一種開環(huán)網(wǎng)絡(luò)，沒有反饋機(jī)制。它通過預(yù)先設(shè)定的配置表控制網(wǎng)絡(luò)通信過程?；谝蕴W(wǎng)的UDP/IP協(xié)議完成數(shù)據(jù)分片、打包和組裝[5]。網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)錯誤通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的靜態(tài)規(guī)則，如CRC校驗、帶寬控制、錯誤過濾、流量警管、完整性檢查、余度管理、最大延遲限定、虛鏈路分區(qū)隔離等過程控制機(jī)制來保證。發(fā)送方對錯誤數(shù)據(jù)包不重傳，也不會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)錯誤或故障，自動改變或調(diào)節(jié)配置，除非工作中發(fā)生狀態(tài)更新，則網(wǎng)絡(luò)管理端系統(tǒng)將新的配置表通過配置幀發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，各個節(jié)點(diǎn)根據(jù)新配置表重新開始工作。

針對不同類型的應(yīng)用，AFDX提供兩種通信端口和服務(wù)訪問點(diǎn)(Service Access Point，SAP)端口。采樣端口只能緩沖存儲一條消息，到達(dá)的消息覆蓋當(dāng)前存儲區(qū)內(nèi)的消息，并提供刷新標(biāo)志，表明當(dāng)前端口緩沖區(qū)有新消息。采樣端口適用于航電子系統(tǒng)間有較高時延要求的緊急消息、事件消息或狀態(tài)消息。隊列端口具有相對充裕的緩沖區(qū)，采用FIFO機(jī)制進(jìn)行消息讀寫。若隊列緩沖溢出，收到的幀將被丟棄，并向接收端傳送錯誤消息，隊列端口適合航電子系統(tǒng)間有硬性時延要求的周期性消息，如傳感器數(shù)據(jù)傳輸。SAP端口可提供AFDX與其兼容網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)，適用于非周期性也無時延要求的數(shù)據(jù)，如文件傳輸。簡單文件傳輸協(xié)議(Trivial File Transfer Protocol，TFTP)通過SAP端口提供網(wǎng)絡(luò)文件傳輸服務(wù)[13-14]。

4 AFDX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

AFDX主要用于航空飛行器中電子系統(tǒng)互聯(lián)，包括引擎、飛行控制、導(dǎo)航系統(tǒng)及其他對操作平臺至關(guān)重要的系統(tǒng)中。目前在大中型運(yùn)輸機(jī)航空電子網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，AFDX表現(xiàn)出很強(qiáng)的適應(yīng)性。另外，AFDX網(wǎng)絡(luò)也在艦載、星載、車載、無人機(jī)、直升機(jī)、公務(wù)機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。

如圖5所示，AFDX在A380上作為主干網(wǎng)絡(luò)將飛行控制、駕駛艙、動力系統(tǒng)、電源管理、燃油液壓控制和客艙分系統(tǒng)中的LRU/LRM連接起來，提供了分布式、高可靠、延時確定的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)平臺，實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)間信息共享和通信[2]。

圖5 A380上應(yīng)用的AFDX網(wǎng)絡(luò)

5 結(jié)束語

AFDX網(wǎng)絡(luò)作為新一代大型飛機(jī)高速機(jī)載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，滿足航電系統(tǒng)對高帶寬、低延遲、強(qiáng)實(shí)時性、確定性、高可靠性的通信服務(wù)要求。研究AFDX協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)，能為其在我國航空電子系統(tǒng)的應(yīng)用提供必要的理論支撐，對提高航空電子系統(tǒng)的可靠性和安全性具有重要意義。

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Research on AFDX Network Protocol and Key Technology

LI Zhe，TIAN Ze，ZHANG Rong-hua，YANG Feng

(Key Laboratory for Aeronautics IC & Microsystem Design，China Aeronautics Computing Technique Research Institute，Xi’an 710068，China)

Airborne communication network technology is the hinge and kernel to implement the high-speed,large-volume data exchanges among the avionics systems.The function and performance of the airborne data bus determines the avionics system integration level.Airborne data bus technology is one of the most significant technologies in the advanced avionics system integration of the modern airplane.Rooted from the commercial Ethernet network technology,with the advantages of low-cost,high-bandwidth,low-lantency,high-reliability and so on,the AFDX networks technology has been widely used in the international civil airplanes.On the basis of the available bus network technology,AFDX technology is introduced.The architecture of AFDX network is discussed as a focal point,and working mechanism and working process of AFDX network is provided,and networking protocol and theoretical basis of AFDX is analyzed particularly，which lays the foundation of theoretical basis for design，implementation,verification and system application of AFDX networking protocol processing chip.

AFDX；open-loop；determinability；protocol；key technology

2015-06-16

2015-09-22

時間：2016-03-22

航空科學(xué)基金(2015ZC51036)

李 哲(1985-)，男，工程師，研究方向為集成電路設(shè)計；田 澤,博士,研究員,中航首席技術(shù)專家，研究方向為SoC設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、VLSI設(shè)計。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160322.1517.004.html

TP39

A

1673-629X(2016)04-0046-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.04.010