何向棟，白 楊，田 園，賈世偉

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

一種AFDX交換機(jī)的高效檢測(cè)方法*

何向棟，白 楊，田 園，賈世偉

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安710065)

航空電子全雙工交換以太網(wǎng)(AFDX)是為航電信息系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而專(zhuān)門(mén)制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，具有確定性、雙余度和可靠性等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于新一代航電網(wǎng)絡(luò)。分析了ARINC664Part7中交換機(jī)章節(jié)及對(duì)應(yīng)的通信架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)，提出一種高效率適合AFDX交換機(jī)的通信測(cè)試方法。通過(guò)測(cè)試與驗(yàn)證，證明該方法對(duì)通信功能的測(cè)試正確且效率較高。

AFDX；交換機(jī)；高效率；通信測(cè)試

0 引言

航空電子全雙工交換以太網(wǎng)(AFDX)[1]基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合航空電子系統(tǒng)特殊需求對(duì)該協(xié)議的部分MAC進(jìn)行適應(yīng)性修改，使其成為具有高速和確定性的網(wǎng)絡(luò)，形成航空以太網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)ARINC 664，其中第7部分重點(diǎn)對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行詳述，并且已成功應(yīng)用到空客A380、波音787和A400M等大型飛機(jī)的航電系統(tǒng)中。

AFDX網(wǎng)絡(luò)作為航空數(shù)據(jù)通信的確定性專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，順利成為航電系統(tǒng)中通信“骨架”，在大中型運(yùn)輸機(jī)中有很強(qiáng)的適應(yīng)性，相比于傳統(tǒng)機(jī)載數(shù)據(jù)總線，其具備速率高、質(zhì)量小、穩(wěn)定可靠、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。隨著AFDX應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大及外場(chǎng)維修等的特殊要求，本文提出了一種針對(duì)AFDX交換機(jī)物理端口的高效率測(cè)試方法。

1 AFDX交換機(jī)功能

AFDX交換機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能有：幀交換、內(nèi)嵌端系統(tǒng)、幀過(guò)濾、警管、配置表和監(jiān)控功能，如圖1所示。

圖1 AFDX交換機(jī)功能示意圖

過(guò)濾功能：對(duì)進(jìn)入交換機(jī)內(nèi)部的幀進(jìn)行完整性檢查，過(guò)濾內(nèi)容包括：CRC有效性；目的MAC地址有效性；VL與輸入端口是否匹配；幀長(zhǎng)為字節(jié)的整數(shù)倍；幀長(zhǎng)小于等于配置表中定義的最大幀長(zhǎng)；幀長(zhǎng)大于等于配置表中定義的最小幀長(zhǎng)。

警管功能：采用基于令牌桶算法的流量管制策略對(duì)進(jìn)入交換機(jī)幀進(jìn)行丟棄判定，具體算法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。

配置表功能：交換機(jī)虛擬鏈路VL的端口配置及通信規(guī)則配置。

端系統(tǒng)功能：實(shí)現(xiàn)交換機(jī)信息配置、網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)加卸載等功能，但不支持規(guī)范定義的雙余度功能。

幀交換功能：將輸入的數(shù)據(jù)幀根據(jù)配置表轉(zhuǎn)發(fā)至輸出端口。

捕獲功能：通過(guò)配置映射將交換機(jī)任意物理端口或者虛擬鏈路VL數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并輸出。

交換機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)可參考文獻(xiàn)[3]，文獻(xiàn)中詳細(xì)分析了AFDX交換功能機(jī)理和工程化實(shí)現(xiàn)。

2 AFDX交換機(jī)設(shè)計(jì)及現(xiàn)有測(cè)試方法

2.1 交換機(jī)設(shè)計(jì)

基于ARINC664P7協(xié)議規(guī)范內(nèi)容，AFDX交換機(jī)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 交換機(jī)設(shè)計(jì)框圖

設(shè)計(jì)主要由兩大部分組成，分別為：處理器控制電路和交換控制電路。處理器控制電路包括：處理器，負(fù)責(zé)處理內(nèi)嵌端系統(tǒng)、協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)管理等功能；SDRAM，負(fù)責(zé)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)存放；Flash，負(fù)責(zé)Boot、操作系統(tǒng)、應(yīng)用和測(cè)試程序的固化存放；CPLD，負(fù)責(zé)上電啟動(dòng)控制、復(fù)位管理、控制/地址解析等功能。交換機(jī)控制電路包括：DPRAM(tx)，負(fù)責(zé)內(nèi)嵌端系統(tǒng)發(fā)送幀數(shù)據(jù)緩存；DPRAM(rx)，負(fù)責(zé)內(nèi)嵌端系統(tǒng)接收幀數(shù)據(jù)緩存；SSRAM，負(fù)責(zé)各個(gè)端口間幀轉(zhuǎn)發(fā)緩存；PHY接口，交換機(jī)物理層接口電路，通過(guò)MII接口與FPGA通信；FPGA電路，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)過(guò)濾、警管、幀存儲(chǔ)控制轉(zhuǎn)發(fā)、配置表、捕獲等功能。AFDX交換機(jī)測(cè)試即為對(duì)上述電路或資源進(jìn)行測(cè)試檢查，并測(cè)試AFDX通信功能。

2.2 現(xiàn)有測(cè)試方法

現(xiàn)有AFDX交換機(jī)的測(cè)試方法主要采用集成多端口的專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行交換機(jī)功能/性能測(cè)試[4-5]，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)有交換機(jī)測(cè)試示意圖

圖3中模擬端系統(tǒng)A(或模擬端系統(tǒng)B)可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)特定測(cè)試用例來(lái)檢驗(yàn)被測(cè)交換機(jī)的路由及轉(zhuǎn)發(fā)等功能，并通過(guò)模擬端系統(tǒng)B(或模擬端系統(tǒng)A)來(lái)檢驗(yàn)判定轉(zhuǎn)發(fā)幀是否正確。為模擬大量幀數(shù)據(jù)經(jīng)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)功能，需要專(zhuān)用AFDX網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備模擬多個(gè)AFDX通信終端接口，并編排多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，包括：不同BAG帶寬，不同幀長(zhǎng)度，不同轉(zhuǎn)發(fā)端口等綜合測(cè)試設(shè)計(jì)來(lái)驗(yàn)證交換機(jī)在復(fù)雜通信環(huán)境下的功能/性能，同時(shí)也對(duì)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備提出了較高的要求。

現(xiàn)有測(cè)試方法有一個(gè)共同特點(diǎn)：測(cè)試系統(tǒng)需要外部設(shè)備來(lái)產(chǎn)生幀激勵(lì)源，并判定結(jié)果。隨著AFDX網(wǎng)絡(luò)的成熟，其功能/性能指標(biāo)已完全能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，并隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加而廣泛應(yīng)用，而現(xiàn)有的測(cè)試方法需要大量外部測(cè)試節(jié)點(diǎn)作為激勵(lì)等，不利于后續(xù)產(chǎn)品檢驗(yàn)和維護(hù)，為提高AFDX交換機(jī)快速檢測(cè)和產(chǎn)品排故診斷，利用AFDX交換機(jī)內(nèi)嵌端系統(tǒng)功能提出一種高效測(cè)試方法。

3 高效率通信測(cè)試方法

本測(cè)試結(jié)合AFDX交換機(jī)內(nèi)嵌端系統(tǒng)功能和IEEE 802.3全雙工通信等技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高效率通信測(cè)試方法。通信測(cè)試思路為：利用AFDX交換機(jī)內(nèi)嵌端系統(tǒng)作為AFDX交換機(jī)的測(cè)試激勵(lì)和判定節(jié)點(diǎn)；利用IEEE 802.3的全雙工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)自環(huán)通信電纜，即線纜設(shè)計(jì)為：TX+與RX+連接、TX-與RX-連接。

測(cè)試環(huán)境如圖4所示。從圖中看出該測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境相比其他測(cè)試環(huán)境簡(jiǎn)化很多，僅包括一臺(tái)用于顯示的工控機(jī)以及自環(huán)電纜。

圖4 高效測(cè)試環(huán)境示意圖

測(cè)試數(shù)據(jù)流如圖5所示。依據(jù)圖5的測(cè)試數(shù)據(jù)流可測(cè)試和驗(yàn)證交換機(jī)資源和功能，如圖6所示。

根據(jù)圖5和圖6所示，高效率通信測(cè)試流程為：

流程0：AFDX交換機(jī)啟動(dòng)。上電啟動(dòng)，通過(guò)配置控制引導(dǎo)啟動(dòng)Boot和操作系統(tǒng)。此流程可驗(yàn)證資源：CPU、Flash、SDRAM、RS232、電源、時(shí)鐘、復(fù)位、CPLD、PROM等；驗(yàn)證功能：交換機(jī)基本啟動(dòng)功能。

流程1：?jiǎn)?dòng)測(cè)試程序。內(nèi)嵌端系統(tǒng)啟動(dòng)高效率通信測(cè)試程序。此流程可驗(yàn)證資源：CPU、SDRAM、RS232、電源、時(shí)鐘、CPLD控制；驗(yàn)證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)功能。

圖5 測(cè)試數(shù)據(jù)流示意圖

圖6 測(cè)試數(shù)據(jù)流與相關(guān)資源及功能驗(yàn)證對(duì)應(yīng)圖

流程2：測(cè)試幀組建。啟動(dòng)TCP/IP協(xié)議棧，針對(duì)端口X配置對(duì)應(yīng)測(cè)試幀信息，并編寫(xiě)測(cè)試幀內(nèi)容。此流程可驗(yàn)證資源：CPU、SDRAM；驗(yàn)證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)。

流程3：內(nèi)嵌端系統(tǒng)發(fā)送幀緩存。將測(cè)試幀放入DPRAM(TX)緩存，并通知FPGA控制。此流程可驗(yàn)證資源：CPU、SDRAM、DPRAM(TX)；驗(yàn)證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)。

流程4：幀調(diào)度1。FPGA讀取發(fā)送測(cè)試幀，并將測(cè)試幀信號(hào)寫(xiě)入轉(zhuǎn)發(fā)控制邏輯進(jìn)行調(diào)度。此流程可驗(yàn)證資源：FPGA；驗(yàn)證功能：配置、交換。

流程5：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。測(cè)試幀緩存。此流程可驗(yàn)證資源：SSRAM、FPGA；驗(yàn)證功能：交換。

流程6：幀調(diào)度2。調(diào)度控制讀取幀緩存，并根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)配置進(jìn)行調(diào)度，同時(shí)控制MAC進(jìn)入收發(fā)控制。測(cè)試幀經(jīng)外部自環(huán)電纜，再次進(jìn)入FPGA。此流程可驗(yàn)證資源：FPGA、SSRAM；驗(yàn)證功能：交換。

流程7：收發(fā)控制。對(duì)測(cè)試幀進(jìn)行收發(fā)控制，并對(duì)幀內(nèi)容進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度。此流程可驗(yàn)證資源：FPGA、PHY等；驗(yàn)證功能：過(guò)濾、警管、配置、交換。

流程8：內(nèi)嵌端系統(tǒng)接收幀緩存。經(jīng)調(diào)度，F(xiàn)PGA將幀寫(xiě)入DPRAM(RX)緩存。此流程可驗(yàn)證資源：FPGA、DPRAM(RX)等；驗(yàn)證功能：交換。

流程9：測(cè)試幀驗(yàn)證。內(nèi)嵌端系統(tǒng)讀取接收幀內(nèi)容，并依據(jù)發(fā)送幀進(jìn)行內(nèi)容核對(duì)判斷。此流程可驗(yàn)證資源：CPU、DPRAM(RX)；驗(yàn)證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)。

流程10：循環(huán)測(cè)試。對(duì)未檢測(cè)物理端口進(jìn)行循環(huán)通信測(cè)試。

通過(guò)上述測(cè)試流程分析，該測(cè)試方法可對(duì)交換機(jī)全部硬件資源和AFDX功能(除捕獲功能)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。

4 驗(yàn)證測(cè)試

采用航空工業(yè)計(jì)算所貨架產(chǎn)品24端口AFDX交換機(jī)作為被測(cè)試對(duì)象，自制單端口測(cè)試電纜，外部通過(guò)RS232接入工控機(jī)超級(jí)終端進(jìn)行測(cè)試顯示和交互。

結(jié)合AFDX交換機(jī)特點(diǎn)，設(shè)置測(cè)試項(xiàng)目如表1所示。

表1 測(cè)試項(xiàng)目

通過(guò)上述測(cè)試用例檢測(cè)，得出此檢測(cè)方法具有較高的通信測(cè)試效率。

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)上述測(cè)試程序進(jìn)行產(chǎn)品駐留，當(dāng)有測(cè)試需求時(shí)，只需一根自環(huán)測(cè)試電纜，就可以快速判定交換機(jī)診斷狀態(tài)，對(duì)后期產(chǎn)品維護(hù)和診斷提供了簡(jiǎn)便而高效的方法。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)AFDX交換機(jī)功能的理解和研究，利用其內(nèi)嵌端系統(tǒng)和IEEE802.3全雙工的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種高效率的自環(huán)通信檢測(cè)方法。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，此測(cè)試方法具有簡(jiǎn)單、便捷、高效等特點(diǎn)，方便測(cè)試人員快速診斷交換機(jī)通信故障，提高測(cè)試效率。

[1] ARINC公司.ARINC 664,aircraft data network[S].2002.

[2] 王建宇,王世奎.AFDX交換機(jī)管制功能測(cè)試方法的研究與設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2012,31(7): 82-84.

[3] 王綺卉.AFDX核心交換技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：安石油大學(xué)，2010.

[4] 吳海榮,羅慶,陳曉晨.AFDX交換機(jī)測(cè)試分析系統(tǒng)[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2014，34(3)：59-62.

[5] 趙永庫(kù),唐來(lái)勝,李貞.AFDX網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20(4)：93-95.

The method of AFDX switch high efficient testing

He Xiangdong,Bai Yang,Tian Yuan,Jia Shiwei

(AVIC Aeronautical Computing Technique Research Institute,Xi’an 710065,China)

Avionics Full Duplex Switched Ethernet(AFDX),an avionics specified Ethernet communication protocol standard,is the new generation aircraft data network,with the feature of strong real-time,redundant and high reliability and so on. By analyzing the characteristics of communication structure in the ARINC 664 Part7,a highly efficient communication test method suitable for AFDX switches is proposed. Through testing and verification,it is proved that the method is correct and efficient in communication function testing.

AFDX; switch; high efficiency; communication testing

國(guó)家重點(diǎn)基金項(xiàng)目(31511020102)

TP393.07

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.024

何向棟，白楊，田園，等.一種AFDX交換機(jī)的高效檢測(cè)方法J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(24)：84-86，91.

2017-06-28)

何向棟(1985-)，通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：機(jī)載網(wǎng)絡(luò)。E-mail:dongxianghe@163.com。

白楊(1987-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：機(jī)載網(wǎng)絡(luò)。

田園(1985-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：機(jī)載網(wǎng)絡(luò)。