劉 宇，金 鑫，周治國

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十二研究所，上海 201808）

1 引言

隨著航空電子的快速發(fā)展，在MIL-STD系列、ARINC-429和ARINC-629數(shù)據(jù)通訊方式之后，基于ARINC-664的AFDX網(wǎng)絡(luò)憑借吞吐量大、時(shí)間確定性高以及與以太網(wǎng)兼容性好等優(yōu)勢，逐漸成為航空電子設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞?。AFDX是航空用全雙工交換式網(wǎng)絡(luò)（Avionics Full Duplex Switched Ethernet）的簡稱，是一個(gè)用來定義在航空電子系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換所應(yīng)遵循的電氣要求和協(xié)議規(guī)范（IEEE802.3和ARINC 664的第7部分）的標(biāo)準(zhǔn)[1]。該標(biāo)準(zhǔn)定義了端系統(tǒng)和交換機(jī)在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)上的功能、性能和互操作性，定義了虛擬鏈路、帶寬分配、冗余管理、幀完整性過濾、流量管制、交換機(jī)靜態(tài)路由配置等機(jī)制[2]。AFDX在IEEE802.3協(xié)議的基礎(chǔ)上引入了虛擬鏈路的概念，每條虛擬鏈路都有間隔、抖動(dòng)以及延遲等參數(shù)，保證虛擬鏈路上的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

AFDX網(wǎng)絡(luò)管理包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)、端系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，如圖1所示，管理信息通過SNMP協(xié)議[3]進(jìn)行交互。SNMP作為一組為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化管理任務(wù)而制定的一系列通行標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理活動(dòng)中。現(xiàn)有的AFDX網(wǎng)絡(luò)管理也采用SNMP協(xié)議通過AFDX網(wǎng)絡(luò)發(fā)送查詢命令以及相應(yīng)回復(fù)，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合任務(wù)處理系統(tǒng)的監(jiān)控與管理。

AFDX交換機(jī)是AFDX網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，支持10 BaseT和100 BaseT的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸[4]，幾乎所有的數(shù)據(jù)流都會(huì)通過交換機(jī)進(jìn)行傳輸，所以為了維護(hù)AFDX網(wǎng)絡(luò)的安全，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)交換機(jī)的數(shù)據(jù)流信息尤為重要，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的流量、錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)需要及時(shí)上報(bào)，所以在ARINC 664的第7部分中規(guī)定每100 ms更新一次數(shù)據(jù)庫[2]。本文介紹了AFDX交換機(jī)中MIB信息管理庫的主要特點(diǎn)和具體內(nèi)容，分析了MIB的組織架構(gòu)，給出了MIB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的方法，并在基于自主研發(fā)的AFDX的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了AFDX交換機(jī)的數(shù)據(jù)管理，每10 ms更新一次數(shù)據(jù)庫，達(dá)到了實(shí)時(shí)性的要求。

圖1 AFDX網(wǎng)絡(luò)管理的結(jié)構(gòu)圖

2 AFDX交換機(jī)的MIB管理數(shù)據(jù)庫

基于AFDX的MIB管理數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)著所有端口和虛擬鏈路VL上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，主要包括基于端口和基于VL的各種數(shù)據(jù)類型的統(tǒng)計(jì)值，主要類型如表1所示。

AFDX交換機(jī)基于端口的數(shù)據(jù)類型主要指每個(gè)端口內(nèi)MAC層各種狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)，它能反映交換機(jī)每個(gè)端口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的工作情況。而基于VL的數(shù)據(jù)類型主要指每條虛擬鏈路各種狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)，它能反映該VL在交換機(jī)中的數(shù)據(jù)處理情況。

各種數(shù)據(jù)類型的統(tǒng)計(jì)值隨著AFDX交換機(jī)的數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行變化，然后定時(shí)把狀態(tài)值通知給網(wǎng)絡(luò)管理主機(jī)，網(wǎng)絡(luò)管理主機(jī)則通過監(jiān)視和分析網(wǎng)絡(luò)中所有系統(tǒng)的管理數(shù)據(jù)庫信息，發(fā)現(xiàn)是否有異常信息，及時(shí)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)。

表1 AFDX交換機(jī)MIB管理數(shù)據(jù)的主要類型

3 AFDX交換機(jī)的MIB引擎結(jié)構(gòu)

根據(jù)AFDX交換機(jī)的MIB管理數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)，MIB引擎應(yīng)包含兩部分功能：基于端口的數(shù)據(jù)信息管理和基于VL的數(shù)據(jù)信息管理。MIB引擎管理的端口共24個(gè)，VL共4096條。端口類數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在寄存器里，而VL類數(shù)據(jù)信息因數(shù)據(jù)量巨大，所以存儲(chǔ)在RAM里。MIB引擎的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 AFDX交換機(jī)MIB引擎的功能結(jié)構(gòu)圖

基于端口的數(shù)據(jù)信息處理模塊主要負(fù)責(zé)收集端口類的數(shù)據(jù)信息，存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器里，然后根據(jù)基于端口的MIB幀格式組成MIB幀送給MAC層轉(zhuǎn)發(fā)出去。按照24個(gè)端口、每個(gè)端口有11種數(shù)據(jù)類型統(tǒng)計(jì)，共264個(gè)統(tǒng)計(jì)值，裝載到一個(gè)1404 B的MIB幀內(nèi)?；诙丝诘腗IB幀格式如表2所示。

表2 基于端口的MIB幀格式

基于VL的數(shù)據(jù)信息處理模塊主要負(fù)責(zé)收集VL類的數(shù)據(jù)信息，存儲(chǔ)在RAM里，然后根據(jù)基于VL的MIB幀格式組成MIB幀送給MAC層轉(zhuǎn)發(fā)出去。按照4096條VL、每條VL有6種數(shù)據(jù)類型統(tǒng)計(jì)，可根據(jù)single或burst模式，以1條VL為1組或32條VL為1組，裝載到一個(gè)76 B或820 B的MIB幀內(nèi)。Burst模式下基于VL的MIB幀格式如表3所示。

表3 Burst模式下基于VL的MIB幀格式

4 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于端口和VL的數(shù)據(jù)信息處理模塊主要包括更新、數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存單元和MIB幀生成這三部分功能模塊。更新數(shù)據(jù)信息主要來自MAC層的各端口或VL的計(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)單元由寄存器或RAM實(shí)現(xiàn)，而不同類型MIB幀按照表2和表3的格式進(jìn)行構(gòu)建。

4.1 基于端口的MIB幀的實(shí)現(xiàn)

組成基于端口的MIB幀采用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，包括16個(gè)狀態(tài)：空閑、發(fā)送MIB幀頭0、發(fā)送MIB幀頭1、發(fā)送MIB幀頭2、發(fā)送MIB幀頭3、發(fā)送MIB幀頭4、發(fā)送MIB幀頭5、發(fā)送MIB幀頭6、發(fā)送Port_Status、發(fā)送 TxOctets、發(fā)送 TxDropPkts&RxDropPkts、發(fā)送RxOctets、發(fā)送 RxUnderSizePkts&RxExcessSizeDisc 、發(fā)送RxSymbolErrors&RxJabbers、發(fā)送RxAlignment Errors&RxFcsErrors、發(fā)送RxFragments、等待MAC空閑。這16個(gè)狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)如圖3所示。

4.2 基于VL的MIB幀的實(shí)現(xiàn)

組成基于VL的MIB幀包括11個(gè)狀態(tài)：空閑、等待MAC空閑、發(fā)送MIB幀頭0、發(fā)送MIB幀頭1、發(fā)送MIB幀頭2、發(fā)送MIB幀頭3、發(fā)送MIB幀頭4、發(fā)送MIB幀頭5、發(fā)送MIB統(tǒng)計(jì)0、發(fā)送MIB統(tǒng)計(jì)1、發(fā)送MIB統(tǒng)計(jì)2。這11個(gè)狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)如圖4所示。

圖3 基于端口的MIB幀狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)圖

圖4 基于VL的MIB幀狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖

5 結(jié)果分析

在ARM開發(fā)板的VxWorks操作系統(tǒng)下開發(fā)MIB數(shù)據(jù)管理軟件，對(duì)來自AFDX交換芯片的MIB幀進(jìn)行解析。多個(gè)端系統(tǒng)與AFDX交換機(jī)構(gòu)成AFDX網(wǎng)絡(luò)，端系統(tǒng)通過交換機(jī)進(jìn)行相互通訊，然后通過ARM開發(fā)板上的MIB數(shù)據(jù)管理軟件對(duì)交換機(jī)上的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行分析。圖5是根據(jù)典型應(yīng)用環(huán)境搭建的MIB數(shù)據(jù)管理驗(yàn)證平臺(tái)。

通過搭建的MIB數(shù)據(jù)管理驗(yàn)證平臺(tái)模擬了實(shí)際應(yīng)用情況，在測試環(huán)境中模擬了多個(gè)端系統(tǒng)共15條VL的數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)測試點(diǎn)不同，每條VL數(shù)據(jù)的功能屬性也不同，基于VL的采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖6所示。

圖6 基于VL的MIB數(shù)據(jù)管理示意圖

在圖6的測試數(shù)據(jù)中，VL0～1是100 Mbps速率下VL過濾丟棄和MAC層丟棄的統(tǒng)計(jì)，VL2是警管功能下幀丟棄的統(tǒng)計(jì)，VL3～10是不同BAG屬性的幀傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)，VL11～VL14是超時(shí)丟棄的統(tǒng)計(jì)。

測試結(jié)果表明MIB數(shù)據(jù)管理軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視交換機(jī)的每個(gè)端口及每條VL的統(tǒng)計(jì)信息，每10 ms系統(tǒng)就能更新所有端口和VL的信息，遠(yuǎn)超過ARINC 664的第7部分中規(guī)定的100 ms更新一次的要求。

6 結(jié)論

本文根據(jù)AFDX網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)，分析了AFDX網(wǎng)絡(luò)的MIB管理數(shù)據(jù)庫的組織架構(gòu)，提出了適用于AFDX交換機(jī)的MIB幀結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的MIB管理數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)方法，最后模擬AFDX網(wǎng)絡(luò)的典型工作環(huán)境，測試了MIB數(shù)據(jù)管理功能的正確性。使用MIB幀攜帶管理信息的方法，實(shí)現(xiàn)簡單、移植性強(qiáng)，可應(yīng)用于其他網(wǎng)絡(luò)管理中。