基于AFDX的航空計算機網(wǎng)絡(luò)

基于AFDX的航空計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究 摘要：針對大型客機飛行關(guān)鍵項目和乘客娛樂等設(shè)施的復(fù)雜航空電子系統(tǒng)的不斷增加，需要大量增加飛機上的航空總線的帶寬、提高服務(wù)質(zhì)量等問題，介紹了一種采用航空電子全雙工通信以太網(wǎng)交換（AFDX）的解決方案。該方案是基于商業(yè)以太網(wǎng)標準，采用目前已被廣泛接受的IEEE802.3/IP/UDP協(xié)議，并增加了特殊的功能來保證帶寬和服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)了低成本的快速開發(fā)。該方案還可以簡化布線，減輕飛機重量，易于航空電子子系統(tǒng)的維護升級等。關(guān)鍵詞：航空總線，全雙工通訊以太網(wǎng)交換，帶寬，服務(wù)質(zhì)量0引言：隨著飛行關(guān)鍵項目和乘客娛樂等設(shè)施的復(fù)雜航空電子系統(tǒng)的不斷增加，需要大量增加飛機上的數(shù)據(jù)總線的帶寬，傳統(tǒng)的航空總線如ARINC429等傳輸帶寬只有100KHZ,遠遠不能滿足要求，而ARINC629因價格昂貴，使飛機制造商的難以接受；因此需要以最小的代價和實現(xiàn)成本進行快速開發(fā)。雖然IEEE802.3以太網(wǎng)提供高速和低成本的總線，并具有廣泛商業(yè)的用途；但是它不能提供航空電子系統(tǒng)所需的魯棒性，主要原因是IEEE802.3以太網(wǎng)是半雙工模式的以太網(wǎng)，這種以太網(wǎng)存在的問題是：當多臺主機被同時連接到同一個通訊媒介（如同軸電纜等），并且沒有中心協(xié)調(diào)機制，這就有可能出現(xiàn)兩臺主機同時傳輸數(shù)據(jù)的情況，這時就會出現(xiàn)傳輸“沖突”，因此需要主機能檢測到?jīng)_突，當沖突發(fā)生時，每個主機要對它們的數(shù)據(jù)進行重傳。很明顯，仍然可能再次出現(xiàn)在同一時間傳輸?shù)那闆r，因此又會再次出現(xiàn)“沖突”。由于沒有中央控制的以太網(wǎng)，理論上可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)包不斷重復(fù)的傳輸“沖突”，這就意味著在試圖傳輸單個數(shù)據(jù)包時，有可能出現(xiàn)無限制的沖突鏈，從而使這個包可能永遠無法成功傳輸。由此可見，在半雙工模式，很可能出現(xiàn)因為沖突而導(dǎo)致了大量的數(shù)據(jù)包傳輸延遲。因此，無法作為應(yīng)用于要求實時性高、可靠性高和帶寬大的新一代航空總線。新一代航空總線需要一個這樣的體系結(jié)構(gòu)：這個結(jié)構(gòu)就是讓最大量的時間被用來把一系列數(shù)據(jù)包傳遞到一個已知的目的地，這意味著要擺脫系統(tǒng)的沖突。為此，波音和空客公司通過已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)用途的以太網(wǎng)技術(shù)來建立下一代航空數(shù)據(jù)總線，這項研究促使航空電子全雙工通信以太網(wǎng)（AFDX）交換機的誕生。AFDX是基于IEEE802.3以太網(wǎng)通訊技術(shù)來實現(xiàn)的，但是增加了特殊的功能來保證帶寬和服務(wù)質(zhì)量。1AFDX簡介航空電子全雙工通信以太網(wǎng)交換（AFDX)是一個基于標準定義的電子和協(xié)議規(guī)范（IEEE802.3和ARINC664Part7）用來航空子系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換[1]?？湛凸鹃_始致力于定義一個具有魯棒性的下一代航空數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)（ADN）用于A380，AFDX應(yīng)用于這種特殊的網(wǎng)絡(luò)，適用于ARINC664總線。它提供一個高達24個終端系統(tǒng)的星形拓撲來連接從一個交換機橋接到其它的交換機內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。這個穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)允許連接冗余（雙物理連接）來保證帶寬和服務(wù)質(zhì)量。AFDX還允許連接到其它的標準總線如ARINC429或者MIL-STD-1553等到網(wǎng)絡(luò)，并且允許通過網(wǎng)關(guān)和路由與其他的適應(yīng)ARINC-664但非確定的網(wǎng)絡(luò)進行通訊[2]。AFDX地址沒有采用IEEE802.3以太網(wǎng)標準，而是采用電信標準的異步傳輸模式的概念，這種對以太網(wǎng)標準的擴展使得在確定的網(wǎng)絡(luò)中保證帶寬和服務(wù)質(zhì)量成為可能。2AFDX的在數(shù)據(jù)傳輸性能的改進1.1AFDX以太網(wǎng)幀格式：AFDX數(shù)據(jù)包幀格式與IEEE802.3以太網(wǎng)的幀格式基本相同，AFDX幀格式如圖所示，目標地址和源端地址包含著終端的MAC地址，事實上IP地址信息包含在IP結(jié)構(gòu)模塊中。UCP結(jié)構(gòu)區(qū)別應(yīng)用端口，AFDX信息有效載荷為17到1471數(shù)據(jù)。虛擬路徑是通過1字節(jié)的序列號接來提供，它在以太網(wǎng)幀協(xié)議的校驗和之前，范圍可以是從1到255，當?shù)竭_255后翻轉(zhuǎn)到1，序列號0是保留對終端系統(tǒng)的復(fù)位。AFDX網(wǎng)絡(luò)地址是基于終端的MAC地址，ARINC664沒有特別的規(guī)則來分配MAC地址，這個任務(wù)留給系統(tǒng)管理者來完成，但必須遵從IEEE802.3說明的本地管理規(guī)范。例如：在波音飛機的應(yīng)用中，16位全部都可以用來設(shè)置的；而在空客的應(yīng)用中，只有低12位被用到，而高4位均被置零。源端地址必須唯一，源端地址包含用來區(qū)別兩個連接的冗余網(wǎng)絡(luò)的MAC地址，目標地址是一個多播地址，包含16位的虛擬連接標識符[3]。圖2AFDX以太網(wǎng)幀協(xié)議格式1.2AFDX以太網(wǎng)冗余備份：為避免可能因交換機某一網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障而無法正常通訊，在AFDX系統(tǒng)中有兩個獨立的交換網(wǎng)絡(luò)（如圖所示）——A網(wǎng)絡(luò)和B網(wǎng)絡(luò)，每個包通過終端系統(tǒng)同時發(fā)送到這兩個網(wǎng)絡(luò)，因此正常情況下每個終端系統(tǒng)將會收到兩個包，終端系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)包的序列號來區(qū)別數(shù)據(jù)包來自A網(wǎng)絡(luò)還是B網(wǎng)絡(luò)，并檢查數(shù)據(jù)包的幀校驗序列來決定是否采用還是丟棄該幀。通過對數(shù)據(jù)進行冗余管理，就可以很好的保證數(shù)據(jù)包安全準確地傳輸?shù)侥康牡?，也就是提高了服?wù)質(zhì)量。圖3AFDX網(wǎng)絡(luò)冗余連接1.3虛擬連接AFDX網(wǎng)絡(luò)的核心是虛擬連接（virtuallink）。每個虛擬連接建立了一個從源終端系統(tǒng)到多個目標終端系統(tǒng)的無方向的邏輯部分，每一個虛擬連接都分配一定的帶寬配額，虛擬連接的數(shù)量是由一個完整的系統(tǒng)來定義的。創(chuàng)建虛擬連接的總帶寬不能超過網(wǎng)絡(luò)最大的可用帶寬。對于不太重要的通訊網(wǎng)絡(luò)，AFDX允許建立子虛擬連接（sub-VLs），雖然帶寬對虛擬連接是有保證的，但對子虛擬連接是沒有保證的[1]。如圖所示：當源端系統(tǒng)（1）把一個（VLID）=100的虛擬連接識別碼的以太網(wǎng)幀發(fā)送到以太網(wǎng)中，AFDX交換機把這個以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)發(fā)到指定目標終端系統(tǒng)（2和3），終端系統(tǒng)（2和3）能同時收到來自終端系統(tǒng)1的以太網(wǎng)幀。也就是說多個虛擬連接能同時接收來自同一個終端系統(tǒng)的信息，并且每個虛擬連接也可以從一個或多個通信端口獲取信息。正常通訊。（4）簡化走線難度：以往的航空總線系統(tǒng)中所有的設(shè)備之間必須通過雙絞線相連，才能正常通訊；而使用AFDX，如圖4所示，每個端點不需要單獨連接到內(nèi)部平臺，每個終端只要與交換機直接相連，而不管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部平臺有多少個端點，這樣就在很大程度上減少走線，因此也可以減輕飛機的重量。（5）終端子系統(tǒng)數(shù)量不受限制：如在ARINC429，一個發(fā)送源端最多只能有20個接收者，在MIL-STD-1553總線，一個BC最多只能連接32個RT;而AFDX，從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部平臺連接的航空子系統(tǒng)的數(shù)量只跟交換機端口的數(shù)量有關(guān)，很容易滿足增加子系統(tǒng)的需求。（6）成本低：它通過已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)用途的以太網(wǎng)技術(shù)進行開發(fā)，在很大程度上縮短了開發(fā)周期，和生產(chǎn)成本。5總結(jié)：本文通過對AFDX的協(xié)議進行分析和比較，證明采用AFDX的航空計算機網(wǎng)絡(luò)，可以提供更