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民用飞机高速航电系统AFDX网络设计与分析

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计算机工程与设计ComputerEngineering and Design 2011,Vo1.32,No.11 3633 民用飞机高速航电系统AFDX网络设计与分析 王红春 ,何锋。 (1.中国航空计算技术研究所,陕西西安710068;2.北京航空航天大学电子信息工程学院,北京100191) 摘要:针对AFDX网络在民用飞机综合化航空电子系统中应用,在对AFDX网络协议技术特点分析的基础上,提出了交换 机体系架构和端系统体系架构的实施方案。分析了交换机帧过滤、流量警管、帧调度与转发的实现方式,论述了端系统虚拟 链路调度、余度管理和协议栈的实施机制。研制了AFDX网络交换机和端系统,并开发了支持网络应用的配置仿真以及数据 加载工具,提供了AFDX网络在航电系统应用的全套解决方案。通过AFDX网络测试平台对研制的交换机与端系统产品进 行了验证测试,实际测试结果表明,AFDX网络交换机、端系统产品的设计完全符合ARINC664规范设计要求,能够满足高速 航空电子网络数据传输的实时性、确定性与可靠性要求。 关键词:航空电子全双工交换网络;网络设计;交换机体系结构;端系统体系结构:网络测试 中图法分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1000—7024(2011)11-3633—05 Civil aircraft high—speed avionics system AFDX network design and analysis WANG Hong.chun .HE Feng (1.Aeronautical Computing Technique Research Institute,Xi’an 710068,China;2。School ofElectronics and Information Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 1 00 1 9 1,China) Abstract:Aimed at the application of avionics full duplex switched Ethemet(AFDX)to civil aircraft integrated avionics system,on the basis ofthe analysis ofAFDX technology characteristics,the implementary solutions to switch and end system architecture are pro- posed,including switch frame ifltering,trafifc policing,scheduling and forwarding mechanism,and end system virtual link scheduling, redundancy management,protocol stack implementation method.The practical AFDX switch nad end system products are developed, nad the corresponding configuration,simulation and data load tools rae designed simultaneously,which provide a complete solution to AFDX network implementation.According to the functionality and performance test on the AFDX network test platform,the results show that the designed AFDX network switch and end system products fully satisfy the ARINC 664 standard and meet real-time,deter— minate and reliable data transmission demands of the high-speed avionics network. Key words:avionics full duplex switched network;network design;switch architecture;end system architecture;network testing 0引 言 波音公司分别在A380和B787飞机上采用AFDX技术来构建 航空电子系统的主干互连网,满足大型民用飞机航空电子系 民用飞机航空电子系统复杂性日益增加,为了满足各种 统对网络的时间确定性、高可靠性和低重量的要求。国内外 复杂飞行条件下安全飞行和乘客娱乐要求,数据通信对机载 研究机构和学者对AFDX网络在航空电子系统中的应用展开 数据总线的带宽需求也与日俱增。目前,传统的ARINC429总 了广泛理论研究0 ,在我国开展大飞机建设的背景下,亟需开 线在拓扑结构、数据传输速率等方面己不能满足民用飞机航 展设备实际研究工作,构建AFDX网络在民用飞机高速航电 空电子系统的需求。波音公司和空中客车公司在本世纪初就 系统中应用的全套解决方案。 已经将机载数据总线研究的重点转移到利用以太网技术来构 建下一代航电网络Ⅲ,该项研究促进了航空电子全双工交换式 1 AFDX网络技术特点 以太网(AFDX)的发展。AFDX网络是在IEEE803.2以太网技 航空电子全双工交换式以太网(AFDX)由交换机(Switch) 术的基础上,增加了一些特殊功能来保证网络通信的确定性 和端系统(ES)两部分组成 ,采用以交换机为中心的星型拓扑 和可靠性。航空无线电通信公司(ARINc)定制了基于以太网 结构,每个交换机最多可连接24个终端节点,交换机可以级 技术的AFDX网络标准:ARINC664 。目前,空中客车公司和 联以实现更大规模的网络,从而构建综合模块化航空电子系 收稿日期:2010.1l一18;修订日期:2011.01—20。 基金项目:国家自然科学基金项目(60879024)。 作者简介:王红春(1977一),男,湖北仙桃人,硕士研究生,高级工程师,研究方向为计算机网络通信、计算机系统结构; 何锋(1980一),男 (土家族),湖北利川人,博士后,研究方向为先进航空电子系统、航空电子网络。E—mail:afdxfc@163.com 王红春,何锋:民用飞机高速航电系统AFDX网络设计与分析 入队列。接收调度采用Round-Robin公平轮询调度算法,快速 的从输入队列中读取数据帧,根据数据帧头信息快速查找通 信转发表,获取目标端口地址,将数据帧放到共享存储器对应 输出端口队列中。 2011,Vo1.32,No.1 1 3635 应的调度周期计时器计时到零,该虚拟链路提交虚拟链路调 度器进行调度。 虚拟链路调度器采用两级调度策略,第一级调度采用 Round—Robin轮询的方式从多个虚拟链路中选取需要发送的 虚拟链路,第二级调度是在被选取的发送虚拟链路上,按照 Round-Robin轮询的方式选取需要发送的子虚拟链路。 发送调度负责将存储器中对应输出队列中的数据帧搬到 对应输出端口。根据ARINC664标准,发送调度应该在端口之 间实现快速公平的分组转发,而在端口内部需要根据两级优 3.3余度管理设计 先级机制进行转发,满足对抖动和时延的确定性要求。 3 AFDX网络端系统 3.1端系统系统架构 端系统提供主机到AFDX网络的通信接口,一般有两种 体系架构可供参考:组合式体系架构和主机/目标机分布式体 系架构“ 。 在组合式体系架构中,通信协议运行在主机系统上,硬件 设计简单,但由于应用与通信协议栈均运行于同一主机上,并 共享CPU时间,因此采用该体系架构,在运行任务较多时,通 信系统实时性和确定性均受到影响。 在主机/目标机分布式系统架构中,采用专用处理器运行 通信协议栈,降低主机通信开销,保证了系统实时性和确定 性。AFDX端系统可采用该方案,其架构如图3所示。 AFDXA网络AFDXB网络 图3主机/目标机系统架构 3.2虚拟链路调度设计 AFDX网络的虚拟链路设计保证网络通信的确定性。系 统设计者为每个虚拟链路定义其BAG和最大帧长,从而 数据源按照分配的带宽进行通信。 按照ARINC664标准的规定,端系统支持虚拟链路的发 送和接收,并规定每条发送虚拟链路最多可支持4个子虚拟 链路,子虚拟链路共享虚拟链路的带宽。AFDX端系统硬件设 计中为每个子虚拟链路分配的存储资源,4个子虚拟链路 构成一个虚拟链路。每个虚拟链路对应一个调度周期计时器, 用于虚拟链路发送时间窗口的分配,调度周期计时器根据VL 的预分配BAG的值进行设定,当虚拟链路中有数据并且其对 AFDX网络采用双MAC的余度设计保证网络通信的可 靠性。每个端系统采用双网络接口分别连接到两个不同的交 换机上,如图4所示。 +[豫: \_哥豳豳L … ⑨ 图4端系统余度管理 AFDX网络在数据帧格式定义时,将数据域中的最后一 个字节定义为帧序列号(SN)用于帧发送顺序计数,每个vL都 有自己的帧序列计数器。 当某个VL发送数据帧时,根据VL配置的网络选择参数, 确定使用端口A发送,端口B发送,或者两个端口同时发送。 如果网络选择参数为两个端口同时发送,端系统会从端口A、 B同时发送一个数据帧的两个拷贝。数据帧中封装虚拟链路 帧序列计数,发送完成后虚拟链路帧序列计数器加1。 接收端网络接口分别接收A、B网络的数据帧,当收到数 据帧后首先进行完整性检测。完整性检测主要判断数据帧的 数据正确性和顺序完整性。当数据帧的数据完整性和顺序完 整性均满足要求后,提交接收余度管理器进行处理,在接收余 度管理器负责丢弃错误数据帧,并将错误统计信息记录到维 护信息库中。 接收余度管理器根据VL的网络选择参数决定从端口A、 端口B接收,或者两个端口余度接收。当网络参数为从端口 A或者端口B接收时,接收到的数据帧直接提交上层UDP/IP 协议栈处理。当网络参数为从两个端口余度接收时,接收余 度管理器根据数据帧的帧序列号和虚拟链路号找到一个数据 帧的两个拷贝,按照“先有效先赢”的策略选取数据帧并提交 到上层UDP/IP协议栈进行处理。 3.4网络通信协议栈设计 端系统根据ARINC664规范要求实现标准通信协议栈, 其体系架构如图5所示,设计严格遵循DO.178B,该协议栈软 件运行在专用处理器上。 通信协议栈包括UDP ̄P、SNMP、ARINC615等部分,为航 电应用通信提供满足ARINC653规范定义的采样和队列通信 接口。其中UDP/IP协议栈主要实现数据帧的封装解析。数 据发送时,端系统协议栈按照通信配置,将消息块进行分片, 然后增加UDP、IP帧头信息以及MAC地址,提交到对应的虚 拟链路发送。数据接收时,解析MAC和UDP、IP帧头信息,并 将数据帧组织成消息块,提交上层应用处理。 3636 2011,Vo1.32,No.1 1 计算机_T-程与设计Computer Engineering and Design 1 。。 甫屡。。。 一一。f蠢酮 f f 。7 一一一 \\\ .一一一 /// 一一一 管理信息库 (MIB) :: 》! 表会示话层 I I : …一 传输层 网络层 u u u I LA uDP:用户数据报协议 TCP (ARINC 664 part 3) I(可选) IP:互联网协议(ARINC 664 part 3) 以太网MAC层(虚拟链路) 特性 ;I! fI  1 链路层 物理层 以太网物理层(ARINC 664 part2) 图5端系统协议栈 SNMP协议栈满足SNMP V2.0的规范,主要实现网络管 理和系统维护功能,端系统SNMP协议栈支持网络管理和网 络代理两种角色。网络管理通过与网络代理进行通信,获取 网络上所有端系统在维护信息库MIB中的信息。上层应用根 据网络管理获取的维护信息实现系统的管理和重构。 AFDX网络配置仿真工具从网络通信层面对交换机和端 系统行为进行抽象,建立交换机和端系统的数学模型,提供网 络系统ICD和拓扑结构的图形化描述。同时,该工具可根据 系统ICD和拓扑结构定义自动生成端系统和交换机的通信配 置参数,并模拟各种消息流在AFDX网络上的传输过程,仿真 分析网络通信带宽、通信延迟等技术指标,自动生成各种形式 的报表,为系统设计提供参考。 AR1NC615协议栈满足AR1NC615规范,基于简单的文件 传输协议实现。协议主要通过网络信息系统以文件传输形式 实现配置文件、程序和数据的上传下载。 5验证与测试 为了验证AFDX交换机和端系统的ARINC664协议符合 性,我们编写了交换机和端系统的有效性测试需求规范,使其 4网络配置与仿真 AFDX网络的通信严格按照静态配置的通信参数进行, 从而保证网络的确定性。为了验证配置的合理性,可以采用 仿真工具对配置行为进行仿真,从而发现配置参数中的不合 理因素“ ” 。在支持民机航空电子综合人员使用和规划AFDX 网络过程中,我们开发了一套专用的AFDX网络配置仿真工 具用于航电系统前期规划、通信参数的生成和通信性能的仿 真分析,如图6所示。 完全覆盖ARINC664Part7中关于交换机和端系统的功能和性 能要求,并根据测试需求规范,编写了交换机和端系统的详细 验证测试实施方案,定义了功能和性能的测试集、测试方法、 流程和通过标准等。采用德国AIM公司AFDX测试设备,结 合验证测试实施方案,开发相关测试软件,建立了软硬件综合 自动化测试平台,如图7所示。 IRIG.B/触发器 图6网络配置仿真_T-具 图7 AFDX网络验证测试平台 王红春,何锋:民用飞机高速航电系统AFDX网络设计与分析 2011,Vo1.32,No.1 1 3637 在该平台上,AFDX交换机完成了基本通信、过滤、管制、交 tems Conference,2008. 换、配置、操作模式、数据加卸载、管脚编程和性能等项目的测 [6] Wang Haotian,Xiong Huagang.A novel data communication 试,AFDX端系统完成了虚链路、流量控制、子虚拟链路、通信端 network rachitecture for integrated modulra avionics[C】.Pro. 口和SAP端口、地址、ES通信栈、余度和性能测试。所有测试项 ceedings ofthe 28th Digital Avionics System Conference,2009. 全部通过,并自动生成测试报告。测试结果表明我所研制的 [7] Alena R L,Ossenfort J P,Laws K I,et a1.Communications for in— AFDX交换机和端系统全面满足ARINC664 P7规范的要求。 tegrated modular avionics[C].Proceedings of the Aerospace 6结束语 Conference,2007:I-18. [8 8]Li Xinying,Xiong Huagang.Modelling and simulation of integ. 本文针对民机航空电子系统综合化的需求,分析了航空电 rated modular avionics systems[C].Proceedings of hte 28th Di- 子全双工交换式以太网协议中虚链路和余度管理等网络协议特 gital Avionics System Conference,2009. 点,提出了AFDX交换机以及端系统的实现方案,并结合具体实 [9】 CES white paper on AFDX[EB/OL].Switzerland:Creative Elec— 施方法完成了AFDX网络交换机和端系统的研制工作。通过 tronic Systems Inc,ht印://www.ces.ch. AIM测试平台对交换机以及端系统的AR1NC664协议符合一致 【10】Anand M,Vestal S,Dajani-Brown s,et a1.Formal modeling and 性进行测试和验证,结果表明我所研制的AFDX交换机与端系 naalysis of the AFDX frame management design[C】.Procee- 统能够满足民机航电数据通信的高速、确定和可靠传输的要求。 dings of 9th Object nad Component-Oriented Real・-Time Distri- buted Computing Conference,2006. 参考文献 [11]Yao M,Qiu z,Kwak K.Leaky bucket algorithms in AFDX[J]. Developing AFDX So1utions[EB/OL】.Actel Corporation,http:// Electronics Letters,2009,45(1 1):543—545. www.acteI.com. [12]Imad Khazali,Marc.Andre Boulais,Phil Cole,et a1.AFDX soft. 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