《電子技術(shù)應(yīng)用》
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AFDX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
楊 峰1，2,，洪元佳3,，夏 杰3，張 佩3
1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,，陜西 西安710068； 2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710068,；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068
摘要： 航空全雙工交換式以太網(wǎng)(AFDX)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上采用商用現(xiàn)成技術(shù)(COTS)和開放式標(biāo)準(zhǔn),，是一種滿足大中型飛機(jī)綜合化航空電子系統(tǒng)互聯(lián)通信的星型網(wǎng)絡(luò),，成為下一代航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。AFDX網(wǎng)絡(luò)利用魯棒的,、成熟的,、高速商用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3通信原理和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在通信協(xié)議,、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上采用全雙工,、雙余度、帶寬固定分配,、虛鏈路,、余度管理和完整性檢查等措施,，使之滿足航空電子系統(tǒng)對高帶寬、低延遲,、高安全性,、高可靠性、強(qiáng)實(shí)時(shí)性和確定性的通信服務(wù)要求,。在深入理解AFDX網(wǎng)絡(luò)背景的基礎(chǔ)上,，詳細(xì)分析了AFDX網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理及網(wǎng)絡(luò)特性,，進(jìn)一步說明了AFDX網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展趨勢,，為后續(xù)的AFDX網(wǎng)絡(luò)研究與工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
中圖分類號： V243.1
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.001
中文引用格式： 楊峰,，洪元佳,，夏杰，等. AFDX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2016,，42(4)：4-6，10.
英文引用格式： Yang Feng,，Hong Yuanjia,，Xia Jie，et al. Summary of AFDX network technology[J].Application of Electronic Technique,，2016,，42(4)：4-6，10.
Summary of AFDX network technology
Yang Feng1,，2,，Hong Yuanjia3，Xia Jie3,，Zhang Pei3
1.AVIC Computing Technique Research Institute,，Xi′an 710068，China,； 2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design,，Xi′an 710068，China,； 3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.,LTD, Xi′an 710068,，China
Abstract： Aviation full duplex switched Ethernet(AFDX) uses commercial off-the-shelf(COTS) technology and open standards which on the basis of the traditional Ethernet, it is a kind of large and medium-sized aircraft integrated avionics system of interconnected communication star network, and becoming the best choice for the next generation of aviation data network. AFDX network makes use of robust, mature, high-speed commercial IEEE802.3 Ethernet standard communication principle and network structure which uses key technology such as full duplex, double redundancy fixed bandwidth allocation, virtual link, the redundancy management and integrity check in order to satisfy the avionics systems for high-bandwidth, low-latency, high-security, high-reliability, strong real time, deterministic communications service requirements. This paper further understands AFDX network background, analyzes the AFDX network topological structure, working principle and network features in detail, and illustrates the further development trend of AFDX network. All of this paper′s research is important for subsequent AFDX network research and engineering applications.
Key words : AFDX；certainly,；reliability,；real-time

0 引言

    機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展至今，傳輸方式從孤立的單一傳輸發(fā)展到共享互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)化,，傳輸速度從原來的Kb/s發(fā)展到Mb/s乃至Gb/s,，為航電系統(tǒng)的升級換代提供了強(qiáng)有力的保證,，推動(dòng)了航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)化。AFDX網(wǎng)絡(luò)以其高實(shí)時(shí),、高安全,、高可靠和低延時(shí)的特點(diǎn)，滿足航電系統(tǒng)對健壯性,、兼容性和可擴(kuò)展性的要求,，成為目前機(jī)載領(lǐng)域較先進(jìn)的航空電子系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)[1-2]。

    AFDX網(wǎng)絡(luò)由端系統(tǒng)(End System,，ES),、交換機(jī)(Switch)、鏈路(Link)組成,，采用雙冗余星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，終端之間通過虛鏈路交換數(shù)據(jù)[3]，虛鏈路(Virtual Link,，VL)定義了一條消息的源地址和目的地址,，其中源地址只有一個(gè)，每一個(gè)虛鏈路都有自己的帶寬,。虛鏈路是AFDX網(wǎng)絡(luò)的通信基礎(chǔ),，在系統(tǒng)中端系統(tǒng)通過虛鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的交換。

    AFDX網(wǎng)絡(luò)采用全雙工交換機(jī),、異步傳輸模式等方法來減少總線競爭,，通過靜態(tài)配置以達(dá)到確定性要求。全雙工交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)核心,，具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū),，可以滿足所有端口線速轉(zhuǎn)發(fā)[4]；端系統(tǒng)提供航空電子設(shè)備與AFDX網(wǎng)絡(luò)之間的“接口”,，該“接口”向航空電子設(shè)備提供“應(yīng)用程序接口”，同時(shí)提供基于虛鏈路的發(fā)送帶寬控制,，以保證各設(shè)備之間不同通信通道之間的隔離,。

    從圖1可以看出機(jī)載總線結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，最初的總線ARINC429為網(wǎng)狀形式,，傳輸速率只有100 Kb/s,，發(fā)展到總線型的ARINC629傳輸速率有所提高，達(dá)到2 Mb/s,，而近年來快速發(fā)展的ARINC664為星型結(jié)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)了100 Mb/s的傳輸速率，是早期ARINC429總線的1 000倍[5],。

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    AFDX網(wǎng)絡(luò)完全符合ARINC664 Part7協(xié)議,，采用的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得設(shè)備之間的互聯(lián)更加方便,，提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。同時(shí)AFDX網(wǎng)絡(luò)的虛擬鏈路,、流量警管,、BAG、抖動(dòng),、冗余管理和完整性檢查等核心技術(shù)提高了網(wǎng)絡(luò)的通信性能,，增強(qiáng)了系統(tǒng)的確定性和可靠性，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空中客車A400M大型運(yùn)輸機(jī)和波音787寬體客機(jī)中,，成為新一代大型客機(jī)高速機(jī)載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)[6],。

1 AFDX網(wǎng)絡(luò)介紹

    AFDX網(wǎng)絡(luò)是從商用以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。目前廣泛使用的商用以太網(wǎng)是基于交換機(jī)動(dòng)態(tài)路由進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的,，數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中的傳輸路徑是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)情況而動(dòng)態(tài)進(jìn)行確定的,，數(shù)據(jù)包在重復(fù)傳輸中會由于碰撞而導(dǎo)致延遲，故其存在數(shù)據(jù)延遲不可測,、數(shù)據(jù)信息丟失的現(xiàn)象,，而這種情況在對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性,、安全性要求比較高的航空電子數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中是不可接受的[7],。AFDX網(wǎng)絡(luò)在商用以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加了以下特性以適應(yīng)航空電子系統(tǒng)的需求：

    (1)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802.3協(xié)議以充分利用貨架產(chǎn)品的優(yōu)勢；

    (2)采用虛鏈路進(jìn)行帶寬預(yù)分配以對網(wǎng)絡(luò)傳輸性能進(jìn)行優(yōu)化,，引進(jìn)BAG和Jitter以確保網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的可測性,；

    (3)采用預(yù)先設(shè)定的傳輸路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；

    (4)采用星型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，交換機(jī)之間可以進(jìn)行級聯(lián)以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性,；

    (5)采用雙冗余的“熱備份”，增加冗余管理和完整性校驗(yàn)機(jī)制以保證數(shù)據(jù)的可靠性,。

1.1 AFDX網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    AFDX網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅采用傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的星型拓?fù)?，其他結(jié)構(gòu)(如總線型結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu))因傳輸效率,、可能造成沖突等原因不能使用[6],。同時(shí)，AFDX網(wǎng)絡(luò)采用雙冗余機(jī)制,，故形成了如圖2所示的雙冗余星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，其中ES代表端系統(tǒng)，相同位置不同顏色的交換機(jī)互為熱備份,。

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    在標(biāo)準(zhǔn)AFDX網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中,，所有鏈路采用熱備份機(jī)制，即所有交換機(jī)都有另一個(gè)與它數(shù)據(jù)相同（數(shù)據(jù)僅MAC源地址中網(wǎng)絡(luò)號字段不同）,，每個(gè)終端系統(tǒng)與兩臺互為熱備份的交換機(jī)相連,，構(gòu)成雙冗余網(wǎng)絡(luò),，交換機(jī)之間通過級聯(lián)以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。由此可以避免由于鏈路或者交換機(jī)故障所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)癱瘓,，同時(shí)互為備份的鏈路層亦可以保證數(shù)據(jù)的可靠性,。

1.2 AFDX網(wǎng)絡(luò)工作原理

    AFDX網(wǎng)絡(luò)在航空系統(tǒng)的互聯(lián)示意圖如圖3所示，通過交換機(jī)的警管,、過濾機(jī)制和端系統(tǒng)的定時(shí)發(fā)送機(jī)制避免數(shù)據(jù)堵塞和沖突,，提高通信質(zhì)量和安全性，對數(shù)據(jù)傳輸帶寬進(jìn)行限制,，保證通信的帶寬和隔離,；通過靜態(tài)配置保證系統(tǒng)傳輸?shù)拇_定性；通過傳輸路徑的熱備份保證系統(tǒng)的可靠性,。

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    AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作原理如圖4所示的實(shí)線框內(nèi)部,，根據(jù)圖4的傳輸過程，AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作原理可以分為以下過程：

    (1)當(dāng)指令從飛行員發(fā)起并經(jīng)過各種處理后,，指令下發(fā)到端系統(tǒng),，這里端系統(tǒng)收到的是實(shí)際數(shù)據(jù)內(nèi)容。

    (2)經(jīng)過端系統(tǒng)的處理,，加上AFDX網(wǎng)絡(luò)特有控制信息,，如IP頭部、UDP頭部,、SN號,、CRC校驗(yàn)等內(nèi)容，將數(shù)據(jù)封裝成完整AFDX數(shù)據(jù)幀,，通過端系統(tǒng)的A,、B雙冗余端口發(fā)送出去，數(shù)據(jù)幀到達(dá)交換機(jī)的端口,。

    (3)交換機(jī)收到數(shù)據(jù)幀后按照用戶提前配置好的數(shù)據(jù)傳輸路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā),，在交換機(jī)的內(nèi)部，數(shù)據(jù)幀需要經(jīng)過過濾,、警管,、調(diào)度、交換等各個(gè)關(guān)卡,，在通過了各個(gè)關(guān)卡之后，符合網(wǎng)絡(luò)要求的數(shù)據(jù)幀被轉(zhuǎn)發(fā)出來,，從指定端口發(fā)送到目的端系統(tǒng)上,。

    (4)接收的端系統(tǒng)收到交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)出來的幀后，首先判斷幀的正確性和完整性,，然后對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行協(xié)議解析處理,，將傳輸時(shí)加上AFDX網(wǎng)絡(luò)特有控制信息逐一分層拆除,，取出真正的數(shù)據(jù)內(nèi)容，提交給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng),。子系統(tǒng)經(jīng)過各種對應(yīng)（如解密,、運(yùn)算）的處理后，回饋信息給飛行員,，完成一次操作,。

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1.3 AFDX網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)

    AFDX網(wǎng)絡(luò)是基于商業(yè)以太網(wǎng)的以交換機(jī)為核心的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其以商業(yè)以太網(wǎng)的組網(wǎng)形式和通信協(xié)議為基礎(chǔ),，結(jié)合航空電子應(yīng)用的特殊環(huán)境對確定性,、可靠性、實(shí)時(shí)性和安全性方面的需求,，ARINC公司負(fù)責(zé)制定了ARINC 664航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),。憑借虛鏈路技術(shù)和雙冗余管理實(shí)現(xiàn)了航空電子應(yīng)用需求，同時(shí)能夠兼顧既有的航電設(shè)備,。AFDX網(wǎng)絡(luò)已成為新一代航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),。

    AFDX網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)主要有：基于以太網(wǎng)基礎(chǔ)；利用COTS技術(shù),，使用開放式的系統(tǒng),；星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)；余度容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò),；可靠性網(wǎng)絡(luò),；高實(shí)時(shí)性網(wǎng)絡(luò)；高傳輸速率網(wǎng)絡(luò),；確定性網(wǎng)絡(luò),；可維護(hù)性網(wǎng)絡(luò)；提供區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型的服務(wù),；采用航空電子專用的通信協(xié)議[7],。

    AFDX網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)有：便于航空子系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)；提高航空計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的通信性能,；數(shù)據(jù)傳送有確定的端到端延遲,，能夠保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求；布線簡單,，采用星型拓?fù)涠屈c(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu),；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，通過交換機(jī)的級聯(lián)可增加多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,；全雙工模式,，帶寬可達(dá)100 MHz，為429總線的1 000倍；安全性高,，采用雙冗余機(jī)制確保消息可靠到達(dá),；可靠性高，使用靜態(tài)配置轉(zhuǎn)發(fā)表,、流量整形和實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性,。

2 AFDX網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

    AFDX網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上先進(jìn)大中型飛機(jī)的主干網(wǎng)絡(luò)之一，具有很好的發(fā)展前景,，尤其是其采用COTS技術(shù),，使得成本相對FC、1394等具有很大優(yōu)勢,。國外對AFDX的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,，形成完整的應(yīng)用、測試,、驗(yàn)證解決方案,，AIM、TechSAT等公司均提供高性能的端系統(tǒng),、交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)測試平臺和仿真設(shè)備,，為AFDX網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)測試、可靠性分析提供有力支持,。

    國內(nèi)AFDX網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也逐漸增多,， AFDX網(wǎng)絡(luò)已開始在部分飛機(jī)上驗(yàn)證、應(yīng)用,，測試設(shè)備也逐漸完善,，目前已自主研發(fā)出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備、TAP分析設(shè)備,、便攜式維護(hù)管理終端,，完成AFDX網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)，并通過了原理試驗(yàn),、協(xié)議符合性測試,、電氣特性測試、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用測試,、C型件和S型件試驗(yàn),、機(jī)上地面等試驗(yàn)，驗(yàn)證充分,。但由于國內(nèi)AFDX網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用正處于初期階段,，應(yīng)用規(guī)模不大，測試設(shè)備的發(fā)展比較滯后,，相比國外還有一定差距,，暫時(shí)還沒有全面的,、精確度較高的交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)測試平臺。隨著AFDX網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日趨成熟,，測試設(shè)備的研發(fā)步入正軌，可以預(yù)見未來國內(nèi)AFDX網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)完全自主保障,。

3 AFDX網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

    機(jī)載的發(fā)展如同商業(yè)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展一樣,，一直向著高可靠、高速率,、強(qiáng)實(shí)時(shí),、綜合化方向發(fā)展，以太網(wǎng)作為成功的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案,，自然成為各領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題,，時(shí)間觸發(fā)協(xié)議(Time Trigger Protocol，TTP)由TTTech公司提出,，經(jīng)過十多年的研究和實(shí)踐,，其在商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，其采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，提高了數(shù)據(jù)通信的時(shí)間確定性,。TTP自身已經(jīng)證明了其適用于綜合模塊化航空電子體系結(jié)構(gòu)。

    時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)（Time Trigger Ethernet,，TTE）是TTTech公司針對航空/航天領(lǐng)域等特殊應(yīng)用而研發(fā)的一種高性能,、強(qiáng)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，物理層完全兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3,，支持雙冗余,，同時(shí)可以提供微秒級的時(shí)鐘同步，通信速率可達(dá)1 Gb/s?，F(xiàn)已被確定為波音B787,、空中客車 A380等其他先進(jìn)飛機(jī)的航空電子系統(tǒng)的通信解決方案[8]。

    TTE網(wǎng)絡(luò)向下兼容AFDX網(wǎng)絡(luò),，提供的流量區(qū)分服務(wù)可以保證AFDX網(wǎng)絡(luò)接入的獨(dú)立性和完整性,，降低當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的升級成本。與AFDX網(wǎng)絡(luò)相比,，TTE具有更快的速度,、更遠(yuǎn)的傳輸距離、更低的網(wǎng)絡(luò)延遲以及更靈活的通信管理方案,，而且TTE網(wǎng)絡(luò)自身具有較高精度的時(shí)間同步能力,，使其成為一種非常有潛力的未來工業(yè)和機(jī)載網(wǎng)絡(luò)解決方案。

4 結(jié)束語

    AFDX網(wǎng)絡(luò)是目前較為先進(jìn)的航空電子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一,，不僅可以滿足航空對高傳輸速率,、健壯性和兼容性要求,，而且還可以滿足新一代航電數(shù)據(jù)通信的高速、高實(shí)時(shí)和高可靠傳輸,。本文在AFDX網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景的基礎(chǔ)上,，通過分析AFDX網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理以及網(wǎng)絡(luò)特性,，對AFDX網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究,，對后續(xù)AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究、芯片研制,、應(yīng)用解決方案以及AFDX網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值,。

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