0 引言

    機載總線網(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有力的保證,，推動了航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進化。AFDX網(wǎng)絡(luò)以其高實時,、高安全,、高可靠和低延時的特點，滿足航電系統(tǒng)對健壯性,、兼容性和可擴展性的要求,，成為目前機載領(lǐng)域較先進的航空電子系統(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(Switch)、鏈路(Link)組成,，采用雙冗余星型拓撲結(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，每一個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)通過虛鏈路進行數(shù)據(jù)幀的交換。

    AFDX網(wǎng)絡(luò)采用全雙工交換機,、異步傳輸模式等方法來減少總線競爭,，通過靜態(tài)配置以達到確定性要求,。全雙工交換機作為網(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,，達到2 Mb/s，而近年來快速發(fā)展的ARINC664為星型結(jié)構(gòu),，實現(xiàn)了100 Mb/s的傳輸速率,，是早期ARINC429總線的1 000倍^[5]。

    AFDX網(wǎng)絡(luò)完全符合ARINC664 Part7協(xié)議,，采用的星型拓撲結(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)的可擴展性。同時AFDX網(wǎng)絡(luò)的虛擬鏈路,、流量警管,、BAG、抖動,、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大型運輸機和波音787寬體客機中,，成為新一代大型客機高速機載網(wǎng)絡(luò)標準^[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)是基于交換機動態(tài)路由進行數(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)實時情況而動態(tài)進行確定的,，數(shù)據(jù)包在重復傳輸中會由于碰撞而導致延遲，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)的實時性、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)采用虛鏈路進行帶寬預(yù)分配以對網(wǎng)絡(luò)傳輸性能進行優(yōu)化,，引進BAG和Jitter以確保網(wǎng)絡(luò)時延的可測性,；

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

    (4)采用星型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，交換機之間可以進行級聯(lián)以增強網(wǎng)絡(luò)的可擴展性,；

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

1.1 AFDX網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

    AFDX網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)僅采用傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中的星型拓撲,，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,，AFDX網(wǎng)絡(luò)采用雙冗余機制，故形成了如圖2所示的雙冗余星型拓撲結(jié)構(gòu),，其中ES代表端系統(tǒng),，相同位置不同顏色的交換機互為熱備份。

    在標準AFDX網(wǎng)絡(luò)拓撲圖中,，所有鏈路采用熱備份機制,，即所有交換機都有另一個與它數(shù)據(jù)相同（數(shù)據(jù)僅MAC源地址中網(wǎng)絡(luò)號字段不同），每個終端系統(tǒng)與兩臺互為熱備份的交換機相連,，構(gòu)成雙冗余網(wǎng)絡(luò),，交換機之間通過級聯(lián)以擴展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。由此可以避免由于鏈路或者交換機故障所導致的網(wǎng)絡(luò)癱瘓,，同時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，通過交換機的警管,、過濾機制和端系統(tǒng)的定時發(fā)送機制避免數(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,。

    AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作原理如圖4所示的實線框內(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)幀到達交換機的端口。

    (3)交換機收到數(shù)據(jù)幀后按照用戶提前配置好的數(shù)據(jù)傳輸路徑進行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā),，在交換機的內(nèi)部,，數(shù)據(jù)幀需要經(jīng)過過濾、警管,、調(diào)度,、交換等各個關(guān)卡，在通過了各個關(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)幀進行協(xié)議解析處理，將傳輸時加上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)的各個子系統(tǒng),。子系統(tǒng)經(jīng)過各種對應(yīng)（如解密,、運算）的處理后，回饋信息給飛行員,，完成一次操作,。

1.3 AFDX網(wǎng)絡(luò)特點與優(yōu)點

    AFDX網(wǎng)絡(luò)是基于商業(yè)以太網(wǎng)的以交換機為核心的實時網(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、實時性和安全性方面的需求,，ARINC公司負責制定了ARINC 664航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標準,。憑借虛鏈路技術(shù)和雙冗余管理實現(xiàn)了航空電子應(yīng)用需求，同時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)標準,。

    AFDX網(wǎng)絡(luò)特點主要有：基于以太網(wǎng)基礎(chǔ)；利用COTS技術(shù),，使用開放式的系統(tǒng),；星型拓撲網(wǎng)絡(luò)；余度容錯網(wǎng)絡(luò),；可靠性網(wǎng)絡(luò),；高實時性網(wǎng)絡(luò),；高傳輸速率網(wǎng)絡(luò)；確定性網(wǎng)絡(luò),；可維護性網(wǎng)絡(luò),；提供區(qū)分數(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)點有：便于航空子系統(tǒng)的擴展和維護,；提高航空計算網(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)的實時性要求,；布線簡單，采用星型拓撲而非點對點結(jié)構(gòu),；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大,，通過交換機的級聯(lián)可增加多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；全雙工模式,，帶寬可達100 MHz,，為429總線的1 000倍；安全性高,，采用雙冗余機制確保消息可靠到達,；可靠性高，使用靜態(tài)配置轉(zhuǎn)發(fā)表,、流量整形和實時調(diào)度機制來保證數(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)是當前國際上先進大中型飛機的主干網(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,、驗證解決方案,，AIM、TechSAT等公司均提供高性能的端系統(tǒng),、交換機和網(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)已開始在部分飛機上驗證、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)點監(jiān)控設(shè)備,、TAP分析設(shè)備、便攜式維護管理終端,，完成AFDX網(wǎng)絡(luò)綜合實驗,，并通過了原理試驗、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,、機上地面等試驗,，驗證充分。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,，暫時還沒有全面的,、精確度較高的交換機和網(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)可以實現(xiàn)完全自主保障。

3 AFDX網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

    機載的發(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、強實時,、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)域研究的重點課題,，時間觸發(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,、強實時以太網(wǎng)，物理層完全兼容標準以太網(wǎng)IEEE802.3,，支持雙冗余,，同時可以提供微秒級的時鐘同步,，通信速率可達1 Gb/s。現(xiàn)已被確定為波音B787,、空中客車 A380等其他先進飛機的航空電子系統(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)接入的獨立性和完整性,，降低當前網(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間同步能力,，使其成為一種非常有潛力的未來工業(yè)和機載網(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、高實時和高可靠傳輸,。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)的拓撲結(jié)構(gòu)、工作原理以及網(wǎng)絡(luò)特性,，對AFDX網(wǎng)絡(luò)進行了研究,，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)計具有重要的參考價值,。

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