0 引言

    機載總線網(wǎng)絡技術發(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)結構的進化,。AFDX網(wǎng)絡以其高實時,、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，成為目前機載領域較先進的航空電子系統(tǒng)總線網(wǎng)絡^[1-2],。

    AFDX網(wǎng)絡由端系統(tǒng)(End System,，ES)、交換機(Switch),、鏈路(Link)組成,，采用雙冗余星型拓撲結構，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)絡的通信基礎，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發(fā)^[4],；端系統(tǒng)提供航空電子設備與AFDX網(wǎng)絡之間的“接口”，該“接口”向航空電子設備提供“應用程序接口”,，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構的發(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為星型結構，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)絡完全符合ARINC664 Part7協(xié)議，采用的星型拓撲結構使得設備之間的互聯(lián)更加方便，提高了網(wǎng)絡的可擴展性,。同時AFDX網(wǎng)絡的虛擬鏈路,、流量警管、BAG,、抖動,、冗余管理和完整性檢查等核心技術提高了網(wǎng)絡的通信性能，增強了系統(tǒng)的確定性和可靠性,，目前已經廣泛應用于空中客車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)絡標準^[6]。

1 AFDX網(wǎng)絡介紹

    AFDX網(wǎng)絡是從商用以太網(wǎng)的基礎上發(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)絡系統(tǒng)中是不可接受的^[7]。AFDX網(wǎng)絡在商用以太網(wǎng)的基礎上增加了以下特性以適應航空電子系統(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品的優(yōu)勢,；

    (2)采用虛鏈路進行帶寬預分配以對網(wǎng)絡傳輸性能進行優(yōu)化,，引進BAG和Jitter以確保網(wǎng)絡時延的可測性；

    (3)采用預先設定的傳輸路徑進行數(shù)據(jù)的傳輸,；

    (4)采用星型的網(wǎng)絡拓撲結構,，交換機之間可以進行級聯(lián)以增強網(wǎng)絡的可擴展性；

    (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)絡拓撲結構

    AFDX網(wǎng)絡的拓撲結構僅采用傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓撲結構中的星型拓撲，其他結構(如總線型結構,、環(huán)形結構)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構，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,，構成雙冗余網(wǎng)絡，交換機之間通過級聯(lián)以擴展網(wǎng)絡規(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)絡工作原理

    AFDX網(wǎng)絡在航空系統(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)絡系統(tǒng)的工作原理如圖4所示的實線框內部，根據(jù)圖4的傳輸過程,，AFDX網(wǎng)絡系統(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)內容,。

    (2)經過端系統(tǒng)的處理,，加上AFDX網(wǎng)絡特有控制信息，如IP頭部,、UDP頭部,、SN號、CRC校驗等內容,，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)幀的轉發(fā),，在交換機的內部,，數(shù)據(jù)幀需要經過過濾、警管,、調度,、交換等各個關卡，在通過了各個關卡之后,，符合網(wǎng)絡要求的數(shù)據(jù)幀被轉發(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)絡特有控制信息逐一分層拆除，取出真正的數(shù)據(jù)內容,，提交給網(wǎng)絡系統(tǒng)的各個子系統(tǒng),。子系統(tǒng)經過各種對應（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)絡特點與優(yōu)點

    AFDX網(wǎng)絡是基于商業(yè)以太網(wǎng)的以交換機為核心的實時網(wǎng)絡協(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,，結合航空電子應用的特殊環(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)絡標準。憑借虛鏈路技術和雙冗余管理實現(xiàn)了航空電子應用需求,，同時能夠兼顧既有的航電設備,。AFDX網(wǎng)絡已成為新一代航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡標準。

    AFDX網(wǎng)絡特點主要有：基于以太網(wǎng)基礎,；利用COTS技術,，使用開放式的系統(tǒng)；星型拓撲網(wǎng)絡,；余度容錯網(wǎng)絡,；可靠性網(wǎng)絡；高實時性網(wǎng)絡,；高傳輸速率網(wǎng)絡,；確定性網(wǎng)絡；可維護性網(wǎng)絡,；提供區(qū)分數(shù)據(jù)類型的服務,；采用航空電子專用的通信協(xié)議^[7]。

    AFDX網(wǎng)絡優(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構；網(wǎng)絡規(guī)模大,，通過交換機的級聯(lián)可增加多個網(wǎng)絡設備,；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)配置轉發(fā)表,、流量整形和實時調度機制來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。

2 AFDX網(wǎng)絡發(fā)展現(xiàn)狀

    AFDX網(wǎng)絡是當前國際上先進大中型飛機的主干網(wǎng)絡之一,，具有很好的發(fā)展前景,，尤其是其采用COTS技術，使得成本相對FC,、1394等具有很大優(yōu)勢,。國外對AFDX的應用已經非常成熟，形成完整的應用,、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)絡測試平臺和仿真設備，為AFDX網(wǎng)絡的系統(tǒng)測試,、可靠性分析提供有力支持,。

    國內AFDX網(wǎng)絡的應用也逐漸增多， AFDX網(wǎng)絡已開始在部分飛機上驗證,、應用,，測試設備也逐漸完善，目前已自主研發(fā)出網(wǎng)絡節(jié)點監(jiān)控設備,、TAP分析設備,、便攜式維護管理終端，完成AFDX網(wǎng)絡綜合實驗,，并通過了原理試驗,、協(xié)議符合性測試、電氣特性測試,、網(wǎng)絡應用測試,、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AFDX網(wǎng)絡應用正處于初期階段,，應用規(guī)模不大,，測試設備的發(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)絡測試平臺,。隨著AFDX網(wǎng)絡應用日趨成熟，測試設備的研發(fā)步入正軌,，可以預見未來國內AFDX網(wǎng)絡可以實現(xiàn)完全自主保障,。

3 AFDX網(wǎng)絡發(fā)展趨勢

    機載的發(fā)展如同商業(yè)和工業(yè)網(wǎng)絡發(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)絡解決方案,，自然成為各領域研究的重點課題，時間觸發(fā)協(xié)議(Time Trigger Protocol,，TTP)由TTTech公司提出,，經過十多年的研究和實踐，其在商業(yè)領域的應用已經非常成熟,，其采用分布式系統(tǒng)結構,，提高了數(shù)據(jù)通信的時間確定性。TTP自身已經證明了其適用于綜合模塊化航空電子體系結構,。

    時間觸發(fā)以太網(wǎng)（Time Trigger Ethernet,，TTE）是TTTech公司針對航空/航天領域等特殊應用而研發(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?，F(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)絡向下兼容AFDX網(wǎng)絡,，提供的流量區(qū)分服務可以保證AFDX網(wǎng)絡接入的獨立性和完整性，降低當前網(wǎng)絡設備的升級成本,。與AFDX網(wǎng)絡相比,，TTE具有更快的速度、更遠的傳輸距離,、更低的網(wǎng)絡延遲以及更靈活的通信管理方案,，而且TTE網(wǎng)絡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)絡解決方案,。

4 結束語

    AFDX網(wǎng)絡是目前較為先進的航空電子網(wǎng)絡技術之一,，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)絡的發(fā)展背景的基礎上，通過分析AFDX網(wǎng)絡的拓撲結構,、工作原理以及網(wǎng)絡特性,，對AFDX網(wǎng)絡進行了研究，對后續(xù)AFDX網(wǎng)絡協(xié)議研究,、芯片研制,、應用解決方案以及AFDX網(wǎng)絡的系統(tǒng)設計具有重要的參考價值。

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