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(lái)的Kb/s發(fā)展到Mb/s乃至Gb/s，為航電系統(tǒng)的升級(jí)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(duì)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(guò)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(guò)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(lái)減少總線競(jìng)爭(zhēng)，通過(guò)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(lái)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]。

    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(lái)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^(guò)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(huì)由于碰撞而導(dǎo)致延遲，故其存在數(shù)據(jù)延遲不可測(cè)、數(shù)據(jù)信息丟失的現(xiàn)象，而這種情況在對(duì)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(shì)；

    (2)采用虛鏈路進(jìn)行帶寬預(yù)分配以對(duì)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(cè)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(jí)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。

    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(hào)字段不同），每個(gè)終端系統(tǒng)與兩臺(tái)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(guò)級(jí)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(guò)交換機(jī)的警管、過(guò)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(duì)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(guò)靜態(tài)配置保證系統(tǒng)傳輸?shù)拇_定性；通過(guò)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(shí)線框內(nèi)部，根據(jù)圖4的傳輸過(guò)程，AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作原理可以分為以下過(guò)程：

    (1)當(dāng)指令從飛行員發(fā)起并經(jīng)過(guò)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(guò)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(hào)、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(guò)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(guò)過(guò)濾、警管、調(diào)度、交換等各個(gè)關(guān)卡，在通過(guò)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(lái)，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(lái)的幀后，首先判斷幀的正確性和完整性，然后對(duì)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(guò)各種對(duì)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。

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(duì)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(kāi)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(jiǎn)單，采用星型拓?fù)涠屈c(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，通過(guò)交換機(jī)的級(jí)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(lái)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(guó)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(duì)FC、1394等具有很大優(yōu)勢(shì)。國(guó)外對(duì)AFDX的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，形成完整的應(yīng)用、測(cè)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(cè)試平臺(tái)和仿真設(shè)備，為AFDX網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)測(cè)試、可靠性分析提供有力支持。

    國(guó)內(nèi)AFDX網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也逐漸增多， AFDX網(wǎng)絡(luò)已開(kāi)始在部分飛機(jī)上驗(yàn)證、應(yīng)用，測(cè)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(guò)了原理試驗(yàn)、協(xié)議符合性測(cè)試、電氣特性測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用測(cè)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(guó)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(cè)試設(shè)備的發(fā)展比較滯后，相比國(guó)外還有一定差距，暫時(shí)還沒(méi)有全面的、精確度較高的交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)。隨著AFDX網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日趨成熟，測(cè)試設(shè)備的研發(fā)步入正軌，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)國(guó)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(shì)

    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(guò)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(duì)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(jí)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(jí)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(lái)工業(yè)和機(jī)載網(wǎng)絡(luò)解決方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

    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(duì)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(guò)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(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，對(duì)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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