0 引言

    隨著高性能飛機的快速發(fā)展和空域環(huán)境的日益復雜,飛機對航空電子系統(tǒng)的要求越來越多,航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(AFDX)作為一種實時性、可靠性、確定性的全雙工交換式網(wǎng)絡^[1]，已成為新型航空總線技術的首選。

    基于AFDX網(wǎng)絡的廣泛應用，在航空電子系統(tǒng)的產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、交付驗收、裝機調試及使用維護的各個階段，采用AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)對網(wǎng)絡中的關鍵設備進行功能、性能檢測，是航空電子系統(tǒng)通信正常、工作可靠的重要保證^[2]。

    本文是在協(xié)議分析、標準研究、需求理解、芯片研制及應用解決方案的基礎上，突破系列關鍵技術，提出了一種AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的設計方案，詳細說明了AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的架構設計、組成部分及配套應用部分，建立了配置、加載、監(jiān)控、管理等完整的網(wǎng)絡拓撲，形成系列的應用解決方案。下面將對AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)進行詳細說明。

1 系統(tǒng)功能

    AFDX地面仿真系統(tǒng)用于在地面環(huán)境下對AFDX網(wǎng)絡進行仿真測試，通過設計驗證環(huán)境用例對AFDX系統(tǒng)傳輸特性進行分析。由AFDX仿真測試設備搭建的AFDX網(wǎng)絡測試系統(tǒng)可以對AFDX網(wǎng)絡相關產(chǎn)品進行測試，主要包括系統(tǒng)功能測試、系統(tǒng)可靠性測試以及系統(tǒng)性能測試。測試的方法及主要內容如表1所示。

2 系統(tǒng)設計

    AFDX仿真系統(tǒng)充分展示了AFDX網(wǎng)絡系統(tǒng)的拓撲組成、網(wǎng)絡配置、數(shù)據(jù)加載、網(wǎng)絡管理及網(wǎng)絡監(jiān)控等核心功能，是典型的AFDX系統(tǒng)模型，下面將對網(wǎng)絡系統(tǒng)的各部分功能進行詳細介紹。

2.1 網(wǎng)絡搭建

    本文提出的AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)在對ARINC664 Part7協(xié)議理解的基礎上，充分考慮AFDX網(wǎng)絡的負載、性能、功能等技術指標，進行AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的原型設計，系統(tǒng)采用星型拓撲結構，典型的AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)由2臺交換機、4個嵌入式端系統(tǒng)、2個PC端系統(tǒng)、1個監(jiān)控卡、1個TAP卡和1個仿真測試卡組成，如圖1所示。

    仿真系統(tǒng)的搭建操作步驟如下：(1)根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結構構建網(wǎng)絡系統(tǒng)，如圖1所示；(2)通過AFDX網(wǎng)絡配置工具規(guī)劃整個網(wǎng)絡配置，形成各組成部分的配置表；(3)通過ARINC615A數(shù)據(jù)加卸載工具將配置表加載到網(wǎng)絡的各個設備中，各設備按照配置表進行工作；(4)通過網(wǎng)絡管理工具對整個網(wǎng)絡進行管理，實時監(jiān)控網(wǎng)絡運行狀態(tài)；(5)可通過AFDX網(wǎng)絡監(jiān)控卡和AFDX數(shù)據(jù)分析儀對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、分析、測試，完成整個網(wǎng)絡的運行。

    AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)應用中各個設備的主要特點及功能如表2所示。

2.2 網(wǎng)絡配置

    AFDX網(wǎng)絡是一種確定性網(wǎng)絡，要求端到端的時延是固定可測的，這就要求數(shù)據(jù)的傳輸路徑在網(wǎng)絡初始化時就已經(jīng)固定^[3]。在AFDX網(wǎng)絡中，使用配置表來描述AFDX網(wǎng)絡中的確定性路徑和信息。

    ARINC664 標準沒有給出端系統(tǒng)配置文件的具體內容，但是給出了端系統(tǒng)各層接口的映射方式，這樣構成了消息每個幀中層對層對等通信的標識方式：UDP源端口+IP源地址+MAC目的地址(VL標識)+IP目的地址+UDP目的端口。這5個標識部分稱為一個“五元組”，一個五元組標識了一條VL的尋址路徑^[3]。配置表在網(wǎng)絡正常運行前需要加載或固化在各個終端系統(tǒng)或者交換機中，由各終端系統(tǒng)和交換機按照約定好的格式對配置表進行解析，并按照解析出的配置對自身進行初始化配置、端口、虛擬鏈路設定，然后進入正常工作模式。

    由于配置表文件操縱比較繁瑣，簡單的人工配置方式通常費時費力，而其格式相對固定，故產(chǎn)生了專用于網(wǎng)絡配置表生成的工具——AFDX網(wǎng)絡配置工具。利用圖形化界面的AFDX網(wǎng)絡配置工具，用戶只需要填寫簡單的對話框，即可生成符合特定格式的網(wǎng)絡配置表。AFDX配置工具的功能模塊如圖2所示。

2.3 網(wǎng)絡加載

    網(wǎng)絡初始化時，需要通過數(shù)據(jù)加載器將AFDX網(wǎng)絡配置工具生成的配置表文件分發(fā)到各終端。在網(wǎng)絡運行時，需要將各終端的數(shù)據(jù)下載下來進行分析，對各終端的軟件進行數(shù)據(jù)加載和數(shù)據(jù)卸載操作，以實現(xiàn)定時維護和更新，因此數(shù)據(jù)加卸載是AFDX網(wǎng)絡必須完成的功能。

    為了對航空電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)加載和卸載細節(jié)進行描述以統(tǒng)一接口，使各個廠商都可以生產(chǎn)出兼容的設備，產(chǎn)生了專門針對航空系統(tǒng)的用于規(guī)定數(shù)據(jù)加卸載規(guī)范的ARINC615A協(xié)議^[4-5]。ARINC615A采用以太網(wǎng)中的TFTP協(xié)議作為數(shù)據(jù)進行傳輸時的協(xié)議，并規(guī)定了數(shù)據(jù)加載和卸載時的通信協(xié)議文件和可加載數(shù)據(jù)的包格式。

    如圖3所示，本設計方案中采用的AFDX數(shù)據(jù)加載器是一款兼容ARINC614A協(xié)議的數(shù)據(jù)加載設備，在Windows平臺基于AFDX網(wǎng)絡與以太網(wǎng)總線實現(xiàn)ARINC615A-2與ARINC665-3協(xié)議，實現(xiàn)圖形用戶界面進行配置管理與功能調用。數(shù)據(jù)加載主要實現(xiàn)5種操作：Find操作、信息操作、上傳操作、操作者定義下載和介質定義下載操作。

2.4 網(wǎng)絡監(jiān)控

    網(wǎng)絡監(jiān)控是通過監(jiān)控設備對AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的監(jiān)控對于地面試驗和機上排故非常重要，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)捕獲方法是使用數(shù)據(jù)分路器TAP將某條鏈路上數(shù)據(jù)捕獲到監(jiān)控設備上，這種檢測方法獲得的數(shù)據(jù)能真實地反映鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸情況，同時不影響被監(jiān)控的終端與其他終端。另AFDX網(wǎng)絡交換機包含捕獲端口，網(wǎng)絡中的所有數(shù)據(jù)都要經(jīng)由交換機進行路由轉發(fā)，可同過捕獲口捕獲交換機端口的輸入或者輸出數(shù)據(jù)^[6-7]。

    本設計方案采用的網(wǎng)絡監(jiān)控器包括AFDX數(shù)據(jù)分析儀（TAP卡）和監(jiān)控卡，AFDX數(shù)據(jù)分析儀可以對AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，為用戶提供直觀的界面，以方便有效地觀測網(wǎng)絡中的所有數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。由于AFDX網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路多，而數(shù)據(jù)分析儀中的TAP數(shù)量有限，因此，只能檢測有限的數(shù)據(jù)鏈路。監(jiān)控卡作為數(shù)據(jù)監(jiān)控設備，在不影響網(wǎng)絡數(shù)據(jù)正常轉發(fā)的前提下，可連接交換機的捕獲口，存儲交換機的捕獲數(shù)據(jù)，方便進行分析研究。

2.5 網(wǎng)絡管理

    在AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)中的網(wǎng)絡管理指的是監(jiān)測、控制交換機和端系統(tǒng)的使用情況，以便有效地運行網(wǎng)絡。SNMP網(wǎng)絡管理包括管理端、代理端以及管理端和代理端維護的管理信息庫（MIB）^[8]。

    如AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)應用圖1所示，SNMP網(wǎng)絡管理器運行管理端進程，而被管理對象為4個航空子系統(tǒng)以及兩臺交換機中運行的代理端進程。SNMP網(wǎng)絡管理器通過SNMP協(xié)議規(guī)定的6種操作隨時或者設定周期來監(jiān)控航空子系統(tǒng)和交換機。

    所有向被管理設備發(fā)送的請求命令都是從管理端發(fā)出的，代理端接收到此命令后會解碼出相應的被查詢對象的OID值，訪問相關的MIB信息庫，最后組包向管理端返回get響應消息。如果被管理對象發(fā)生了嚴重的故障后也可以主動向管理端發(fā)送Trap報警信息，便于及時排除故障。同時，管理端還可以利用set請求對某些MIB節(jié)點參數(shù)設置門限值，如復位交換機或者端系統(tǒng)、改變交換端口的幀轉發(fā)速率等。

3 系統(tǒng)驗證

    AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)已通過功能、性能測試、協(xié)議符合性測試、系統(tǒng)應用驗證，驗證結果表明該系統(tǒng)能夠滿足地面仿真測試的功能要求，數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析界面如圖4所示。

4 總結

    結合不同型號、不同應用系統(tǒng)及地面測試設備等對AFDX網(wǎng)絡研制的技術需求，本文提出了一種AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的設計方案，介紹了AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的功能，詳細說明了網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的拓撲結構以及網(wǎng)絡的配置、加載、監(jiān)控、管理等系統(tǒng)組成。

    本文所提出的AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)應用設計方案已經(jīng)成功運用在實際工程中，功能、性能穩(wěn)定可靠，具有自主知識產(chǎn)權，實現(xiàn)了我國大飛機AFDX網(wǎng)絡技術的自主保障、自主發(fā)展，為形成從協(xié)議標準、產(chǎn)品開發(fā)、系統(tǒng)設計到系統(tǒng)綜合驗證等完整的AFDX網(wǎng)絡總線技術體系和產(chǎn)品體系打下了堅實的基礎。

參考文獻

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