文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.005
中文引用格式: 索高華,劉紅紅,王治,等. AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)設(shè)計與研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(4):18-21.
英文引用格式: Suo Gaohua,Liu Honghong,Wang Zhi,et al. Design and research of AFDX network simulation system[J].Application of Electronic Technique,2016,42(4):18-21.
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(fù)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(luò)[1],已成為新型航空總線技術(shù)的首選。
基于AFDX網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)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(diào)試及使用維護的各個階段,采用AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)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(yīng)用解決方案的基礎(chǔ)上,突破系列關(guān)鍵技術(shù),提出了一種AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的設(shè)計方案,詳細說明了AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計、組成部分及配套應(yīng)用部分,建立了配置、加載、監(jiān)控、管理等完整的網(wǎng)絡(luò)拓撲,形成系列的應(yīng)用解決方案。下面將對AFDX網(wǎng)絡(luò)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(luò)進行仿真測試,通過設(shè)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(shè)備搭建的AFDX網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)可以對AFDX網(wǎng)絡(luò)相關(guān)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(nèi)容如表1所示。
2 系統(tǒng)設(shè)計
AFDX仿真系統(tǒng)充分展示了AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓撲組成、網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)加載、網(wǎng)絡(luò)管理及網(wǎng)絡(luò)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(luò)系統(tǒng)的各部分功能進行詳細介紹。
2.1 網(wǎng)絡(luò)搭建
本文提出的AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)在對ARINC664 Part7協(xié)議理解的基礎(chǔ)上,充分考慮AFDX網(wǎng)絡(luò)的負載、性能、功能等技術(shù)指標,進行AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的原型設(shè)計,系統(tǒng)采用星型拓撲結(jié)構(gòu),典型的AFDX網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),如圖1所示;(2)通過AFDX網(wǎng)絡(luò)配置工具規(guī)劃整個網(wǎng)絡(luò)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(luò)的各個設(shè)備中,各設(shè)備按照配置表進行工作;(4)通過網(wǎng)絡(luò)管理工具對整個網(wǎng)絡(luò)進行管理,實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài);(5)可通過AFDX網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控卡和AFDX數(shù)據(jù)分析儀對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、分析、測試,完成整個網(wǎng)絡(luò)的運行。
AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)應(yīng)用中各個設(shè)備的主要特點及功能如表2所示。
2.2 網(wǎng)絡(luò)配置
AFDX網(wǎng)絡(luò)是一種確定性網(wǎng)絡(luò),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(luò)初始化時就已經(jīng)固定[3]。在AFDX網(wǎng)絡(luò)中,使用配置表來描述AFDX網(wǎng)絡(luò)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(nèi)容,但是給出了端系統(tǒng)各層接口的映射方式,這樣構(gòu)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(luò)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(shè)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(luò)配置表生成的工具——AFDX網(wǎng)絡(luò)配置工具。利用圖形化界面的AFDX網(wǎng)絡(luò)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(luò)配置表。AFDX配置工具的功能模塊如圖2所示。
2.3 網(wǎng)絡(luò)加載
網(wǎng)絡(luò)初始化時,需要通過數(shù)據(jù)加載器將AFDX網(wǎng)絡(luò)配置工具生成的配置表文件分發(fā)到各終端。在網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shè)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(shè)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(shè)備,在Windows平臺基于AFDX網(wǎng)絡(luò)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(diào)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(zhì)定義下載操作。
2.4 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控是通過監(jiān)控設(shè)備對AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控,網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)交換機包含捕獲端口,網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)都要經(jīng)由交換機進行路由轉(zhuǎn)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(shè)計方案采用的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(luò)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(shè)備,在不影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)正常轉(zhuǎn)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(luò)管理
在AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)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(luò)。SNMP網(wǎng)絡(luò)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(luò)仿真系統(tǒng)應(yīng)用圖1所示,SNMP網(wǎng)絡(luò)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(luò)管理器通過SNMP協(xié)議規(guī)定的6種操作隨時或者設(shè)定周期來監(jiān)控航空子系統(tǒng)和交換機。
所有向被管理設(shè)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(yīng)的被查詢對象的OID值,訪問相關(guān)的MIB信息庫,最后組包向管理端返回get響應(yīng)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(shè)置門限值,如復(fù)位交換機或者端系統(tǒng)、改變交換端口的幀轉(zhuǎn)發(fā)速率等。
3 系統(tǒng)驗證
AFDX網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用驗證,驗證結(jié)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(jié)
結(jié)合不同型號、不同應(yīng)用系統(tǒng)及地面測試設(shè)備等對AFDX網(wǎng)絡(luò)研制的技術(shù)需求,本文提出了一種AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的設(shè)計方案,介紹了AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的功能,詳細說明了網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)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(luò)仿真系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)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(quán),實現(xiàn)了我國大飛機AFDX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shè)計到系統(tǒng)綜合驗證等完整的AFDX網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)體系和產(chǎn)品體系打下了堅實的基礎(chǔ)。
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