何向棟，張志平，賈世偉

　　(中國航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

       摘要：新一代航電網(wǎng)絡(luò)——航空電子全雙工交換以太網(wǎng)(AFDX)，是為航電信息系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)通信而專門制定的協(xié)議標準，具有時間確定性、雙余度和高可靠性等優(yōu)點。在分析ARINC 664 Part7規(guī)范、通信結(jié)構(gòu)和SN等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合SAE AS6802［2］協(xié)議算法，提出一種保持多節(jié)點發(fā)送時序一致的AFDX幀結(jié)構(gòu)。采用OPNET網(wǎng)絡(luò)拓撲仿真實現(xiàn)，結(jié)果滿足幀數(shù)據(jù)時序一致性要求。

　　關(guān)鍵詞：幀結(jié)構(gòu)；AFDX網(wǎng)絡(luò)；OPNET仿真；序列號

0引言

　　隨著機載飛行條件的復(fù)雜化和對安全飛行、舒適旅行等要求的提高，新一代航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸已由傳統(tǒng)的音頻通信擴大為圖像、多媒體、確定性控制信號等多種數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)。航空電子全雙工交換以太網(wǎng)(AFDX)［1］基于IEEE 802.3標準，結(jié)合航空電子系統(tǒng)特殊需求對該協(xié)議的部分MAC和數(shù)據(jù)鏈路層進行適應(yīng)性修改，使其成為具備有確定性和安全性的交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，形成航空以太網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標準：ARINC 664，其中第7部分重點對AFDX網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、交換機和端系統(tǒng)等各項內(nèi)容進行詳述，已成功應(yīng)用到波音787、空客A380和A400M等大型飛機的航電系統(tǒng)中，并將應(yīng)用于未來國產(chǎn)大飛機C919上。

　　相比ARINC429和MILSTD1553而言，AFDX網(wǎng)絡(luò)保留了傳統(tǒng)以太網(wǎng)高速、通用以及低成本等特點，同時增加了虛擬鏈路、帶寬分配、完整性監(jiān)測、警管［2］和冗余管理等特殊機制，兼容ARINC應(yīng)用協(xié)議SNMP和ARINC615A加卸載等協(xié)議優(yōu)點，確保數(shù)據(jù)傳輸滿足延遲確定、傳輸可靠、容錯能力強等機載網(wǎng)絡(luò)特點，已成為新一代航電系統(tǒng)總線接口關(guān)鍵技術(shù)之一。

1AFDX幀序列號作用與意義

　　AFDX發(fā)送節(jié)點在每一條虛擬鏈路(Virtual Link,VL)傳送幀數(shù)據(jù)時都要加入一個序列號(Sequence Number,SN)。幀SN的長度為1 B，取值范圍為0~255。SN的初始值為0，節(jié)點復(fù)位之后也為0。在同一條虛擬鏈路上傳輸?shù)那昂笙嗬^的幀，后一幀的SN為SN+1。當(dāng)幀的SN達到255之后，下一幀的SN回卷至1。

　　1.1冗余管理［3］

　　AFDX網(wǎng)絡(luò)包括兩個獨立的物理鏈路通道：A網(wǎng)絡(luò)和B網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

　　A、B冗余網(wǎng)絡(luò)的延時抖動不同，因此冗余幀與有效幀到達接收節(jié)點的時間也不同。每條物理鏈路傳輸相同的幀數(shù)據(jù)，在接收節(jié)點針對每條虛擬鏈路按照SN依據(jù)“先到先有效者勝出”的原則采用先到達的數(shù)據(jù)幀，并將此虛擬鏈路SN保存為PSN(Previous Sequence Number)作為下一次接收幀的判斷標準，后到達的同一SN的幀數(shù)據(jù)被當(dāng)作無效幀而丟棄。另一方面，為了避免因為延遲而錯誤濾除有效數(shù)據(jù)幀，引入?yún)?shù)Skewmax［4］。Skewmax表示冗余幀與有效幀的到達接收節(jié)點的時間差。冗余管理保證接收的幀序號不斷增大(包括復(fù)位和幀丟失)，當(dāng)Skewmax內(nèi)沒有數(shù)據(jù)幀時，冗余管理會無條件接收下一幀數(shù)據(jù)。

　　1.2完整性檢查

　　在沒有故障的AFDX網(wǎng)絡(luò)通信中，完整性檢查根據(jù)SN檢測接收幀數(shù)據(jù)SN是否滿足如下規(guī)則：

　?。跴SN“+”1,PSN“+”2］；

　　其中PSN表示前一幀數(shù)據(jù)的SN。如果基于SN的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障(如發(fā)送節(jié)點出現(xiàn)不一致故障)，則完整性檢查具有去除無效幀的任務(wù)，并將故障信息傳遞給上層網(wǎng)絡(luò)管理。

　　完整性檢查將以下特殊情況下的幀數(shù)據(jù)作為有效幀接收：（1)接收的SN等于0；（2)在接收節(jié)點復(fù)位之后，第一次被接收到的幀數(shù)據(jù)。

　　1.3安全關(guān)鍵缺失

　　在機載航電網(wǎng)絡(luò)中,對于需高安全可靠地進行傳輸?shù)臄?shù)據(jù),有嚴格的序列收發(fā)關(guān)系，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)無法對單鏈路幀數(shù)據(jù)的先后提供保證，而SN不僅可以在網(wǎng)絡(luò)冗余管理和完整性檢查起到重要作用，而且可以在OSI層次中的數(shù)據(jù)鏈路層對單條虛擬鏈路上的幀提供數(shù)據(jù)序列的安全性保證。

　　可見，SN在單條虛擬鏈路的幀通信中，可以保證數(shù)據(jù)的確定性和可靠性，然而系統(tǒng)要求多節(jié)點VL幀通信中的時序一致時，當(dāng)飛機在高空巡航過程中，一旦發(fā)生機翼多點故障，其故障發(fā)生時間與控制單元收到錯誤次序控制將導(dǎo)致緊急處理情況的不同，那么飛控將給出錯誤的飛行控制，導(dǎo)致機毀人亡的事故。

　　然而，SN并不能滿足節(jié)點間幀通信的時序一致性。為了保證節(jié)點間事件時序發(fā)生的一致性，下面將改進AFDX幀結(jié)構(gòu)，并對授時和時序一致性算法進行詳述。

2幀改進

　　為了保持多個節(jié)點間事件發(fā)生時序與事實的一致性,通過在幀數(shù)據(jù)內(nèi)容中增加透明時鐘域［5-7］，記錄傳輸過程中的發(fā)送延遲、傳輸延遲和接收延遲，實現(xiàn)傳輸透明化。在接收端通過對各個節(jié)點到達的幀數(shù)據(jù)通過最大傳輸延時與透明傳輸延時的排序算法計算，對同一時間段內(nèi)的幀數(shù)據(jù)進行重新排序整合，達到多節(jié)點間幀數(shù)據(jù)傳輸時序一致性要求。

　　AFDX改進幀結(jié)構(gòu)其特征在于，通過在幀的數(shù)據(jù)字段尾部預(yù)留8 B的透明時鐘字段，如圖2所示，字段明確定義時間單位2-16ns，記錄幀在傳輸過程中的發(fā)送延時、傳輸延遲和接收延遲。在目標節(jié)點，通過時序保持算法保證各個發(fā)送節(jié)點在目標節(jié)點上發(fā)送時間上幀序列的一致性。

　　透明時鐘域（用transparent_clock表示）計算幀數(shù)據(jù)從發(fā)送節(jié)點經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備最后到接收節(jié)點的時延，具體計算方法如下。

　　節(jié)點按幀數(shù)據(jù)流過的次序標號為從0（發(fā)送節(jié)點）到n（接收節(jié)點）。

　　發(fā)送節(jié)點0：

　　transparent_clock0=dynamic_send_delay0+static_send_delay0(1)

　　轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點i，0<i<n：

　　transparent_clocki=transparent_clocki-1+dynamic_relay_delayi+static_relay_delayi+wire_delayi(2)

　　接收節(jié)點n：

　　transparent_clockn=transparent_clockn-1+dynamic_receive_delayn+static_receive_delayn+wire_delayn(3)

　　公式(1)、(2)和(3)中：dynamic_send_delay代表動態(tài)發(fā)送延時，如節(jié)點排隊等原因造成；static_send_delay代表靜態(tài)發(fā)送延時，如收發(fā)器等固有特性造成；dynamic_relay_delay代表動態(tài)傳輸延遲，如排隊等候等原因造成；static_relay_delay代表靜態(tài)傳輸延遲，如轉(zhuǎn)發(fā)拷貝等原因造成；wire_delay代表線纜傳輸延遲，其計算方式參閱IEEE 1588精確時間協(xié)議(Precision Time Protocol)標準［78］的對等延遲算法；dynamic_receive_delay代表動態(tài)接收延遲，如接收排隊等原因造成；static_receive_delay代表靜態(tài)接收延遲，如收發(fā)器等固有特性造成。

　　2.1精確授時

　　AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)的幀數(shù)據(jù)輸出與一條確定虛擬鏈路相關(guān)聯(lián)的流量控制參數(shù)描述：帶寬分配間隔(Bandwidth Allocation Gap，BAG)和抖動(Jitter)，其中BAG流量整形滿足BAG=2kms(k=0,1,2,…,7)，Jitter最大不超過500 μs。為了滿足AFDX網(wǎng)絡(luò)收發(fā)節(jié)點在流量整形的BAG和Jitter范圍之內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)需要時間同步。

　　AFDX網(wǎng)絡(luò)通過RTC(Real Time Counter)幀(幀有效載荷主要包括：64 bit表示的時間同步信息，精度為40 ns)，采用主時鐘授權(quán)方式以達到全網(wǎng)同步目的，如圖3所示。

　　發(fā)送節(jié)點ES8發(fā)出RTC幀時，攜帶其本地時間進入AFDX網(wǎng)絡(luò)，處于網(wǎng)絡(luò)中不同位置的接收節(jié)點ESx因網(wǎng)絡(luò)收發(fā)延時、傳輸延時、線延時等原因?qū)е陆邮誖TC幀的時刻不一致，需采用延時補償來完成授時修正。

在AFDX改進幀的格式中，通過transparent_clock參數(shù)域可完整記錄傳輸過程中的延時，在接收節(jié)點，將RTC中的時刻信息與transparent_clock參數(shù)域相加即可得到精確的時刻，完成時間同步，如ES1的從時鐘Trs1時間同步計算方法如下(其中TD表示時間延時)：

　　Tr1=Tm+transparent_clockRTC=Tm+TDdynamic_send_delayES8+TDstatic_send_delayES8+TDwire_delayES8-SW1+TDdynamic_relay_delaySW1+TDstatic_relay_delaySW1+TDwire_delaySW1-ES1+TDdynamic_receive_delayES1+TDstatic_receive_delayES1(4)

　　其他被授時節(jié)點計算結(jié)果如式(4)所示，只是transparent_clockRTC參數(shù)域內(nèi)容是在RTC幀傳輸過程中動態(tài)記錄的。

　　AFDX幀改進后的RTC授時可精確至μm級時間同步，大大提高了AFDX的BAG流量規(guī)整確定性，進一步降低因節(jié)點時鐘差異而導(dǎo)致的Jitter抖動問題。

　　2.2時序一致性

　　帶有透明時鐘域的AFDX幀數(shù)據(jù)在BAG相同并且Jitter=0時，同一時刻從不同發(fā)送節(jié)點發(fā)出，經(jīng)不同的拓撲路徑到達同一個接收節(jié)點。同樣，幀數(shù)據(jù)中的transparent_clock參數(shù)域?qū)崟r將發(fā)送、傳輸及接收過程中的各個延時進行累計。在接收節(jié)點，通過配置一個事先計算得出的全網(wǎng)最大傳輸延遲參數(shù)(用max_transimssion_delay表示)，由網(wǎng)絡(luò)中的最大透明傳輸延遲決定，具體計算方法如式(5)所示。

　　max_transimssion_delay=max(transparent_clockn)(5)

　　時序一致性算法為了重新建立發(fā)送節(jié)點間的派發(fā)時序，在接收節(jié)點上計算時序保持時間點，具體做法為：在幀數(shù)據(jù)被接收節(jié)點接收之后，再延時一段等同于時序保持延時的時間(用permanence_delay表示，見式(6))之后的時刻，即為對應(yīng)幀數(shù)據(jù)的時序保持時間點(用permanence_

　　pit表示)，具體計算方法如下：

　　permanence_delay=max_transmission_delay－transparent_clockn(6)

　　繼而

　　permanence_pit=receive_pit+hold_delay(7)

　　公式(6)中的receive_pit代表幀數(shù)據(jù)在接收節(jié)點的實際接收時間點。依據(jù)公式(7)中的時序保持時間點permanence_pit依次排列，即為AFDX幀數(shù)據(jù)的實際發(fā)送次序。

　　針對該算法結(jié)合圖4進行示例描述。圖4左側(cè)為某網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)，包括6塊端系統(tǒng)和3臺交換機。圖中描述了AFDX幀601和602的派發(fā)次序與交換機203上的接收次序不同，但通過時序保持功能計算，展示了如何在接收端重建時間次序。圖中從左到右描述了實時的過程。

　　t=0：端系統(tǒng)ES101派發(fā)幀601(transparent_clock幀601=0)；

　　t=7：幀601發(fā)送進入物理鏈路(transparent_clock幀601=7)；

　　t=10：幀601進入交換機SW201(transparent_clock幀601=10)；

　　t=20：端系統(tǒng)ES104派發(fā)幀602(transparent_clock幀602=0)；

　　t=32：幀602發(fā)送進入物理鏈路(transparent_clock幀602=12)；

　　t=40：幀602進入交換機SW203(transparent_clock幀602=20)；

　　t=50：交換機SW201轉(zhuǎn)發(fā)出幀601進入物理鏈路(transparent_clock幀601=50)；

　　t=53：幀601進入交換機SW202(transparent_clock幀601=53)；

　　t=75：交換機SW202轉(zhuǎn)發(fā)出幀601進入物理鏈路(transparent_clock幀601=75)；

　　t=78：幀601進入交換機SW203(transparent_clock幀601=78)；

　　t=100：幀601在交換機SW203內(nèi)部經(jīng)過permanence_delay幀601=max_transmission_delay－transparent_clock幀601=100-78=22時延之后，到達時序保持點；

　　t=120：幀602在交換機SW203內(nèi)部經(jīng)過permanence_delay幀602=max_transmission_delay－transparent_clock幀602=100-20=80時延之后，到達時序保持點。

　　圖4的時序顯示，在交換機SW203上AFDX幀602的接收比幀601要早很多。為了重建交換機203上AFDX幀601和602的時間派發(fā)次序，在它們被接收且延時一段等同于時序保持延時的時間permanence_delay之后，保證了重建的發(fā)送次序的精確性。

3OPNET實現(xiàn)與仿真

　　針對圖4左側(cè)網(wǎng)絡(luò)拓撲，在OPNET Modeler 14.5上建立OPNET模型，對應(yīng)表1進行數(shù)據(jù)仿真與測試。圖5為OPNET仿真結(jié)果，其中圖5（a）顯示了優(yōu)化幀結(jié)構(gòu)后的時間同步仿真結(jié)果，圖5（b）為幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的次序情況。測試結(jié)果證明，幀改進合理，時序算法計算正確。表1仿真測試項目序號測試目的測試結(jié)果1RTC幀同步各個節(jié)點同步精度在μs級2時序算法透明時鐘延時和時序保持計算正確3幀次序一致性在多個端系統(tǒng)發(fā)送時序不一致情況下，

　　均可正確仿真出準確次序4數(shù)據(jù)通信添加透明時鐘域的AFDX幀在大數(shù)據(jù)傳輸時，

　　增加組包和拆包數(shù)量

4結(jié)論

　　通過在AFDX幀中增加透明時鐘域，實現(xiàn)記錄傳輸過程延時的方式，不僅保證了整個AFDX網(wǎng)絡(luò)的高精度時間授時(μs級)，而且拓展了其在高安全關(guān)鍵領(lǐng)域的控制應(yīng)用。算法實現(xiàn)過程均在數(shù)據(jù)鏈路層，對上層透明化，兼容現(xiàn)有軟件協(xié)議應(yīng)用程序，方便升級，提高了性能。

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