基于AFDX的航空计算机网络

基于AFDX的航空计算机网络应用研究 摘要：针对大型客机飞行关键项目和乘客娱乐等设施的复杂航空电子系统的不断增加，需要大量增加飞机上的航空总线的带宽、提高服务质量等问题，介绍了一种采用航空电子全双工通信以太网交换（AFDX）的解决方案。该方案是基于商业以太网标准，采用目前已被广泛接受的IEEE802.3/IP/UDP协议，并增加了特殊的功能来保证带宽和服务质量，实现了低成本的快速开发。该方案还可以简化布线，减轻飞机重量，易于航空电子子系统的维护升级等。关键词：航空总线，全双工通讯以太网交换，带宽，服务质量0引言：随着飞行关键项目和乘客娱乐等设施的复杂航空电子系统的不断增加，需要大量增加飞机上的数据总线的带宽，传统的航空总线如ARINC429等传输带宽只有100KHZ,远远不能满足要求，而ARINC629因价格昂贵，使飞机制造商的难以接受；因此需要以最小的代价和实现成本进行快速开发。虽然IEEE802.3以太网提供高速和低成本的总线，并具有广泛商业的用途；但是它不能提供航空电子系统所需的鲁棒性，主要原因是IEEE802.3以太网是半双工模式的以太网，这种以太网存在的问题是：当多台主机被同时连接到同一个通讯媒介（如同轴电缆等），并且没有中心协调机制，这就有可能出现两台主机同时传输数据的情况，这时就会出现传输“冲突”，因此需要主机能检测到冲突，当冲突发生时，每个主机要对它们的数据进行重传。很明显，仍然可能再次出现在同一时间传输的情况，因此又会再次出现“冲突”。由于没有中央控制的以太网，理论上可能出现数据包不断重复的传输“冲突”，这就意味着在试图传输单个数据包时，有可能出现无限制的冲突链，从而使这个包可能永远无法成功传输。由此可见，在半双工模式，很可能出现因为冲突而导致了大量的数据包传输延迟。因此，无法作为应用于要求实时性高、可靠性高和带宽大的新一代航空总线。新一代航空总线需要一个这样的体系结构：这个结构就是让最大量的时间被用来把一系列数据包传递到一个已知的目的地，这意味着要摆脱系统的冲突。为此，波音和空客公司通过已经实现商业用途的以太网技术来建立下一代航空数据总线，这项研究促使航空电子全双工通信以太网（AFDX）交换机的诞生。AFDX是基于IEEE802.3以太网通讯技术来实现的，但是增加了特殊的功能来保证带宽和服务质量。1AFDX简介航空电子全双工通信以太网交换（AFDX)是一个基于标准定义的电子和协议规范（IEEE802.3和ARINC664Part7）用来航空子系统之间进行数据交换[1]。空客公司开始致力于定义一个具有鲁棒性的下一代航空数据交换网络（ADN）用于A380，AFDX应用于这种特殊的网络，适用于ARINC664总线。它提供一个高达24个终端系统的星形拓扑来连接从一个交换机桥接到其它的交换机内部网络。这个稳定性的网络允许连接冗余（双物理连接）来保证带宽和服务质量。AFDX还允许连接到其它的标准总线如ARINC429或者MIL-STD-1553等到网络，并且允许通过网关和路由与其他的适应ARINC-664但非确定的网络进行通讯[2]。AFDX地址没有采用IEEE802.3以太网标准，而是采用电信标准的异步传输模式的概念，这种对以太网标准的扩展使得在确定的网络中保证带宽和服务质量成为可能。2AFDX的在数据传输性能的改进1.1AFDX以太网帧格式：AFDX数据包帧格式与IEEE802.3以太网的帧格式基本相同，AFDX帧格式如图所示，目标地址和源端地址包含着终端的MAC地址，事实上IP地址信息包含在IP结构模块中。UCP结构区别应用端口，AFDX信息有效载荷为17到1471数据。虚拟路径是通过1字节的序列号接来提供，它在以太网帧协议的校验和之前，范围可以是从1到255，当到达255后翻转到1，序列号0是保留对终端系统的复位。AFDX网络地址是基于终端的MAC地址，ARINC664没有特别的规则来分配MAC地址，这个任务留给系统管理者来完成，但必须遵从IEEE802.3说明的本地管理规范。例如：在波音飞机的应用中，16位全部都可以用来设置的；而在空客的应用中，只有低12位被用到，而高4位均被置零。源端地址必须唯一，源端地址包含用来区别两个连接的冗余网络的MAC地址，目标地址是一个多播地址，包含16位的虚拟连接标识符[3]。图2AFDX以太网帧协议格式1.2AFDX以太网冗余备份：为避免可能因交换机某一网络出现故障而无法正常通讯，在AFDX系统中有两个独立的交换网络（如图所示）——A网络和B网络，每个包通过终端系统同时发送到这两个网络，因此正常情况下每个终端系统将会收到两个包，终端系统通过数据包的序列号来区别数据包来自A网络还是B网络，并检查数据包的帧校验序列来决定是否采用还是丢弃该帧。通过对数据进行冗余管理，就可以很好的保证数据包安全准确地传输到目的地，也就是提高了服务质量。图3AFDX网络冗余连接1.3虚拟连接AFDX网络的核心是虚拟连接（virtuallink）。每个虚拟连接建立了一个从源终端系统到多个目标终端系统的无方向的逻辑部分，每一个虚拟连接都分配一定的带宽配额，虚拟连接的数量是由一个完整的系统来定义的。创建虚拟连接的总带宽不能超过网络最大的可用带宽。对于不太重要的通讯网络，AFDX允许建立子虚拟连接（sub-VLs），虽然带宽对虚拟连接是有保证的，但对子虚拟连接是没有保证的[1]。如图所示：当源端系统（1）把一个（VLID）=100的虚拟连接识别码的以太网帧发送到以太网中，AFDX交换机把这个以太网帧转发到指定目标终端系统（2和3），终端系统（2和3）能同时收到来自终端系统1的以太网帧。也就是说多个虚拟连接能同时接收来自同一个终端系统的信息，并且每个虚拟连接也可以从一个或多个通信端口获取信息。正常通讯。（4）简化走线难度：以往的航空总线系统中所有的设备之间必须通过双绞线相连，才能正常通讯；而使用AFDX，如图4所示，每个端点不需要单独连接到内部平台，每个终端只要与交换机直接相连，而不管网络内部平台有多少个端点，这样就在很大程度上减少走线，因此也可以减轻飞机的重量。（5）终端子系统数量不受限制：如在ARINC429，一个发送源端最多只能有20个接收者，在MIL-STD-1553总线，一个BC最多只能连接32个RT;而AFDX，从网络内部平台连接的航空子系统的数量只跟交换机端口的数量有关，很容易满足增加子系统的需求。（6）成本低：它通过已经实现商业用途的以太网技术进行开发，在很大程度上缩短了开发周期，和生产成本。5总结：本文通过对AFDX的协议进行分析和比较，证明采用AFDX的航空计算机网络，可以提供更