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基于AFDX的航空計算機網絡應用

    隨著飛行關鍵項目和乘客娛樂等設施的復雜航空電子系統的不斷增加,需要大量增加飛機上的數據總線的帶寬,傳統的航空總線如ARINC429等傳輸帶寬只有100KHZ,遠遠不能滿足要求,而ARINC629因價格昂貴,使飛機制造商的難以接受;因此需要以最小的代價和實現成本進行快速開發。 

    雖然IEEE802.3以太網提供高速和低成本的總線,并具有廣泛商業的用途;但是它不能提供航空電子系統所需的魯棒性,主要原因是IEEE802.3以太網是半雙工模式的以太網,這種以太網存在的問題是:當多臺主機被同時連接到同一個通訊媒介(如同軸電纜等),并且沒有中心協調機制,這就有可能出現兩臺主機同時傳輸數據的情況,這時就會出現傳輸“沖突”,因此需要主機能檢測到沖突,當沖突發生時,每個主機要對它們的數據進行重傳。很明顯,仍然可能再次出現在同一時間傳輸的情況,因此又會再次出現“沖突”。由于沒有中央控制的以太網,理論上可能出現數據包不斷重復的傳輸“沖突”,這就意味著在試圖傳輸單個數據包時,有可能出現無限制的沖突鏈,從而使這個包可能永遠無法成功傳輸。由此可見,在半雙工模式,很可能出現因為沖突而導致了大量的數據包傳輸延遲。因此,無法作為應用于要求實時性高、可靠性高和帶寬大的新一代航空總線。新一代航空總線需要一個這樣的體系結構:這個結構就是讓最大量的時間被用來把一系列數據包傳遞到一個已知的目的地,這意味著要擺脫系統的沖突。 

    為此,波音和空客公司通過已經實現商業用途的以太網技術來建立下一代航空數據總線,這項研究促使航空電子全雙工通信以太網(AFDX)交換機的誕生。AFDX是基于IEEE802.3以太網通訊技術來實現的,但是增加了特殊的功能來保證帶寬和服務質量。

 

 

  1、AFDX簡介 

     航空電子全雙工通信以太網交換(AFDX) 是一個基于標準定義的電子和協議規范(IEEE802.3ARINC 664 Part7)用來航空子系統之間進行數據交換??湛凸鹃_始致力于定義一個具有魯棒性的下一代航空數據交換網絡(ADN)用于A380,AFDX應用于這種特殊的網絡,適用于ARINC664總線。它提供一個高達24個終端系統的星形拓撲來連接從一個交換機橋接到其它的交換機內部網絡。這個穩定性的網絡允許連接冗余(雙物理連接)來保證帶寬和服務質量。AFDX還允許連接到其它的標準總線如ARINC429或者MIL-STD-1553等到網絡,并且允許通過網關和路由與其他的適應ARINC-664但非確定的網絡進行通訊[2]。AFDX地址沒有采用IEEE802.3以太網標準,而是采用電信標準的異步傳輸模式的概念,這種對以太網標準的擴展使得在確定的網絡中保證帶寬和服務質量成為可能。 

2、 AFDX的在數據傳輸性能的改進

2.1 AFDX以太網幀格式: 

      AFDX數據包幀格式與IEEE802.3以太網的幀格式基本相同,AFDX幀格式如圖1所示,目標地址和源端地址包含著終端的MAC地址,事實上IP地址信息包含在IP結構模塊中。UCP結構區別應用端口,AFDX信息有效載荷為171471數據。虛擬路徑是通過1字節的序列號接來提供,它在以太網幀協議的校驗和之前,范圍可以是從1255,當到達255后翻轉到1,序列號0是保留對終端系統的復位。


                                                                           圖1  AFDX以太網幀格

 


    AFDX網絡地址是基于終端的MAC地址,ARINC664沒有特別的規則來分配MAC地址,這個任務留給系統管理者來完成,但必須遵從IEEE802.3說明的本地管理規范。例如:在波音飛機的應用中,16位全部都可以用來設置的;而在空客的應用中,只有低12位被用到,而高4位均被置零。源端地址必須唯一,源端地址包含用來區別兩個連接的冗余網絡的MAC地址,目標地址是一個多播地址,包含16位的虛擬連接標識符。

 

2.2 AFDX以太網冗余備份: 

   為避免可能因交換機某一網絡出現故障而無法正常通訊,在AFDX系統中有兩個獨立的交換網絡(如圖2所示)——A網絡和B網絡,每個包通過終端系統同時發送到這兩個網絡,因此正常情況下每個終端系統將會收到兩個包,終端系統通過數據包的序列號來區別數據包來自A網絡還是B網絡,并檢查數據包的幀校驗序列來決定是否采用還是丟棄該幀。通過對數據進行冗余管理,就可以很好的保證數據包安全準確地傳輸到目的地,也就是提高了服務質量。

 

 


                                        圖2  AFDX網絡冗余連接

 


 

2.3虛擬連接  

    AFDX網絡的核心是虛擬連接(virtual link)。每個虛擬連接建立了一個從源終端系統到多個目標終端系統的無方向的邏輯部分,每一個虛擬連接都分配一定的帶寬配額,虛擬連接的數量是由一個完整的系統來定義的。創建虛擬連接的總帶寬不能超過網絡最大的可用帶寬。對于不太重要的通訊網絡,AFDX允許建立子虛擬連接(sub-VLs),雖然帶寬對虛擬連接是有保證的,但對子虛擬連接是沒有保證的。 

    如圖3所示:當源端系統(1)把一個(VLID= 100的虛擬連接識別碼的以太網幀發送到以太網中,AFDX交換機把這個以太網幀轉發到指定目標終端系統(23),終端系統(23)能同時收到來自終端系統1的以太網幀。也就是說多個虛擬連接能同時接收來自同一個終端系統的信息,并且每個虛擬連接也可以從一個或多個通信端口獲取信息。

 


                             圖3   AFDX網絡虛擬連接


 

2.4數據交換處理  

   通過AFDX可以確定數據包發送和接收的時間,從而消除半雙工可能出現的傳輸沖突。如圖4所示:每個航空子系統如自動駕駛、抬頭顯示等直接連接到由兩組雙絞線組成的全雙工交換機。其中一組雙絞線是用來傳輸,另一組雙絞線是用來接收,交換機能夠同時對發送和接收的數據包進行緩沖。

 

 


                                       圖4  AFDX數據交換

   


 

 

    AFDX交換機的接收和發送緩沖區里面都能夠根據先入先出的原則存儲大量的對輸入/輸出數據包。I/O處理單元(CPU)把數據報從輸入的接收緩沖區轉移到輸出傳輸緩沖區,通過檢查下一行接收緩沖區到達的數據包,來決定他的目標地址(虛擬連接標志),并查找轉發列表來決定從哪個發送緩沖區來接收這個數據包。通過存儲總線和傳輸(FIFO)順序,將數據包拷貝到該發送緩沖區,通過發送緩沖區把數據發送到航空子系統或其它交換機中。這種涉及到存儲轉發體系結構的全雙工交換機排除了半雙工以太網遇到的問題,簡單的說就是消除了沖突。

 

3、航空計算機網絡系統組成設計: 

如圖5所示,一個AFDX系統由以下部分組成

 

 


                                     圖5  AFDX系統組成

 


 

 

 

3.1 航空子系統 

   傳統飛機上的航空子系統如飛行控制計算機、全球定位系統、壓力疲勞監視系統等等,航空電子計算機系統為航空子系統提供一個計算環境,每個航空計算機系統包含嵌入式終端系統,并把航空子系統連接到一個AFDX互聯網。 

 

3.2 AFDX終端系統 

   在航空子系統和AFDX互聯網之間提供一個“接口”。每個航空子系統的終端系統接口保證與其他航空子系統進行安全可靠的數據交換。這個接口為各種航空子系統提供了應用編程接口(API),使他們能夠通過一個簡單的接口進行會話。

 

 3.3 AFDX互聯網 

   一個全雙工交換以太網,通常由一個以太網交換機把以太網幀數據傳輸到合適的目的地。AFDX互聯網的以太網交換技術是一個有別于傳統的單工的ARINC429 、點到點的技術和MILSTD1553總線技術。在AFDX的航空網絡系統中(如圖4)所示,兩個終端系統提供分別為3個航空子系統一個通訊接口,第三個終端系統為應用網關提供了接口;同時它也為其他航空子系統之間提供通訊通道和擴展IP網絡,專門用來進行數據的下載和登陸。

 

基于AFDX航空計算機網絡的性能分析 

    首先我們簡單通過帶寬、通信模式、終端數量等,對各種不同類型的總線進行對比如下表所示: 

 

通過比較,我們可以看到,與傳統的總線相比,AFDX有以下優勢: 

  1)有保證的服務質量:與傳統的以太網相比,AFDX的延時時間短,服務質量更高。

 (2AFDX的傳輸速率高:帶寬100MHZ,遠遠高于其他的類型的航空總線。 

 (3AFDX網絡的魯棒性高:AFDX的雙冗余備份網絡可以在某一個網絡出現故障時,仍能正常通訊。 

 (4)簡化走線難度:以往的航空總線系統中所有的設備之間必須通過雙絞線相連,才能正常通訊;而使用AFDX,如圖4所示,每個端點不需要單獨連接到內部平臺,每個終端只要與交換機直接相連,而不管網絡內部平臺有多少個端點,這樣就在很大程度上減少走線,因此也可以減輕飛機的重量。 

 (5)終端子系統數量不受限制:如在ARINC429,一個發送源端最多只能有20個接收者,在MIL-STD-1553總線,一個BC最多只能連接32RT;AFDX,從網絡內部平臺連接的航空子系統的數量只跟交換機端口的數量有關,很容易滿足增加子系統的需求。 

 (6)成本低:它通過已經實現商業用途的以太網技術進行開發,在很大程度上縮短了開發周期,和生產成本。

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