0 引言

    AFDX網(wǎng)絡(luò)是在商用以太網(wǎng)IEEE802.3協(xié)議的基礎(chǔ)上，增加確定性、可靠性需求，制定了航空電子全雙工交換式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)ARINC664。

    ARINC664協(xié)議規(guī)范定義了航空電子全雙工交換式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，主要由8個部分組成^[1]：(1)系統(tǒng)的概念和概況；(2)以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；(3)基于因特網(wǎng)的協(xié)議與服務(wù)；(4)基于因特網(wǎng)的地址結(jié)構(gòu)和分配編號；(5)網(wǎng)絡(luò)互連服務(wù)和功能元件；(6)保留；(7)航空全雙工交換式以太網(wǎng)（AFDX）網(wǎng)絡(luò)；(8)上層服務(wù)。

    從上述內(nèi)容可以看出，ARINC664協(xié)議定義了航空全雙工交換式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議體系模型如圖1所示，左邊是標(biāo)準(zhǔn)OSI^[2]（Open System Interconnection，開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，右邊對照的是AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)及協(xié)議間的關(guān)系。如圖1所示，AFDX協(xié)議與商用以太網(wǎng)的主要區(qū)別是在MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問控制）層，增加了虛鏈路技術(shù)，滿足了航空電子系統(tǒng)對可靠性和實時性^[3]的要求。

    協(xié)議棧分為五層，從下到上依次為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。物理層采用以太網(wǎng)物理層協(xié)議；鏈路層實現(xiàn)物理鏈路的虛擬通道管理和MAC層的余度管理；網(wǎng)絡(luò)層采用改進(jìn)的IP（Internet Protocol，因特網(wǎng)協(xié)議）；傳輸層采用改進(jìn)的UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議），TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）可選，使用隊列、采樣和SAP（Service Access Point，服務(wù)訪問點）3種端口與應(yīng)用層進(jìn)行通信[4]；應(yīng)用層采用ARINC 615A加卸載協(xié)議和SNMP（Simple Network Management Protocol，簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）向航空子系統(tǒng)提供文件傳輸、數(shù)據(jù)加載和網(wǎng)絡(luò)管理等服務(wù)。

1 AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)關(guān)鍵協(xié)議分析

    AFDX網(wǎng)絡(luò)為了滿足航空電子系統(tǒng)對可靠性、實時性、高帶寬的要求，在商用以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加了虛鏈路、帶寬隔離、流量整形、完整性檢查以及余度管理。

1.1 通信端口

    航空電子系統(tǒng)通信過程中，采用通信端口完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。AFDX網(wǎng)絡(luò)提供了3種通信端口，即采樣端口、隊列端口和SAP端口。其中采樣端口和隊列端口統(tǒng)稱為通信端口，SAP端口為上層服務(wù)端口。

1.1.1 采樣和隊列端口

    如圖2和圖3所示，采樣端口和隊列端口的主要區(qū)別在于緩沖區(qū)個數(shù)，采樣端口只有一個緩沖區(qū)，因此只能存儲一條消息，當(dāng)有新消息時，將會覆蓋緩沖區(qū)已有的消息，因此采樣端口每次讀取的都是新消息，且讀取完成消息后不會將此消息刪除，可重復(fù)讀取。而隊列端口可以設(shè)置多個緩沖區(qū)，將接收的消息依次存入緩沖區(qū)的隊列中，從隊列端口讀取消息時，采用先進(jìn)先出的機(jī)制，讀取完成后，將該消息從隊列中刪除。

    為了讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，設(shè)置了頭尾指針，用于判斷該緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，也有效防止了緩沖區(qū)溢出。當(dāng)頭尾指針不相等時，表明該緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行讀取，每讀取一幀數(shù)據(jù)，將緩沖區(qū)的頭指針加1；當(dāng)頭尾指針相等時，表明緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完成。

1.1.2 SAP端口

    AFDX網(wǎng)絡(luò)提供了SAP服務(wù)端口，主要用于實現(xiàn)端系統(tǒng)與上層服務(wù)之間的通信，包括文件傳輸、網(wǎng)絡(luò)管理等功能。

    SAP端口具有以下特征：可以用于AFDX網(wǎng)絡(luò)通信接口；作為終端系統(tǒng)的應(yīng)用通信接口;提供與應(yīng)用通訊的UDP服務(wù)；SAP端口的UDP服務(wù)應(yīng)提供小于8 KB數(shù)據(jù)緩沖；通過對SAP端口設(shè)置，TCP可以訪問IP層。

1.2 余度容錯

    AFDX網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型余度拓?fù)?，每個端系統(tǒng)都有兩條相互獨立的傳輸路徑，發(fā)送過程中，將消息分別通過這兩條傳輸路徑發(fā)送至目標(biāo)設(shè)備，在接收端通過這兩條獨立的路徑接收消息。因此，在端系統(tǒng)的通信過程中，采用余度處理和完整性校驗的機(jī)制，可以確保接收到有效的AFDX數(shù)據(jù)幀。

    發(fā)送過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)幀完成封裝后，存放至虛鏈路緩沖區(qū)，由硬件單元負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)復(fù)制成完全相同的兩份，然后通過物理層，將互為余度的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。

    接收過程中，采用“先到先有效”的原則，接收網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包。當(dāng)接收到第一幀數(shù)據(jù)后，記錄該數(shù)據(jù)的SN（Serial Number，序列號）號。當(dāng)接收到第二幀數(shù)據(jù)時，首先比較該條數(shù)據(jù)的SN號是否和上條消息的SN號相同，如果相同，則直接丟棄該條消息，否則接收該條消息。余度容錯如圖4所示^[5]。

1.2.1 完整性檢查

    AFDX幀被提交到余度控制單元時，首先將CRC（Cyclic Redundancy Code，循環(huán)冗余校驗碼）前的一個字節(jié)作為幀序號SN的單元（0～255），并根據(jù)SN號對幀進(jìn)行處理，經(jīng)處理的幀再進(jìn)行發(fā)送網(wǎng)絡(luò)選擇，判斷發(fā)送端口是A端口、B端口或者是A、B兩個端口同時發(fā)送。接收到幀的兩個網(wǎng)絡(luò)接口分別將幀存儲到對應(yīng)的接收緩存器中，并分別對幀進(jìn)行完整性檢查。在沒有任何故障的情況下，完整性檢查僅將接收到的幀傳遞給余度管理過程，對于每個余度網(wǎng)絡(luò)是獨立的。如果發(fā)現(xiàn)故障，完整性檢查將去除無效幀，并且執(zhí)行此操作時通知網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)構(gòu)。在每個余度網(wǎng)絡(luò)，完整性檢查功能對順序號在如下區(qū)間中的幀進(jìn)行檢查，該區(qū)間是：

    [PSN”+”1, PSN”+”2]

    其中，PSN（前序列號）是這個VL（Virtual Link，虛鏈路）接收到的前一個幀的順序號。在某些特殊的情況下，完整性檢查也應(yīng)將該幀作為有效幀，如接收順序號為0的幀、在端系統(tǒng)復(fù)位后第一次被接收到的幀等。沒有滿足這些規(guī)則的幀被丟棄^[6-7]，完整性檢查的具體流程如圖5所示。

1.2.2 余度管理

    端系統(tǒng)在接收數(shù)據(jù)時，從鏈路層傳入的數(shù)據(jù)幀首先進(jìn)行完整性和序列號檢查，只有符合完整性和序列號檢查的幀才能進(jìn)行余度管理。余度管理是對兩個通過完整性檢查的幀進(jìn)行序列號比較，按照“先到先有效”的策略對兩個幀進(jìn)行取舍，然后將有效的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到UDP/IP協(xié)議棧進(jìn)行處理。

    余度管理的配置一般基于SkewMax（最大偏移時間）參數(shù)，即：在收到兩個互為余度的幀之間的最大時間，這個值依賴于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌◣缭浇粨Q機(jī)數(shù)目），并由系統(tǒng)集成者提供。

    對于每個VL，余度管理功能應(yīng)該保證幀以遞增的SN次序轉(zhuǎn)發(fā)，復(fù)位和偶然丟幀的情況，如果在收到一個幀后超過SkewMax，則下一幀將被無條件接收。

1.3 虛鏈路VL

    傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換中采用動態(tài)路由的尋址方式，傳輸路徑是不確定的，而AFDX網(wǎng)絡(luò)是一種確定性網(wǎng)絡(luò)，傳輸路徑在網(wǎng)絡(luò)初始化時預(yù)先設(shè)定，采用虛鏈路來實現(xiàn)路由的選擇。虛鏈路是一個概念化的通信對象，主要具有兩個屬性：（1）邏輯上的單向連接（從一個源端系統(tǒng)到一個或多個目的端系統(tǒng)）；（2）指定最大帶寬（帶寬由系統(tǒng)集成者分配）。

1.3.1 帶寬隔離

    為了使不同虛鏈路之間在同一物理連接上不會產(chǎn)生干擾，采用一種類似航空子系統(tǒng)之間的應(yīng)用通道分區(qū)進(jìn)行隔離的機(jī)制實現(xiàn)虛鏈路帶寬的分配。AFDX網(wǎng)絡(luò)每個終端系統(tǒng)上的多個虛鏈路共享100 Mb/s帶寬物理連接。

    在AFDX網(wǎng)絡(luò)中，虛鏈路之間的隔離是通過限制虛鏈路的帶寬分配間隙BAG（Bandwidth Allocation Gap，幀與幀之間發(fā)送的最小時間間隔）和虛鏈路上傳輸AFDX幀的最大長度L_max（最大幀長度）實現(xiàn)的，由端系統(tǒng)保證，虛鏈路的帶寬計算公式為：

1.3.2 流量整形和調(diào)度

    AFDX消息被封裝成AFDX幀，由綁定唯一一條虛擬鏈路的通信端口調(diào)用，并由終端系統(tǒng)中的虛鏈路調(diào)度模塊進(jìn)行調(diào)度。虛鏈路調(diào)度包括數(shù)據(jù)包調(diào)度和多路轉(zhuǎn)換分發(fā)兩部分。虛鏈路調(diào)度完成虛鏈路隊列信息幀的獲取，并創(chuàng)建無抖動的數(shù)據(jù)流輸出。虛鏈路調(diào)度還完成復(fù)制到余度管理單元信息的切換調(diào)度。

    虛鏈路調(diào)度保證了每個虛鏈路帶寬不超過所分配的限制，不僅是要保證每條虛鏈路對BAG和L_max的限制，而且還要保證因虛鏈路的切換而產(chǎn)生的抖動在可以接收的范圍之內(nèi)^[8-9]。

    發(fā)送到AFDX通信端口消息所用的時間受到航空電子子系統(tǒng)和連接到系統(tǒng)的各種設(shè)備的影響。例如：傳感器以10 Hz的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)消息傳輸?shù)椒强盏奶撴溌逢犃袝r就會發(fā)生抖動。另外，余度管理中對在虛鏈路隊列進(jìn)行轉(zhuǎn)換和在物理連接上順序的傳輸都會產(chǎn)生的抖動。在ARINC664Part7協(xié)議規(guī)范中，數(shù)據(jù)發(fā)送時，端系統(tǒng)輸出端口的每個VL的最大允許抖動應(yīng)該服從下列公式：

其中，max_jitter（最大抖動時間）以微秒為單位（μs），Nbw是介質(zhì)帶寬，L_max以字節(jié)為單位（B），40 μs是典型的最小固定技術(shù)時延抖動。

    根據(jù)式（2），端系統(tǒng)若具有較少的VL并且其中待處理的幀是短幀，則最大允許的抖動將會降低。為了整個網(wǎng)絡(luò)確定性，在所有的情況下抖動都被限制在500 μs內(nèi)。

2 AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)關(guān)鍵協(xié)議分析

    根據(jù)ARINC664 Part7規(guī)范，交換機(jī)由配置表、端系統(tǒng)、監(jiān)視模塊、交換模塊和過濾與管制模塊組成。其中交換模塊的交換調(diào)度功能、警管與過濾功能保證了AFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇_定性和可靠性。

2.1 警管和過濾

    幀過濾使得交換機(jī)可以分發(fā)有效幀到指定的目的端。幀數(shù)據(jù)一旦到達(dá)交換機(jī)，交換機(jī)就會監(jiān)控幀的構(gòu)成及幀頭各個域的內(nèi)容。過濾功能對幀進(jìn)行檢查是否符合以下條件：目的地址有效、幀校驗序列有效、以太網(wǎng)幀長度是8 Bit的整數(shù)倍、以太網(wǎng)長度在[64，1 518]字節(jié)的范圍內(nèi)、以太網(wǎng)幀長度小于或等于L_max等。

    流量警管功能描述了一種基于目的地址執(zhí)行流量警管算法的模型。交換機(jī)必須具有流量警管機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)對于錯誤的隔離。為了使異常的數(shù)據(jù)幀不會擾亂網(wǎng)絡(luò)，任何與網(wǎng)絡(luò)配置不符合的幀會被丟棄。

    流量警管的原理采用漏桶算法，如圖6所示。

    每當(dāng)VLi中的一個幀到達(dá)交換機(jī)時，都要檢查ACi（流量警管值）。對于ACi存在兩種類型被管理的帳戶：Byte ACi（基于字節(jié)的警管）和Frame ACi（基于幀的警管）。

    (1)針對基于字節(jié)的警管：

    如果Byte ACi大于S，則此幀被接收并且從賬戶ACi的值中減去S；

    如果Byte ACi小于S，則此幀被丟棄，MIB(管理信息庫)實體刷新，Byte ACi不變。

    (2)針對基于幀的警管：

    如果Frame ACi 大于Smax.i則幀被接收并且從帳戶ACi的值中減去Smax.i；

    如果 Frame ACi 小于 Smax.i，則該幀被丟棄，MIB(管理信息庫)實體被刷新，F(xiàn)rame ACi不變^[1]。

    該流量警管規(guī)則被稱為Token Bucket （令牌桶）算法。流量警管機(jī)制應(yīng)該在交換機(jī)上實現(xiàn)，以保證網(wǎng)絡(luò)的故障抑制功能。為了不讓某個失效的端系統(tǒng)干擾網(wǎng)絡(luò)，流量中的任何不適合網(wǎng)絡(luò)配置的幀必須被丟棄。

2.2 交換調(diào)度

    交換調(diào)度主要是將數(shù)據(jù)幀從交換機(jī)的輸入端口轉(zhuǎn)發(fā)至輸出端口，交換調(diào)度分為接收調(diào)度和發(fā)送調(diào)度^[10]。

    輸入端口接收調(diào)度包括交換端口交換幀的接收、捕獲端口捕獲配置幀的接收和主機(jī)發(fā)送緩沖數(shù)據(jù)幀的接收（包括端系統(tǒng)配置、捕獲幀配置）。每個輸入端口收到一幀數(shù)據(jù)后，向接收發(fā)出調(diào)度請求，接收調(diào)度采樣接收控制字及實時時鐘輸入時間戳，并等待接收調(diào)度仲裁，接收調(diào)度根據(jù)公平的服務(wù)原則，選擇某個申請調(diào)度的端口進(jìn)行服務(wù)。

    輸出端口發(fā)送調(diào)度包括交換輸出端口交換幀的發(fā)送，其又包括普通交換幀的發(fā)送和主機(jī)接收緩沖數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，其中主機(jī)接收緩沖數(shù)據(jù)幀優(yōu)先權(quán)最高，其次是普通交換幀。輸出端口發(fā)送調(diào)度首先必須分別確認(rèn)各自的輸出端口緩沖是否能夠存儲當(dāng)前要發(fā)送的幀，只有輸出端口緩沖有空閑空間時，輸出端口空閑的幀才會允許申請發(fā)送調(diào)度，否則必須等待條件具備后才能申請調(diào)度。

3 結(jié)束語

    AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中虛鏈路、雙余度網(wǎng)絡(luò)、帶寬隔離、流量整形等關(guān)鍵技術(shù)有效地提高了系統(tǒng)的實時性、可靠性，對提高航空機(jī)載數(shù)據(jù)高可靠、高確定性的通信具有重要意義。通過深入解讀、分析AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對交換機(jī)和端系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，突破AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)及交換機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，為AFDX網(wǎng)絡(luò)的芯片及后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計提供技術(shù)支撐。

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