文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)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(jī)的快速發(fā)展和空域環(huán)境的日益復(fù)雜,飛機(jī)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(shí)時(shí)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(yàn)收、裝機(jī)調(diào)試及使用維護(hù)的各個(gè)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)方案，詳細(xì)說明了AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、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?fù)?，形成系列的?yīng)用解決方案。下面將對AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)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(jìn)行仿真測試，通過設(shè)計(jì)驗(yàn)證環(huán)境用例對AFDX系統(tǒng)傳輸特性進(jìn)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(jìn)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(jì)
AFDX仿真系統(tǒng)充分展示了AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓?fù)浣M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(jìn)行詳細(xì)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(fù)載、性能、功能等技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，典型的AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)由2臺(tái)交換機(jī)、4個(gè)嵌入式端系統(tǒng)、2個(gè)PC端系統(tǒng)、1個(gè)監(jiān)控卡、1個(gè)TAP卡和1個(gè)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?fù)浣Y(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(gè)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(gè)設(shè)備中，各設(shè)備按照配置表進(jìn)行工作；(4)通過網(wǎng)絡(luò)管理工具對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(jìn)行監(jiān)控、分析、測試，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。
AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)應(yīng)用中各個(gè)設(shè)備的主要特點(diǎn)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(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)幀中層對層對等通信的標(biāo)識(shí)方式：UDP源端口+IP源地址+MAC目的地址(VL標(biāo)識(shí))+IP目的地址+UDP目的端口。這5個(gè)標(biāo)識(shí)部分稱為一個(gè)“五元組”，一個(gè)五元組標(biāo)識(shí)了一條VL的尋址路徑[3]。配置表在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行前需要加載或固化在各個(gè)終端系統(tǒng)或者交換機(jī)中，由各終端系統(tǒng)和交換機(jī)按照約定好的格式對配置表進(jìn)行解析，并按照解析出的配置對自身進(jìn)行初始化配置、端口、虛擬鏈路設(shè)定，然后進(jìn)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(shí)，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(yùn)行時(shí)，需要將各終端的數(shù)據(jù)下載下來進(jìn)行分析，對各終端的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)加載和數(shù)據(jù)卸載操作，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)維護(hù)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(xì)節(jié)進(jìn)行描述以統(tǒng)一接口，使各個(gè)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(jìn)行傳輸時(shí)的協(xié)議，并規(guī)定了數(shù)據(jù)加載和卸載時(shí)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(jì)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(tái)基于AFDX網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)ARINC615A-2與ARINC665-3協(xié)議，實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面進(jìn)行配置管理與功能調(diào)用。數(shù)據(jù)加載主要實(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(yàn)和機(jī)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(shí)地反映鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸情況，同時(shí)不影響被監(jiān)控的終端與其他終端。另AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)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(jī)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，可同過捕獲口捕獲交換機(jī)端口的輸入或者輸出數(shù)據(jù)[6-7]。
本設(shè)計(jì)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jī)的捕獲口，存儲(chǔ)交換機(jī)的捕獲數(shù)據(jù)，方便進(jìn)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(jī)和端系統(tǒng)的使用情況，以便有效地運(yùn)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(hù)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(yùn)行管理端進(jìn)程，而被管理對象為4個(gè)航空子系統(tǒng)以及兩臺(tái)交換機(jī)中運(yùn)行的代理端進(jìn)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(shí)或者設(shè)定周期來監(jiān)控航空子系統(tǒng)和交換機(jī)。
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(huì)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(yán)重的故障后也可以主動(dòng)向管理端發(fā)送Trap報(bào)警信息，便于及時(shí)排除故障。同時(shí)，管理端還可以利用set請求對某些MIB節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置門限值，如復(fù)位交換機(jī)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(yàn)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(yàn)證，驗(yàn)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(jì)方案，介紹了AFDX網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的功能，詳細(xì)說明了網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(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(jì)方案已經(jīng)成功運(yùn)用在實(shí)際工程中，功能、性能穩(wěn)定可靠，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)了我國大飛機(jī)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(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)綜合驗(yàn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
[1] ARINC664．Aircraft data network－Part7：deterministic networks[S]．ARINC，2003．
[2] 王錦，張奕楠，熊華鋼．AFDX的分布式仿真[J]．電光與控制，2008，15(8)：76－80．
[3] 趙永庫，唐來勝．AFDX網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)分析與研究[J]．測控技術(shù)，2013，32(4)：86－89．
[4] Airlines electronic engineering committee.ARINC 615A：Software data loader using Ethernet interface[S]．Aeronautical Radio，INC，2002．
[5] 劉智武，陳長勝，王紅春.基于AFDX的跨總線ARINC615協(xié)議軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]．電子技術(shù)，2012，6(25)：39-41.
[6] 王治，田澤．一種高性能AFDX監(jiān)控卡的實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20(8)：217-220．
[7] 何向棟，趙琳，許晶．一種PCI接口的AFDX網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電子技術(shù)，2013，7(15)：46-48．
[8] 王璐，朱劍鋒，王月．基于AFDX網(wǎng)絡(luò)的SNMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)[J]．航空電子技術(shù)，2014，45(2)：24-29．