基于分層優先級隊列算法的AFDX端系統

孫月江

(青島工學院 信息工程學院， 山東 青島 266300)

隨著計算機技術和網絡技術的飛速發展，網絡化、集成化和節點智能化成為控制系統新的發展方向，對實現各子系統互連的網絡技術提出了更高的要求.主要包括：網絡延遲確定、傳輸能力可靠、容錯能力強等.以太網以其開放標準、高帶寬、低成本等諸多的技術優勢逐漸成為了控制領域關注的焦點，但以太網的通信延遲不確定性問題一定程度上限制了其在控制系統中的應用，如何在以太網的基礎上提供一個具有確定屬性(deterministic)的網絡成為控制領域的一個研究熱點[1].

AFDX(Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)網絡是伴隨航電系統綜合化發展而產生的一種確定性網絡，它注重連接的服務質量，關心數據冗余.AFDX網絡將交換式以太網和ARINC 429總線的技術優勢進行了有效融合，它基于以太網的拓撲結構和傳輸介質，采用ARINC 429點對多點的通信機制，通過整形、調度、冗余等一系列的優化策略[2]，提供了一個具有冗余容錯性能的確定性網絡.

AFDX網絡主要包括端系統和交換機兩部分，其中端系統在整個網絡的確定性保證中起主要作用.本文設計的端系統由兩部分組成，分別為網絡接口模塊和網絡協議棧.其中網絡接口模塊完成端系統的網絡接口功能，網絡協議棧是段系統的核心，完成端系統的協議接口功能，直接影響端系統的關鍵特性，負責完成流量整形、虛鏈路調度和發送冗余管理.

本文依據AFDX網絡協議標準(ARINC 664 Part 7)，研究端系統的設計實現，完成端系統協議棧級、可編程邏輯級、板級三個方面的設計，重點研究網絡協議棧的實現.

1 AFDX網絡

AFDX網絡起源于20世紀90年代空客A380項目，最早由法國空客公司在商用交換以太網基礎上建立.2005年6月，AFDX被航空標準化機構——美國航空無線電設備通訊公司/美國航空公司電子工程委員會飛機數據網絡工程組(ARINC/AEEC AND)定義為一項確定性的網絡標準，通過ARINC 664Part 7進行具體的電氣定義和協議規范.

AFDX網絡充分利用商用組件技術，基于以太網的拓撲結構和傳輸介質，采用ARINC 429總線點對多點的通信機制，通過流量整形、虛鏈路調度、冗余管理等一系列優化策略提供一個具有冗余容錯性能的確定性網絡.

1.1 系統組成

AFDX網絡主要包括應用系統、端系統和交換機三部分，系統組成[3]如圖1所示.

1)應用系統(Application System)

在AFDX網絡中，一臺計算機為多個應用子系統提供計算環境，各應用子系統之間通過分區實現彼此之間的隔離，通過限制每個分區的地址空間和CPU分配給每個分區的工作空間對各個應用子系統加以區分.

2)端系統(End System)

端系統在AFDX網絡中起到總線接口單元和協議接口單元的作用，它負責將應用系統連接到AFDX網絡，同時保證各系統設備之間通過簡單的消息端口實現通訊.整個網絡的“確定性”性能主要通過端系統來保證，發送過程中它通過流量整形、虛鏈路調度等優化策略保證各虛鏈路數據實時、無干擾的發送到目的地；接收過程中它通過完整性檢查和冗余管理機制保證數據傳輸的順序完整性和可靠性.

3)交換機(Switch)

AFDX交換機作為將消息幀傳送到正確目的地的互連設備，與商用交換機“學習和自老化”的策略不同，它采用靜態虛鏈路表的方式進行端口尋址，有效控制交換節點的時延，從而保證網絡延遲的確定性.

圖1 AFDX網絡系統組成

1.2 核心概念

AFDX網絡的核心概念是虛鏈路(Virtual Link)，它定義了從一個唯一數據源端到一個或多個目的端邏輯上的、具有最大帶寬使用限制的單向連接，如圖2所示.虛鏈路具有如下兩個特性：

(1)一條虛鏈路類似于一條邏輯上的ARINC 429總線；

(2)每條虛鏈路的最大可用帶寬由系統設計者分配.

圖2 虛鏈路和ARINC 429

1.3 AFDX網絡關鍵技術

圍繞虛鏈路，AFDX網絡主要包括流量整形、虛鏈路調度、冗余管理等三個關鍵技術.在數據發送過程中，通過整形進行虛鏈路帶寬的有效分配，通過虛鏈路調度合理的調度虛鏈路[4]；在數據接收過程中，通過冗余管理提高數據傳輸的可靠性.

1)流量整形

流量整形技術主要是為了解決突發流量給網絡帶來的擁塞問題而產生的，它通過將突發流量限制在一個預先設定的范圍之內，從而提高整個網絡的服務質量.

AFDX網絡通過流量整形策略對每條虛鏈路所占用的帶寬進行預先分配，保證虛鏈路帶寬，從而提高整個網絡的服務質量.在端系統的輸出端，特定虛鏈路上的幀流特性主要通過帶寬分配間隔BAG(Bandwidth Allocation Gap)和抖動(Jitter)兩個特性參數控制.如果一個數據幀從調度器出來后沒有抖動，那么BAG定義為同一虛鏈路上兩個連續數據幀之間的最小時間間隔[5].端系統對每條虛鏈路上的數據流進行整形控制，保證同一虛鏈路上一個BAG時間間隔內所傳輸的數據幀不超過一個，如圖3所示.

圖3 流量整形

2)虛鏈路調度

在AFDX網絡中，端系統可能是多條虛鏈路的數據發起端，如圖4所示，多條虛鏈路共享端系統的物理鏈路帶寬，端系統能否合理的調度虛鏈路直接影響到整個網絡性能的優劣.

圖4 虛鏈路調度

在端系統的輸出端，對于給定的虛鏈路數據幀要出現在有限的時間間隔內，這個時間間隔定義為該虛鏈路最大可以允許的抖動(Max_Jitter).這個抖動不是由數據流本身造成的，而是由調度器引入的，最大帶寬使用情況下的Jitter效應，如圖5所示.

圖5 最大帶寬使用情況下的Jitter效應

在端系統的輸出端，為了控制對網絡延遲確定性的影響，每條虛鏈路的最大抖動Max_Jitter滿足如下公式的限制：

其中，Nbw是物理連接帶寬100Mb/s，Lmaxi是虛鏈路VLi允許的最大幀長.第一個公式的時延是由其他虛鏈路數據幀所引起的，40μs是典型的固定技術延遲；第二個公式是一個硬性限制，與虛鏈路數量無關.

3)冗余管理

傳統的提高以太網可靠性的基本方法是：采用虛擬鏈路技術和冗余管理,提高了數據傳輸的可靠性和確定性[6].與傳統方法不同，AFDX網絡為了提高網絡數據傳輸的可靠性，雙通道同時進行數據發送，在接收端進行冗余管理，如圖6所示.

冗余管理(Redundancy management)在每條虛鏈路的基礎上進行操作，發送和接收端系統按下面的方式進行特定虛鏈路上的通信：冗余配置下，發送端將每個數據幀在數據字段之后添加一個1字節的順序號(Sequence Number)字段并復制成兩份，分別通過物理上獨立的交換設備向目的端系統發送；接收端通過對順序號進行完整性檢查，根據“接收最先收到且有效”(First Valid Wins)的原則，重建一個沒有副本的單一序列流.

如果兩個都傳輸正常，則后到的被丟棄，如果一個傳輸出現了故障，用另一個來替代.這樣一個網絡節點的癱瘓不會影響整個網絡的通信，從而減少了數據的丟失，提高了網絡的可靠性.

圖6 冗余管理

2 端系統設計概述

本文將端系統的設計分為網絡接口模塊設計和網絡協議棧設計兩大部分，其中網絡接口模塊完成端系統的網絡接口功能，網絡協議棧完成端系統的協議接口功能.

2.1 端系統實現功能

端系統在AFDX網絡中起到網絡接口單元和協議接口單元的作用，它負責將應用系統連接到AFDX網絡，同時保證各系統設備之間通過簡單的消息端口實現通訊.整個網絡的確定性主要由端系統保證，主要實現以下功能：

(1)系統管理：對端系統中各條虛鏈路進行配置，配置內容包括：網絡ID、設備ID和狀態，虛鏈路中的帶寬分配間隔BAG、最大幀長Lmax、冗余管理等參數.

(2)信息封裝/解封：發送過程中對應用層過來的信息進行UDP、IP、MAC的逐層封裝，封裝的首部內容由虛鏈路的配置參數決定；接收過程中對網絡上過來的信息進行MAC、IP、UDP的逐層解封并提交給應用層.

(3)流量整形：發送之前虛鏈路整形器對消息幀流進行整形，保證每條虛鏈路在一個BAG時間內所發出的數據包不超過一個.

(4)虛鏈路調度：當發送端擁有多條虛鏈路時，虛鏈路調度器對來自整形器的數據幀流進行調度，以滿足具有不同實時性要求的應用.

(5)冗余管理：為了保證信息的可靠傳輸，在發送端系統中對每條虛鏈路的數據幀采用兩條獨立的網絡路徑進行傳輸；在接收端系統中首先對每條路徑中數據幀順序號進行完整性檢查，然后根據“最先收到且有效”的原則進行冗余管理，消除數據幀的冗余拷貝.

2.2 端系統設計方案

本文依據端系統實現的功能，將端系統的設計分成兩大部分：網絡接口模塊設計和網絡協議棧設計，總體設計方案如圖7所示.

1)網絡接口模塊設計

網絡接口模塊完成端系統的網絡接口功能，主要包括硬件原理設計、FPGA邏輯設計兩部分設計.其中，FPGA邏輯設計是研究重點，主要是設計提供AFDX網絡的媒體訪問控制MAC控制器IP核，實現100Mbps傳輸速率以及半雙工和全雙工兩種工作模式.

2)網絡協議棧設計

網絡協議棧完成端系統的協議接口功能，直接影響端系統的關鍵特性，是端系統設計的核心.

圖7 端系統實現方案

3 AFDX網絡接口模塊設計

網絡接口模塊設計的重點是FPGA邏輯設計,FPGA邏輯設計主要是設計提供AFDX網絡的媒體訪問控制兩個獨立的MAC控制器IP核，實現100Mbps傳輸速率以及半雙工和全雙工兩種工作模式.

MAC控制器IP核提供AFDX網絡的媒體訪問控制功能，向上層協議提供符合PCI規范主機接口，向物理層芯片PHY提供標準的MII接口，實現100Mbps傳輸速率以及半雙工和全雙工兩種工作模式.

本文將整個MAC控制器IP核的設計包括三部分工作：MAC層設計、主機接口設計、MII接口設計.總體設計框圖如圖8所示.

圖8 MAC控制器IP核總體設計框圖

1)MAC層設計

主要包括發送模塊、接收模塊、MAC狀態模塊、MAC控制模塊的4個模塊的設計.發送接收模塊主要提供MAC幀的發送和接收功能，完成MAC幀的封包和解包以及差錯檢查操作；MAC狀態模塊監視MAC操作過程中的各種狀態信息；MAC控制模塊執行全雙工模式中的流量控制功能.

2)MII接口設計

通過MII管理模塊向物理層芯片PHY提供符合IEEE802.3標準的MII接口，完成MAC和PHY之間的數據傳遞和控制.

3)主機接口設計

通過主機接口模塊向上層協議提供符合PCI規范的接口，并提供用于數據發送和接收的隊列緩沖區以及對控制器內部的各種寄存器(控制、狀態、命令)的設置.

4 協議棧設計方案

4.1 協議棧實現架構

AFDX網絡協議棧是整個端系統設計的核心，要實現信息的逐層封裝/解封，完成整形、調度、冗余等影響端系統關鍵特性的關鍵技術.

依據AFDX網絡協議棧實現的功能，借鑒開源網絡協議棧的設計方法，本文提出AFDX網絡協議棧實現架構如圖9所示.在數據發送過程中，主要是設計實現虛鏈路調度算法和流量整形算法，其中流量整形算法完成鏈路帶寬資源的有效分配；虛鏈路調度控制虛鏈路數據傳輸延遲抖動.在數據接收過程中，通過設計完整性檢查和冗余管理算法，保證數據傳輸的順序完整性和可靠性.

為了提高協議的運行效率，本文在協議棧設計過程中通過定義虛鏈路控制塊Vlcblk獲取構建數據幀首部所需的信息，從而傳統TCP/IP協議棧的動態地址映射協議無需實現，在協議級有效地規避了動態地址映射帶來的處理時延.

圖9 協議棧實現架構

4.2 發送協議棧設計

根據本文提出的協議棧實現架構，用戶在完成對端系統中虛鏈路的配置后，通過通訊端口將數據發送到端系統協議棧進行處理.從應用層過來的數據到達傳輸層，首先通過調用UDP輸出例程填充UDP首部信息；然后調用IP輸出例程進行網際層處理，主要是進行IP分片處理、首部校驗和計算、填充IP首部信息，并完成數據幀首部信息的填充和基于虛鏈路的順序號添加，將封裝后的數據幀掛在對應虛鏈路控制塊VLcblk的發送隊列vlcb_txq中；最后進行鏈路層處理，主要是完成流量整形、虛鏈路調度和發送冗余管理.

4.3 接收協議棧設計

數據接收過程中，從網絡上過來的數據，首先進行數據鏈路層的完整性檢查和接收冗余管理，重建一條沒有副本的單一序列流，然后進入網際層進行IP首部校驗、分片重組的處理，最后經傳輸層傳送到相應通訊端口并提交給應用.

5 實驗驗證

協議棧測試屬于軟件黑盒測試的范疇，通過控制觀察協議棧實現的外部行為對其進行評價.

5.1 驗證方案

本文借鑒協議測試理論的相關方法，對所設計的協議棧實體主要進行一致性和協議性能兩個方面的測試.AFDX具有獨立的發送和接收通道，是一種全雙工網絡.對于 AFDX協議棧，在虛擬鏈路層的仿真驗證只需要分別對發送功能模塊和接收功能模塊進行頂層模塊仿真驗證.

仿真驗證中，輸入數據設定為 60bytes，發送功能模塊的寫接口為 32bits，分15個字寫入.同時配置冗余發送狀態VL0、VL1和 VL2分別為冗余發送、只發送到網絡 A、只發送到網絡 B.接受功能模塊類似于發送功能模塊的驗證流程.將接收功能模塊在集成綜合環境ISE軟件下進行編譯，然后編寫相應的測試程序，在仿真平臺上對所實現的接收功能模塊進行仿真.根據由仿真平臺配置的仿真參數，對其進行仿真，并觀察仿真結果.

5.2 驗證結論

通過協議一致性和協議性能兩個方面的測試，結合具體的波形結果，表明本文所設計AFDX網絡協議棧滿足AFDX網絡標準的靜態符合性要求，可以有效保證虛鏈路帶寬和服務質量，滿足AFDX網絡的順序完整性要求，具備冗余容錯性能，實現了預期的主要設計指標.

6 結束語

結合AFDX網絡的技術特點，借鑒網絡QoS流量分類方法，本文提出了一種適合AFDX網絡的“分層優先級隊列”端系統調度算法，并基于網絡演算方法建立數學模型對其進行了性能分析，為AFDX網絡端系統設計提供了必要的前期準備.提出了AFDX網絡端系統的總體設計方案，完成了端系統協議棧級、可編程邏輯級、板級三個方面的設計，重點研究網絡協議棧的實現，突破了整形、調度、冗余等關鍵技術，給出了關鍵技術的實現算法.經過測試表明：本文研究實現的內容符合AFDX網絡標準規范的要求，實現了預期的主要設計指標. 以上研究成果為推動AFDX網絡的工程應用奠定了基礎，可以為具有實時性和可靠性要求的軍用網絡環境提供參考和借鑒.

如何通過FPGA嵌入軟核處理器NiosII實現板載協議棧，進一步提高協議運行效率；如何在端系統的研究基礎上，開展AFDX交換機的應用研究，最終完成對AFDX網絡的應用研究是下一步研究的課題.

[1]Ricquebourg V，Menga D，Durand D．The smart home concept : our immediate future[C]//2006 1st IEEE Internation-al Conference on E-Learning in Industrial Electronics.[s.l.]:IEEE，2006:23-28．

[2]Reinisch C，Kastner W，Neugschwandtner G，etal．Wireless technologies in home and building automation[C]//2007 5th IEEE International Conference on Industrial Informatics.[s.l.]:IEEE，2007:93-98.

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