AFDX網絡協議及關鍵技術的研究

李 哲，田 澤，張榮華，楊 峰

(西安航空計算技術研究所 集成電路與微系統設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068)

AFDX網絡協議及關鍵技術的研究

李 哲，田 澤，張榮華，楊 峰

(西安航空計算技術研究所 集成電路與微系統設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068)

機載通信網絡技術是實現航空電子系統間大容量的高速數據交換的樞紐和核心，其性能和功能決定航空電子系統綜合化程度的高低，是現代先進飛機航空電子綜合化的關鍵技術之一。源于商用以太網技術、在國際民機中廣泛使用的AFDX網絡技術，具有低成本、高帶寬、低延遲、確定性、高可靠性等諸多優點。文中在論述現有總線網絡技術的基礎上，介紹了AFDX技術。重點敘述了AFDX網絡體系結構，給出了AFDX網絡工作機制和流程，重點分析研究了AFDX網絡協議及關鍵技術，為AFDX網絡協議處理芯片的設計、實現、驗證及系統應用提供了理論基礎。

AFDX；開環；確定性；協議；關鍵技術

0 引 言

高度綜合化的航空電子系統，對航電子系統間的超高速、大容量數據交互和消息共享的要求日益增長，傳統的ARINC 429、ARINC 629、MIL-STD-1553等機載總線已不能滿足通信需求。航空電子全雙工交換式以太網(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX)利用成熟、魯棒、高速的商用標準以太網IEEE802.3通信原理和網絡結構，并對通信協議和拓撲結構進行限定，使之滿足航空應用要求[1-2]。

AFDX標準為航空電子工程委員會(Airlines Electronic Engineering Committee,AEEC)制定的ARINC664標準。2005年,AFDX協議被民用航空通用標準化機構——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作組定義為一種確定性網絡標準，正式定名為“航空電子全雙工交換式以太網網絡”(ARINC Specification 664P7,Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX) Network)。ARINC 664標準維護由AEEC的航空數據網絡工作組負責，主要職責是將商用的數據網絡標準用于機載領域，支撐飛機平臺與客艙的高速、大數據量傳輸的發展需求[3]。

1 AFDX網絡概述

AFDX應用于模塊化航空電子系統架構中的通用通信系統。ARINC664-Part7定義了AFDX的基本概念，規定了AFDX體系架構、功能和通信機制。

1.1 AFDX網絡體系架構

AFDX采用以交換機為中心的全雙工、星型、雙余度拓撲結構。AFDX網絡系統主要由端系統(End System，ES)、AFDX交換機(SWitch，SW)以及通信鏈路組成，如圖1所示。

圖1 AFDX網絡拓撲

ES負責數據的收發，為航空電子子系統與AFDX的連接提供安全、可靠的數據交換“接口”；SW負責數據交換、調度和監控；通信鏈路提供可靠的物理連接，是子系統間信息交互通道[4-5]。

如圖1所示，AFDX不同于傳統以太網，是一種雙余度網絡，端系統分別通過兩組獨立的交換機接入網絡，相同路徑上的交換機通過一根雙絞線連接。采取物理連接余度的AFDX，使每個端系統都可通過獨立的兩條物理鏈路訪問網絡中的其他端系統，提高了網絡系統的可靠性[6]。

在AFDX中，某些端系統可通過網關與普通以太網設備相連，用于航電子系統數據配置、下載和記錄。

1.2 AFDX網絡工作機制和流程

AFDX網絡的工作流程由上電自檢測、配置表加載、數據通信、網絡管理等構成。AFDX網絡是一種靜態配置的確定性網絡，工作前將配置表分別固化在SWES中，配置表規定了端系統和交換機的工作方式、路由轉發、警管過濾、端口速率、虛鏈路優先級、最大抖動、延遲等信息。配置后網絡中每個設備均根據自己的配置表進行工作。

上電后，端系統和交換機節點首先進行設備初始化和自檢測操作，然后加載已經固化好的配置表，并依據網絡中ES的位置信息在配置表中選擇該節點對應的通信表，端系統根據通信表建立通信端口和虛鏈路，交換機根據通信表創建路由轉發表，在端系統、交換機間構建相互通信的虛擬鏈路，完成網絡初始化。

網絡初始化完成后，端系統會創建消息，完成UDP、IP協議封裝，并將經過流量整形的AFDX幀經雙余度物理鏈路發出，幀進入交換機后，交換機根據配置信息完成過濾和流量警管，并根據路由轉發表信息將數據幀轉發到指定的輸出端口，若數據幀在交換機中駐留的時間超過Maxdelay，將被丟棄。從交換機出來的幀通過物理鏈路發送到接收端系統，接收端系統對接收到的數據幀進行CRC校驗、完整性檢查和余度處理并經UDP/IP協議棧軟件處理后將有效數據提交給上層應用[7]。

若在工作中發生狀態更新，端系統或交換機會通過ES配置幀格式發送新的配置表到網絡中的所有節點，節點接收到新的配置表后，會重新固化，加載配置表，并進行復位操作。

交換機和端系統上所有操作都受到監視。監視模塊負責記錄幀的到達、CRC錯誤等事件信息，創建一個用來記錄內部狀態的統計表[8]，并與網絡管理節點通信，傳遞操作信息和有關端節點或交換機的健康狀態信息。

2 AFDX網絡協議標準及分析

由AEEC制定的ARINC664協議共由8部分組成，從不同層次對航空數據網絡進行了系統的定義，形成以AFDX為核心的下一代航空數據網絡的完整標準。

AFDX的通信協議棧如圖2所示。左邊是標準OSI網絡協議棧結構，右邊對照的是AFDX網絡協議棧結構及協議間的關系。

AFDX繼承了商用TCP/IP的協議棧結構，并做了適應性修改。協議棧分五層，從下到上依次為物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。應用層包括航電應用和維護應用兩類[9]。

航電應用主要通過TFTP(簡單文件傳輸協議)實現，維護應用包括數據加載服務、SNMP代理服務。網絡層采用IP協議，傳輸層采用UDP協議(TCP協議可選)。傳輸層采用隊列，采樣和SAP三種端口與應用層通信。航空電子應用程序包括普通文件傳輸服務的TFTP協議。航電系統維護的應用程序包括ARINC615A中規定的數據加載協議、簡單網絡管理協議，以及普通文件傳輸協議。不同應用采用不同的通信端口與端系統下層協議通信。ARINC664-Part3中對網絡通信協議與服務有詳細說明。圖右邊的管理信息實現端系統內部的通信信息管理。端系統覆蓋了ARINC664協議棧中下四層協議，應用層協議在航電子系統中實現[10]。

圖2 AFDX協議棧結構

3 AFDX網絡關鍵技術

3.1 確定性

航空電子系統包括許多周期性、強實時控制系統，要求設備間的信息交互是低延遲、低抖動和時間確定的。任何功能分系統必須在一定時間內完成信息收發，數據收發不應造成階躍或瞬態，影響系統的控制效果或作戰效能。商用通信網絡做到“盡量”準時，就可滿足要求。一般采用“盡可能傳輸”策略，保證網絡通信帶寬利用率，實時性要求不高。而機載通信網絡，必須滿足系統時間確定性要求。

AFDX是一種“確定性網絡”。“確定性”主要指時間和路由的確定性，確定性由以下機制保障：除了配置表中約定的固定路由外，還限定了每條虛鏈路的帶寬，每個端系統的收發延遲，抖動上界及轉發延遲。

如圖3所示，AFDX網絡在端系統中采用虛連路和帶寬分配機制保證收發數據的確定性，在交換機中采用流量警管和幀過濾機制保證數據交換的確定性。另外，對不同優先級的任務，通過BAG參數配置，分配獨立帶寬保證任務實時性。

圖3 虛鏈路示意圖

3.2 數據完整性

機載通信網絡在保證數據準時到達的同時，還要確保數據正確和完整。在點到點、點到多點，數據的路由是固定的，數據傳輸是按照先來先傳輸的原則進行，數據傳輸次序不發生變化，數據正確性由通信網絡的固有可靠度和糾錯措施來保障[11]。

AFDX交換機的通信路由采用靜態配置，同一條虛鏈路上的消息經過的路徑是固定的，保證了一條虛鏈路上不同數據幀的順序到達。AFDX網絡中數據幀CRC及校驗和機制，可檢查數據傳輸過程中的正確性，UDP/IP傳輸協議負責消息封裝與重組，保證數據的完整性。

數據的順序在AFDX中由幀序列號來判定和識別，交換式網絡固有可靠度較高，同時又采用完整性檢查等糾錯策略，可以保證數據完整性。

3.3 可用性

AFDX采用物理余度和消息余度兩套機制提高其可用性。在冗余配置下，每個端系統對將發送的幀編號，將它復制成兩份，分別通過相互獨立的交換設備向目的端系統發送。端系統具有冗余管理功能，目的端系統根據編號按順序接收。若兩個備份都被正常接收，則后到的被丟棄；其中一個出現傳輸故障，則用另一個替代。接收端系統有完整性檢查和冗余管理功能，根據“先到先贏”原則進行幀的選擇。冗余管理機制包含在鏈路層中，冗余鏈路保證了數據報傳輸的可靠性[12]。

3.4 安全性

機載通信網絡要有足夠的安全隔離措施，能抑制故障蔓延。任何一個終端的故障不能影響系統中的其他終端，也不能造成系統通信能力損失，同樣，任何一個終端也不能被其他終端所影響。

AFDX采用變壓器隔離耦合方式，所有端系統都通過兩個獨立的MAC與雙余度交換機相連，交換機通過路由轉發完成系統通信控制，端系統間完全隔離。網絡連接方式如圖1所示，在端系統內部，通過分區隔離和帶寬隔離機制確保虛鏈路間的獨立性。

AFDX另一項安全性保證機制是兩級配置表。AFDX是一種靜態交換式以太網，為獲得可預知的確定性行為，配置表靜態建立，不支持生成樹算法，通過訪問控制表機制實現。AFDX端系統和交換機中都有一張預先設置好的配置表，當交換機接收到VL的轉發請求，首先查詢自身配置表。若表中無該VL信息，則不響應轉發請求并過濾該消息；若表中有該VL信息，則根據配置表將消息轉發到預定目的地址。同樣，在端系統接收端也有一張配置表，若表中無接收VL的信息則丟棄該消息，否則提交給上層應用。

采用在交換機和端系統實現兩級配置表可以避免網絡中的錯誤蔓延，提高網絡安全性，如圖4所示。

圖4 兩級配置表技術示意圖

AFDX的安全性還體現在通信端口上。通信端口是單向的，端口要么是接收端口，要么是發送端口，不能兩者兼顧或共享，避免了因端口爭用而發生數據沖突。

3.5 QoS機制

QoS(Quality of Service)表示網絡服務質量。從控制論角度講，AFDX是一種開環網絡，沒有反饋機制。它通過預先設定的配置表控制網絡通信過程。基于以太網的UDP/IP協議完成數據分片、打包和組裝[5]。網絡的數據錯誤通過網絡設定的靜態規則，如CRC校驗、帶寬控制、錯誤過濾、流量警管、完整性檢查、余度管理、最大延遲限定、虛鏈路分區隔離等過程控制機制來保證。發送方對錯誤數據包不重傳，也不會根據網絡錯誤或故障，自動改變或調節配置，除非工作中發生狀態更新，則網絡管理端系統將新的配置表通過配置幀發到網絡中所有節點，各個節點根據新配置表重新開始工作。

針對不同類型的應用，AFDX提供兩種通信端口和服務訪問點(Service Access Point，SAP)端口。采樣端口只能緩沖存儲一條消息，到達的消息覆蓋當前存儲區內的消息，并提供刷新標志，表明當前端口緩沖區有新消息。采樣端口適用于航電子系統間有較高時延要求的緊急消息、事件消息或狀態消息。隊列端口具有相對充裕的緩沖區，采用FIFO機制進行消息讀寫。若隊列緩沖溢出，收到的幀將被丟棄，并向接收端傳送錯誤消息，隊列端口適合航電子系統間有硬性時延要求的周期性消息，如傳感器數據傳輸。SAP端口可提供AFDX與其兼容網絡的通信服務，適用于非周期性也無時延要求的數據，如文件傳輸。簡單文件傳輸協議(Trivial File Transfer Protocol，TFTP)通過SAP端口提供網絡文件傳輸服務[13-14]。

4 AFDX網絡技術的應用

AFDX主要用于航空飛行器中電子系統互聯，包括引擎、飛行控制、導航系統及其他對操作平臺至關重要的系統中。目前在大中型運輸機航空電子網絡的應用中，AFDX表現出很強的適應性。另外，AFDX網絡也在艦載、星載、車載、無人機、直升機、公務機中得到廣泛應用。

如圖5所示，AFDX在A380上作為主干網絡將飛行控制、駕駛艙、動力系統、電源管理、燃油液壓控制和客艙分系統中的LRU/LRM連接起來，提供了分布式、高可靠、延時確定的數據通信網絡平臺，實現分系統間信息共享和通信[2]。

圖5 A380上應用的AFDX網絡

5 結束語

AFDX網絡作為新一代大型飛機高速機載網絡標準，滿足航電系統對高帶寬、低延遲、強實時性、確定性、高可靠性的通信服務要求。研究AFDX協議關鍵技術，能為其在我國航空電子系統的應用提供必要的理論支撐，對提高航空電子系統的可靠性和安全性具有重要意義。

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Research on AFDX Network Protocol and Key Technology

LI Zhe，TIAN Ze，ZHANG Rong-hua，YANG Feng

(Key Laboratory for Aeronautics IC & Microsystem Design，China Aeronautics Computing Technique Research Institute，Xi’an 710068，China)

Airborne communication network technology is the hinge and kernel to implement the high-speed,large-volume data exchanges among the avionics systems.The function and performance of the airborne data bus determines the avionics system integration level.Airborne data bus technology is one of the most significant technologies in the advanced avionics system integration of the modern airplane.Rooted from the commercial Ethernet network technology,with the advantages of low-cost,high-bandwidth,low-lantency,high-reliability and so on,the AFDX networks technology has been widely used in the international civil airplanes.On the basis of the available bus network technology,AFDX technology is introduced.The architecture of AFDX network is discussed as a focal point,and working mechanism and working process of AFDX network is provided,and networking protocol and theoretical basis of AFDX is analyzed particularly，which lays the foundation of theoretical basis for design，implementation,verification and system application of AFDX networking protocol processing chip.

AFDX；open-loop；determinability；protocol；key technology

2015-06-16

2015-09-22

時間：2016-03-22

航空科學基金(2015ZC51036)

李 哲(1985-)，男，工程師，研究方向為集成電路設計；田 澤,博士,研究員,中航首席技術專家，研究方向為SoC設計、嵌入式系統設計、VLSI設計。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160322.1517.004.html

TP39

A

1673-629X(2016)04-0046-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.04.010