AFDX 航空總線仿真測(cè)試技術(shù)分析

黨春勃，剛占博

（1.空裝駐西安地區(qū)第一軍事代表室，陜西 西安710089；2.西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安710089）

AFDX 是一種通過(guò)采用電信標(biāo)準(zhǔn)ATM 異步傳輸概念解決ⅠEEE802.3 以太網(wǎng)缺陷的網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)模式。其主要特點(diǎn)在于，通過(guò)雙絞線對(duì)物理互聯(lián)煤質(zhì)進(jìn)行全雙工連接，區(qū)分信號(hào)發(fā)送和接收通道。在此種交換網(wǎng)絡(luò)中，常規(guī)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出星形布局，在管理、擴(kuò)展等方面的成本較低。通常情況下，一個(gè)交換機(jī)可以連接數(shù)十個(gè)終端，進(jìn)而借助級(jí)聯(lián)的方式，完成更大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

1 AFDX 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測(cè)試模式能夠解決的關(guān)鍵問(wèn)題

AFDX 基于異步傳輸概念成功構(gòu)建了交換式以太網(wǎng)，形成了以交換式集線器或者交換機(jī)為中心，采用星型拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。在此種框架下，以太網(wǎng)的傳輸效率得到了明顯提升，解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)“總線競(jìng)爭(zhēng)較為激烈”的痼疾。此種模式的主要原理為，使所有節(jié)點(diǎn)都連接在單一交換式集線器的多個(gè)端口上（前提在于，交換式集線器的內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)極其復(fù)雜的交換陣列，使多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于工作狀態(tài)時(shí)，集線器內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)程序性錯(cuò)亂）。如此一來(lái)，交換式集線器任意兩個(gè)端口之間均具備了可靠的通信傳輸信道，從而以極快的速度完成數(shù)據(jù)信息傳輸。在解決了總線之間的資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，極大地提升了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸效率的同時(shí)，AFDX 模式也存在無(wú)法輕易控制最大傳輸時(shí)延的缺點(diǎn)。

2 AFDX 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)的功能性簡(jiǎn)述

基于AFDX 的總線結(jié)構(gòu)布置模式主要包含終端、交換機(jī)、鏈路。此種模式表面上看并未脫離一般認(rèn)知下的總線形式，但實(shí)質(zhì)上，AFDX 已經(jīng)成為一種新型以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信信道布設(shè)概念。其中，交換機(jī)和終端（多種形式的智能設(shè)備或特定的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸及接收設(shè)備）作為兩種最主要的構(gòu)成元素，其終端數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)信息交換過(guò)程借由VL 虛擬鏈路而實(shí)現(xiàn)。換言之，VL 虛擬線路實(shí)質(zhì)上的作用在于，構(gòu)成了從唯一的源端到其他（一個(gè)或多個(gè)）被賦予了目的性的終端之間，邏輯層面的單向連接。需要注意的是，任意一個(gè)虛擬鏈路同一時(shí)間只能存在一個(gè)源端，超出之后，信號(hào)的傳輸將會(huì)遭遇干擾，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差。

在現(xiàn)代生活中，大眾經(jīng)常聽(tīng)到“粉絲經(jīng)濟(jì)”“流量時(shí)代”等詞匯，但對(duì)于“流量”一詞真正的指代，絕大多數(shù)人往往缺乏了解。

2.1 網(wǎng)絡(luò)流量產(chǎn)生

所謂“網(wǎng)絡(luò)流量”，實(shí)質(zhì)上是網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域中的一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，特指從單一端口或冗余端口發(fā)出虛擬鏈路幀數(shù)量的能力。比如虛擬鏈路幀發(fā)送至一個(gè)端系統(tǒng)或是一個(gè)交換機(jī)，但如何保證信號(hào)信息傳輸質(zhì)量，需要仔細(xì)考量。目前，絕大多數(shù)端系統(tǒng)使用的程序基于UDP 協(xié)議，完成互相之間的通信。而AFDX 總線仿真測(cè)試技術(shù)必須完成對(duì)此類(lèi)端口、端系統(tǒng)實(shí)際功能的模擬，經(jīng)由仿真測(cè)試技術(shù)，找到信號(hào)信息傳輸過(guò)程中可能遭遇的阻礙，進(jìn)而提升實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。比如AFDX 總線仿真測(cè)試系統(tǒng)中，需要設(shè)置流量產(chǎn)生器，其針對(duì)的重點(diǎn)在于對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的精確性展開(kāi)測(cè)試。但完成該功能的前提條件在于，發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)信息系的同時(shí)，在幀有效負(fù)載中必須存在記錄特定時(shí)刻的精確時(shí)間“記號(hào)”；當(dāng)測(cè)試端的某個(gè)或某幾個(gè)特定系統(tǒng)接收到該信號(hào)時(shí)，通過(guò)對(duì)此“時(shí)間戳信號(hào)”信息的讀取和解析，經(jīng)過(guò)橫向、縱向的雙重空間、時(shí)間對(duì)比后，即可精確計(jì)算出該在幀有效信號(hào)耗費(fèi)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中的全部時(shí)間，即網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。由此可見(jiàn)，基于AFDX 測(cè)試系統(tǒng)判斷一個(gè)系統(tǒng)與硬件設(shè)施“契合度”的高低，一個(gè)不可忽視的重要因素正在于此。

2.2 網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控

一個(gè)網(wǎng)絡(luò)如果處于信息接收狀態(tài)，則其需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)幀進(jìn)行捕捉及檢測(cè)，進(jìn)而判斷一定時(shí)間內(nèi)，流經(jīng)該網(wǎng)絡(luò)的流量大小。在此過(guò)程中，系統(tǒng)完成“監(jiān)控→目標(biāo)信號(hào)捕捉→信號(hào)解析”的過(guò)程，能夠找到故障（程序錯(cuò)亂）的誘發(fā)因素，進(jìn)而完成修復(fù)[1]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)流量接收

若要完成該測(cè)試，AFDX 測(cè)試系統(tǒng)必須成功仿真出接收端系統(tǒng)。該過(guò)程的原理在于，虛擬鏈路上的信號(hào)必須時(shí)刻處于監(jiān)控狀態(tài)，必要時(shí)能夠隨時(shí)進(jìn)行捕捉。常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)流量接收測(cè)試方法為，在虛擬鏈路中投放一些特定的檢測(cè)信號(hào)（具備一定次序），當(dāng)AFDX 接收系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)“異常”并成功捕捉信號(hào)后，對(duì)“序號(hào)”的連續(xù)性進(jìn)行檢驗(yàn)，從而判定網(wǎng)絡(luò)流量接收功能是否完善。

3 AFDX 航空總線仿真測(cè)試技術(shù)流程簡(jiǎn)述

3.1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)置的AFDX 航空總線仿真測(cè)試技術(shù)，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)選用windows XP（不選擇windows 7 及以上操作系統(tǒng)的原因在于，相比之下，XP 系統(tǒng)的兼容性已經(jīng)較為完善，系統(tǒng)程序補(bǔ)丁中攜帶的特定程序控制算法不會(huì)與仿真測(cè)試軟件及其他硬件設(shè)備出現(xiàn)“不兼容”的情況）、德國(guó)AⅠM 公司出品的fdXplorer 仿真測(cè)試軟件。主要硬件設(shè)備為與之配套的APⅠ-FDX-2 仿真測(cè)試板卡。與計(jì)算機(jī)連接后，首先完成程序安裝，經(jīng)測(cè)定無(wú)任何差錯(cuò)后，搭建虛擬機(jī)載航空總線房展測(cè)試系統(tǒng)，構(gòu)成如下：①fdXplorer 仿真測(cè)試軟件在XP系統(tǒng)PC 計(jì)算機(jī)上成功安裝后，其主要功能在于監(jiān)控并分析通信信號(hào)是否能夠正常傳輸，并判定信號(hào)的傳輸穩(wěn)定性及質(zhì)量。②PC 主機(jī)中調(diào)用APⅠ-FDX-2 仿真測(cè)試板卡中自帶的APⅠ軟件庫(kù)，在調(diào)用操作之前，主機(jī)與仿真測(cè)試辦卡的連接必須“嚴(yán)絲合縫”。③主機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)，根據(jù)目標(biāo)機(jī)實(shí)際顯示的內(nèi)容完成調(diào)試。比如出現(xiàn)調(diào)試接口，則表明監(jiān)控器軟件尚未完成安裝，軟件支撐并未達(dá)到既定要求；如果出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序-主機(jī)接口，則說(shuō)明主機(jī)應(yīng)用服務(wù)處理驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)安裝功能受到限制（部分或整體，需要仔細(xì)檢查），應(yīng)該及時(shí)調(diào)整。④完成FDX 總線接口單元固件的安裝后，調(diào)試編碼器和譯碼器。⑤基于APⅠ-FDX-2 仿真測(cè)試板卡的AFDX航空總線仿真測(cè)試系統(tǒng)宣告安裝成功，可以展開(kāi)測(cè)試。

3.2 測(cè)試過(guò)程及相關(guān)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 測(cè)試流程

測(cè)試的具體流程如下。

初始化程序以及APⅠ-FDX-2 仿真測(cè)試板卡之后，依次執(zhí)行APⅠ數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用、板卡登陸、端口登陸。在此期間，需對(duì)板卡進(jìn)行設(shè)置，包含發(fā)送方式（單一或冗余）以及位速率。

發(fā)送端口的設(shè)置方式為：發(fā)送端口映射ⅠD 需要加以識(shí)別，并對(duì)基于UDP 的發(fā)送方式或常規(guī)發(fā)送方式進(jìn)行定義。UDP 方式設(shè)置的重點(diǎn)在于虛擬鏈路和自虛擬鏈路的特征必須鮮明，便于區(qū)分。此外，還需設(shè)置有效的負(fù)載數(shù)據(jù)。常規(guī)發(fā)送方式的設(shè)置重點(diǎn)在于定義普通發(fā)送方式的幀屬性，同樣需要設(shè)置有效的負(fù)載數(shù)據(jù)。

接收端的設(shè)置為：完成接收端的端口映射ⅠD 識(shí)別，定義虛擬鏈路以及按時(shí)間順序兩種接收方式。針對(duì)虛擬鏈路的重點(diǎn)為，定義接收的虛擬鏈路以及UDP 接收端口。針對(duì)按時(shí)間順序監(jiān)控的設(shè)置為，圍繞數(shù)據(jù)信息的捕捉及識(shí)別方式進(jìn)行定義。

上述功能設(shè)置及調(diào)試完全無(wú)誤后，依次執(zhí)行“信號(hào)發(fā)送”“信號(hào)接收”“過(guò)程觀察”。三項(xiàng)操作的重點(diǎn)依次為循環(huán)發(fā)送或指定次數(shù)發(fā)送信號(hào)，立即發(fā)送或間隔一段時(shí)間后再次發(fā)送；接收信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況啟動(dòng)或關(guān)閉統(tǒng)計(jì)功能；觀察發(fā)送端、接收端處于何種工作狀態(tài)，信號(hào)接收穩(wěn)定程度是否處于正常范圍內(nèi)，捕捉的數(shù)據(jù)信息是否達(dá)到目標(biāo)要求。

3.2.2 基于測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)信息分析

普通發(fā)送方式與按時(shí)間順序接收方式的設(shè)置方式：在普通發(fā)送方式之下，按時(shí)間順序接收信號(hào)，測(cè)試結(jié)果為基于AFDX 幀的傳輸序列具備最大的靈活性。本研究開(kāi)展期間，研究組內(nèi)5 名成員分別設(shè)定3 組完全不同的參數(shù)（共計(jì)15組），在多次測(cè)試的過(guò)程中，幀間間隔、特定目標(biāo)信號(hào)捕捉、錯(cuò)誤信息反饋、偏斜時(shí)間等均達(dá)到理想狀態(tài)，所有AFDX幀信號(hào)均完成了回收。此外，不同的測(cè)試者圍繞接收幀的類(lèi)型和具體時(shí)間進(jìn)行調(diào)整后，依然能夠在常規(guī)檢測(cè)時(shí)間內(nèi)完成對(duì)目標(biāo)幀信號(hào)的捕捉。

錯(cuò)誤信息（干擾信號(hào)）接入后，系統(tǒng)的觸發(fā)捕捉功能設(shè)置方式：為了更加清晰地判斷AFDX 航空總線仿真測(cè)試系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，研究組特別設(shè)置了“錯(cuò)誤注入信息”，并圍繞該幀信號(hào)的特點(diǎn)，更改了APⅠ-FDX-2 仿真測(cè)試板卡以及fdXplorer 仿真測(cè)試軟件中有關(guān)發(fā)現(xiàn)并捕捉該信號(hào)的方式。具體內(nèi)容為在P1 信號(hào)發(fā)射端口維持穩(wěn)定信號(hào)發(fā)出狀態(tài)的情況下，在與之相連的任意一個(gè)虛擬鏈路幀信號(hào)中注入多種類(lèi)型（帶有不同記號(hào)）的“錯(cuò)誤”幀信號(hào)，觀察接收端的反應(yīng)。fdXplorer 仿真測(cè)試軟件虛擬的異常信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)能夠在極短時(shí)間內(nèi)加以識(shí)別并判定。由此可見(jiàn)AFDX 航空總線仿真技術(shù)能夠良好地發(fā)揮作用。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，航空電子系統(tǒng)仿真測(cè)試中，ARⅠNC629 航空數(shù)據(jù)總線主要采用兩種技術(shù)：軍用的1553B 及民用的ARⅠNC429。基于AFDX 航空總線仿真測(cè)試技術(shù)對(duì)上述兩種總線進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，均在不同程度上發(fā)現(xiàn)了缺點(diǎn)。1553B 的總線系統(tǒng)存在潛在的單點(diǎn)故障，可靠性較低；ARⅠNC429 只有429 總線一個(gè)信息源，性能不佳。基于此，基于AFDX 的航空總線仿真技術(shù)對(duì)于航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。