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關鍵詞：afdx；虛擬鏈路；冗余管理；交換技術

1AFDX概述

新一代航空通信系統的通信業務已經從傳統的話音通信不斷擴展為高速數據、圖像、多媒體在內的多種業務，如此多元化的通信業務在航空通信系統中的集成和傳輸，作為航空通信領域的關鍵專題技術，受到研究人員的廣泛關注［1］。隨著航空通信系統日益復雜的發展趨勢，對航空數據總線的帶寬也提出了更高的要求。機載總線傳輸技術發展至今，傳輸方式從孤立的單一傳輸發展到共享互聯的網絡化傳輸，傳輸速度從原來的kbit／s逐漸發展到Mbit／s乃至Gbit／s，為航空通信系統的升級換代提供了強有力的保證，推動了航空通信系統結構的進化。原來廣泛應用的ARINC429總線、Mil－STD－1553等技術正逐漸被航空電子全雙工交換式以太網（AFDX）等技術所取代。AFDX的成功應用，促使航空通信系統進入了新的高度綜合化時代。AFDX網絡以其高實時性、高安全性、高可靠性和低延時的特性，滿足航電系統對健壯性、兼容性、可擴展性的要求，成為目前機載領域較為先進的航空通信系統的總線網絡［2］。AFDX網絡由終端系統、AFDX交換機及航空電子系統組成。AFDX網絡采用全雙工交換、異步傳輸等模式。全雙工交換機作為交換網絡的核心，具有發送和接收數據的緩沖區，可以滿足所有的端口線速的轉發。而終端系統作為AFDX交換網絡的重要組成部分，其主要功能是實現AFDX協議棧［3－4］。綜上所述，針對AFDX網絡通信協議及其關鍵的交換技術的研究就顯得極為重要，對未來航空通信總線的發展具有積極的作用和意義。AFDX交換網絡拓撲結構如圖1所示。

2航空通信總線的發展

美國軍方1973年制定出臺了Mil－STD－1553總線標準。Mil－STD－1553主要包括總線控制器、終端和監視器，采用命令／響應式異步傳輸，半雙工的傳輸方式傳輸速率為1Mb／s，信號流向包括BC到RT、RT到BC、RT到RT。Mil－STD－1553是聯合式航空通信系統的支柱，以自身所特有的實時性、可靠性使其在航空、航天等實時性要求較高的軍事領域得到極其廣泛的應用。但Mil－STD－1553總線要求專用且造價昂貴的硬件設備支撐，而且對故障較為敏感，因此可用性受到限制。ARINC429總線在空340、波音767等大型民航飛機上廣泛應用，是目前使用最廣泛的商用機載數據傳輸網絡，極強的穩定性和可靠性是它的優點［5－6］。但總線傳輸速率較低（高速為100kbit／s，低速為12．5kbit／s），而且是基于單向傳輸的總線，所采用的單發射機式組網的體系結構導致其使用點對點的解決方案，這就需要通過大量的線纜把位于飛機上不同位置的各個分系統連接起來，無形中增加了機載電纜和連接器的使用數量，這就給航空通信系統進行大規模的綜合化帶來了不可逾越的障礙。CAN總線是上世紀80年代，德國Bosch公司開發的有效支持分布式實時控制的總線式串行通信網絡。隨著CAN總線技術的不斷發展，目前已在汽車電子、工業控制、船舶設備、電力系統等各個領域廣泛應用，但是CAN總線受到傳輸速率較低等因素限制，其在大型的民用、軍用飛機上作為系統通信總線目前還暫未實現。航空電子全雙工交換式以太網是由工業標準的以太網通信協議經過適應性改進形成的，具有相對更高的可靠性、對惡劣環境更強的適應性和更高的實時性，其傳輸速率可以達到100Mbit／s甚至更高，目前已經應用于先進的大型客機項目，如A380、波音787以及各種軍用飛機。AFDX屬于分布式體系結構，其成本低、擴展性好、技術完備等顯著特點決定其將成為構筑新一代大型民航和空中作戰飛機航空電子系統的重要總線技術［7］。對以上幾種總線的對比情況，如表1所示。

3AFDX網絡協議

AFDX基于傳統的以太網通信技術，吸收了IEEE802．3、TCP／IP的大部分內容，并根據航空通信系統的特殊要求進行優化和適應性改進形成。AFDX協議棧按照層次劃分，可以分為物理層、媒體訪問控制（MAC）層、網絡層、傳輸層和應用層。AFDX的傳輸層與網絡層協議與普通以太網相同，而與傳統以太網最大的區別就在數據鏈路層。傳統的以太網在數據鏈路層采用CSMA／CD技術，雖然可以保證數據有序傳輸，但是犧牲了傳輸的實時性和可靠性。AFDX數據鏈路層引用了虛擬鏈路模式，其MAC地址里包含了16位的虛擬鏈路地址，采用交換式網絡模式保證了通信的可靠性［8］。虛擬鏈路在通信開始時建立，多條虛擬鏈路分時復用一條物理鏈路，通信完畢后拆除鏈路。AFDX協議結構如圖2所示。

3．1AFDX發送協議棧

數據發送流程如圖3所示。數據在發送過程中，應用層作為應用程序接口的一部分，為應用設備和程序提供AFDX端口，傳輸層負責對原始數據添加UDP，然后數據進入IP網絡層，IP網絡層接收到UDP數據包，首先根據該包對應的虛擬鏈路的最大幀長判斷是否需要對其進行分包處理，之后為各分包添加IP報頭、IP校驗和以及以太網報頭。如果不需要分包則直接添加報頭。數據進入MAC層后，進行虛擬鏈路調度和冗余方面的處理，主要工作包括調度待發送的以太網數據幀、添加虛擬鏈路序列號，并將數據幀傳遞到發送冗余管理單元，復制待發送的數據幀，然后將兩路數據按發送幀的物理端口ID分別進行發送。

3．2AFDX接收協議棧

AFDX數據接收過程與發送過程正好相反。在接收到數據后，在虛擬鏈路層通過幀校驗序列來檢查數據包的正確性。若正確，則將其分離，然后按照序列號對數據幀進行完整性檢查。若序列號正確，則繼續進行冗余處理。數據進入IP層后，對IP校驗和檢查，然后進行IP層的解包處理。如果是多個IP分段，還需要將多個分段重組成UDP包再發送至傳輸層。數據到傳輸層后，通過多路分配器將屬于不同端口的數據發送到對應的AFDX端口。數據接收流程如圖4所示。AFDX數據幀格式將傳統以太網協議中占6字節的目標地址進一步劃分為4個字節的常數域和2個字節的虛擬連接，再將傳統以太網協議中的46～1500字節的有效載荷部分進一步劃分為20個字節的IP報頭、8個字節的UDP報頭1～1742個字節的有效載荷和1個字節的序列號，最后是4個字節的幀校驗序列［9－10］。AFDX數據幀格式如圖5所示。

4AFDX核心技術

4．1虛擬鏈路

VIRTUALLINK（VL）是AFDX網絡的核心技術，其主要功能就是實現AFDX協議處理。虛鏈路定義了一條消息的源地址和目的地址，源地址只有一個，目的地址可以有一個或者多個。AFDX網絡每個終端系統上的多個虛鏈路共享100Mbit／s帶寬的物理連接［11］。虛擬鏈路有效地分配了帶寬資源，在發送端采用了流量整形和調度技術對虛擬鏈路進行資源的分配，而且端系統會限制自己的收發延遲，抖動上界及轉發延遲，并預先為每條虛擬鏈路設定一個最大可用帶寬，實現了實際帶寬的分時復用。

4．1．1最大帶寬分配虛擬鏈路最大帶寬即最大傳輸速率計算公式VL＝Lmax／BAG，其中VL代表虛擬鏈路的最大帶寬，Lmax表示該虛擬鏈路上傳輸的最大字節數，BAG表示數據幀之間發送的最小時間間隔。對于不同優先級的數據幀，通過配置BAG參數的大小（1，128ms）［12］，來達到實時傳輸消息的目的。

4．1．2流量規整和鏈路調度AFDX一個終端系統可以有多條虛擬鏈路，為了防止突發流量的出現，將數據包的傳輸延遲控制在某個范圍之內，發送端的虛擬鏈路層要對發送數據進行流量整形。流量整形可以使數據比較勻速地向外發送，避免虛擬鏈路上出現突發流量。AFDX消息封裝后，由綁定的唯一一條虛擬鏈路的通信端口調用，并由終端系統中的虛鏈路調度模塊進行調度。虛鏈路的調度不僅要保證每條鏈路對BAG和最大帶寬的限制，而且還要保證因虛鏈路傳輸產生的抖動在可接受范圍之內。決定AFDX數據包確切發送時間的參數包括BAG（帶寬分配間隙）和Jitter（抖動），BAG確定了同一虛擬鏈路下數據幀發送的最小時間間隔，Jitter為數據幀理論發送時間與實際發送時間的間隔，每條虛擬鏈路都有自己的Jitter限定值［13］。AFDX協議中規定，在數據發送時，輸出端的每個虛擬鏈路的最大抖動應該滿足下列公式：其中max＿jitter為最大抖動時間，以微秒為單位，Nbw是介質帶寬即100Mbit／s，40μs是典型的最小固定技術時延抖動。根據公式（1）終端系統如果具有較少的虛擬鏈路，并且其中的數據幀是短幀，則最大允許抖動將會降低；根據公式（2）整個網絡在所有的情況下抖動都被限制在500μs內，500μs的最大允許抖動是對所有AFDX網絡的固定性要求。

4．2冗余管理

AFDX網絡在鏈路層中設置冗余管理機制，通過互為冗余的兩條鏈路來提高系統的可靠性。發送端系統的虛鏈路層以虛擬鏈路為單位，對要發送的數據幀進行編號，也就是為每條虛擬鏈路的數據幀添加SN號，然后根據配置信息中各條虛鏈路的冗余狀態，將該數據幀發往2個獨立的網絡。然后在接收端通過這兩條獨立的路徑接收消息，并通過檢測該SN序列號進行冗余管理。在終端系統的接收過程中，采用余度處理和完整性檢查的機制，可以確保接收到的AFDX數據幀是有效幀，從而有效地保證數據幀向上層應用程序傳輸的實時性和可靠性。在發送端，AFDX幀被傳送到冗余控制單元時，首先將數據域中最后一個字節作為數據幀序號SN，SN從1開始，每增加一個數據幀序號加1，當上限達到255時，回滾到1，幀序號0保留，用來表示發送端系統復位［14］。處理過后的數據幀再進行發送網絡選擇，判斷發送端口是1端口、2端口或者是2個端口同時發送。在接收端，接收到數據幀的兩個網絡分別將數據幀存儲到相應的緩存器中，并分別進行完整性檢查。在沒有故障的情況下，完整性檢查僅僅是把接收到的數數據幀傳送給余度管理。如果發現了故障，完整性檢查將丟棄錯誤幀。在每個冗余網絡，完整性檢查對SN號在如下區間的數據幀進行檢查，該區間是［PSN＋1，PSN＋2］，其中PSN是這該虛擬鏈路接收到的前一個數據幀的SN號［15］。完整性檢查的具體流程如圖6所示。在接收端接收數據時，從鏈路層傳入的數據幀首先進行完整性和SN號檢查，只有通過檢查的數據幀才能進行余度管理。余度管理是對兩個通過完整性檢查的數據幀進行SN號比較，按照“先到先處理”的原則，對兩個數據幀進行取舍，當收到第一幀數據后，記錄該數據的SN號，等接收到第二幀時，首先比較該條數據的SN號是否和上條數據的SN號相同，如果相同則直接丟棄，如果不同則接收該消息，最后將有效的數據幀傳送到UDP／IP協議棧。

4．3交換機技術

4．3．1幀過濾數據幀過濾功能，使得交換機可以將有效數據幀分發到指定的目的端，數據幀一旦到達交換機，數據幀的構成及幀頭各個區域的內容就會被交換機監控。過濾功能對數據幀進行檢查是否滿足以下條件：目的地址是否有效、幀校驗序列是否有效、數據幀長度是8bit的整數倍、以太網長度是否在（64，1518）字節范圍之內、數據幀長度是否小于Lmax等。如果數據幀不符合要求則會被立馬丟棄掉。

4．3．2交換調度交換調度主要是將數據幀從交換機的輸入端口轉發至輸出端口。交換調度分為接收調度和發送調度。輸入端口接收調度包括交換端換幀的接收、捕獲端口捕獲配置幀的接收和主機發送緩沖數據幀的接收（包括端系統配置、捕獲幀配置）。每個輸入端口收到一幀數據后，向接收發出調度請求，接收調度采樣接收控制字及實時時鐘輸入時間戳，并等待接收調度仲裁，接收調度根據公平的服務原則選擇某個申請調度的端口進行服務。輸出端口發送調度包括交換輸出端換幀的發送，其又包括普通交換幀的發送和主機接收緩沖數據幀的發送。其中，主機接收緩沖數據幀優先權最高，其次是普通交換幀。輸出端口發送調度首先必須分別確認各自的輸出端口緩沖是否能夠存儲當前要發送的幀，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送調度，否則必須等待條件具備后才能申請調度。

5結束語

AFDX網絡是當前國際上先進大中型飛機的主要網絡之一，具有很好的發展前景。國外對AFDX的應用已經非常成熟，而且形成了完整的應用、測試、驗證和解決方案。AIM、TechSAT等公司均可以提供高性能終端端系統、AFDX交換機以及測試平臺和仿真設備，為AFDX網絡的測試提供強有力的支持。國內的AFDX網絡的應用也在逐漸地增多，并且已開始在部分飛機上驗證、應用，測試設備也逐漸完善。機載網絡系統的發展如同商業和工業網一樣，一直在向著高可靠性、高速率、強實時以及綜合化等方向發展。以太網作為成功的商業網絡，解決方案自然成為各領域研究的重點課題。時間觸發協議（TimeTriggerProtocolTTP）是由TTTech公司提出的針對航空／航天領域等特殊應用而研發的一種高可靠、高速率、強實時的以太網，其采用分布式系統架構，物理層完全兼容傳統的標準以太網，IEEE802．3支持雙冗余的同時，還可以提供微秒級的時鐘同步，通信速率可達1Gbit／s，提高了通信的時間確定性［16］。TTP可適用于綜合化、模塊化的航空電子體系結構，TTP網絡向下可以兼容AFDX網絡，能保證AFDX網絡接入的獨立性和完整性。與AFDX網絡相比而言，TTP網絡具有更快的速度、更遠的通信距離、更低的傳輸時延以及更加靈活的通信方案，而且TTP網絡具有很高精度的時間同步能力，使其成為未來非常有潛力的軍用和民用機載網絡體系。

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作者：汪寧 單位：中國電子科技集團公司第十研究所