AFDX端系統協議軟件設計與實現

劉 蕓， 王紅春， 王 兵

(1.中航工業西安航空計算技術研究所，西安 710068; 2.西安應用光學研究所，西安 710065)

0 引言

航空電子系統［1］是飛機的重要組成部分，現代信息技術、微電子技術的高速發展使航空電子設備的智能化程度提高，規模擴大，各設備之間的信息共享程度也越來越高。航電通信網絡［2］實現機載電子設備之間的互聯通信功能，需要傳輸各類命令、狀態數據、大量的中間結果以及各類傳感器實時監控數據。這就對航電通信技術提出了更高的要求傳輸帶寬高、網絡延時確定、網絡傳輸可靠。

傳統的航電通信技術ARINC429和1553B［2］，傳輸速率分別為100 kb/s和1 Mb/s，只能實現點對點或共享總線通信方式，已不能滿足現代航電系統規模擴大以及傳輸信息種類增多后對互聯高速、分布的數據傳輸要求。商用的總線型以太網［3］采用 CSMA/CD方式共享網絡帶寬，雖然傳輸速率較高，但難以保證數據傳輸的確定性，尤其是在網絡上多個端口同時通信時，由于網絡擁擠，傳輸性能急劇下降。在這種情況下，航空標準化機構——ARINC于2005年定制了AFDX網絡標準［4］(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX)，該標準由工業標準以太網經過適用性改進形成，支持10(Mb·s－1)/100(Mb·s－1) 可配置的數據傳輸速率，具有更高的確定性、可靠性，能夠滿足現代航電系統對網絡傳輸的技術要求。國際上，Rockwell Collins公司和Thales公司已研制出AFDX網絡產品，并成功應用到 A350、A380、A400M、C－17 以及波音公司的B787等機型中［5］。目前國內對AFDX技術還處于理論研究階段，為開發具有我國自主知識產權的新一代航電網絡平臺，就需要深入研究該技術并開發相關軟硬件產品。

本文在深入研究AFDX標準的基礎上，分析AFDX協議的體系結構及保證數據傳輸的“確定性”和“可靠性”機制，提出了一種AFDX端系統協議軟件的設計方法，該方法實現了AFDX協議規定的端系統功能，具有確定性好、穩定性高的特點，能夠滿足實際應用的技術需求，并為 AFDX端系統產品的研發提供基礎。

1 AFDX網絡

AFDX網絡［4］作為新一代航空電子網絡傳輸技術，具有組網規模大和靈活性強的特點，適用于大中型飛機的航空電子系統互聯。

1.1 網絡簡介

AFDX網絡結構［4］為可拓展的星型拓撲結構，由端系統、交換機和傳輸鏈路組成，每個交換機允許連接若干個端系統，多個交換機可以互聯組成更大的網絡。

AFDX交換機是AFDX網絡的核心，通過基于虛鏈路(Virtual Link，VL)的數據轉發機制，實現了網絡中各個設備之間的數據傳輸。相比于普通交換機，AFDX交換機具有過濾功能、故障隔離和靜態功能等特點。AFDX端系統［4］是 AFDX網絡的重要組成部分，應用于航電系統［6］AFDX網絡的每個設備中，為網絡中的不同設備提供與AFDX交換機連接的統一接口，實現AFDX網絡中各設備之間安全可靠的數據傳輸功能，具有全雙工、帶寬高、確定、可靠等特點。AFDX網絡“確定型網絡”的特性主要由端系統實現［4］。圖1所示為AFDX網絡應用的一個實例，圖中多個具有冗余端口的AFDX端系統，與兩個互為冗余的AFDX交換機連接，構成雙余度的AFDX航電網絡，實現網絡中多個航電設備之間可靠穩定的數據通信。該冗余機制可以有效避免單條鏈路失效引起的通信錯誤。

圖1 AFDX網絡結構Fig.1 AFDX network structure

1.2 網絡確定性

AFDX網絡的確定性通過虛鏈路機制來實現［5］。VL是一個端系統到一個或多個端系統的單向邏輯通路，該機制將一條物理通路劃分為多個互相隔離的虛擬通路，提供各部件之間具有固定帶寬的邏輯隔離，保證了傳輸過程中每條虛鏈路的帶寬不受其他試圖占用帶寬的虛鏈路影響。基于VL的帶寬分配和流量控制機制保證了AFDX網絡數據傳輸的確定性。

對每條VL，通過定義帶寬分配間隔(Bandwidth Alignment Gap，BAG)和最大幀長度Lmax，為數據傳輸分配固定的帶寬(BandWidth=Lmax/GBA)。其中，GBA為同一條VL上相鄰兩幀之間的最小時間間隔，計算公式為:GBA=2kms(k=0，1，…，7)。

流量控制機制保證了數據傳輸的確定性，該功能由BAG和抖動實現，VL的最大抖動J服從

式中:Lmax為最大數據幀長度，單位為B;N為傳輸帶寬，單位為b/s。

AFDX網絡的數據傳輸還具有固定的技術延時，ARINC664 P7標準規定數據幀的傳輸技術延時小于150 μs加幀延時，即滿足

式中:Ltec為技術延時(單位μs);D為數據幀延時(單位 μs)。

1.3 網絡的可靠性

AFDX網絡的可靠性［3］通過完整性檢測、數據CRC校驗和冗余管理來實現。

完整性檢測功能是保證通信中數據幀的順序正確且完整，并丟棄無效幀，該功能通過檢測數據幀的序列號是否連續來實現。發送端在要發送的數據幀中加入一個SN號，SN號以1為步長逐個遞增，相鄰兩個幀的序列號是連續的;接收端接收數據時，依據SN號判斷收到的幀是否有效，并構造一個有序的幀流。完整性檢測機制可有效避免數據順序混亂而導致的通信錯誤。

數據CRC校驗功能保證數據幀內容的完整性，對無效幀進行丟棄處理。該功能計算整個幀數據的校驗和，并與數據幀尾部的標準校驗和數據進行比較，就可以檢測出該數據幀內容是否正確。

冗余管理是指數據以VL為基礎在兩個獨立的網絡中通信，該機制可以有效抵御AFDX網絡系統因部分連接線路故障、交換機單點故障所引起的通信失效，保證了航空電子系統任務間數據通信的安全性和可靠性，其原理如圖2所示。

圖2 AFDX冗余網絡Fig.2 AFDX redundant network

在數據發送過程中，冗余管理負責將需要發送的數據幀復制成相同的兩個，發送到兩個網絡中;具有冗余管理功能的目的端系統接收數據時采用“先到先有效”的策略［6］，從不同網絡收到的數據幀中選擇一路正確的數據提交上層協議處理。

2 系統方案

AFDX端系統的主要功能是為分區軟件提供安全可靠的數據傳輸。ARINC664 P7協議規定的端系統通信協議結構［4］如圖3所示。

AFDX端系統模塊在具體的方案設計中，基于分層設計的思想，按功能將其劃分為4層:MAC層、IP協議層、UDP協議層以及主機服務接口層。具體的層次結構及其對應的實現方法如圖4所示。

MAC 層實現鏈路虛通道管理［7－8］(VL 管理)和冗余管理(RM)功能。VL管理機制負責將每個MAC對應的物理鏈路劃分為多個獨立的邏輯虛鏈路。冗余管理實現MAC層數據幀的冗余處理功能，發送數據時，RM負責將數據通過兩個冗余的端口發送到兩個不同的網絡;接收數據時，RM從通過兩個端口收到的不同網絡的兩個數據中，選擇一個正確的數據提交給上層處理，該功能由硬件和FPGA邏輯部分實現。

IP協議層［3］提供無連接的數據報傳輸機制，對數據進行“盡力傳遞”，主要實現數據的IP封裝和分片功能，并采用完整性檢測方法來保證數據的完整性。IP封裝負責對數據添加IP首部和尾部組成標準的IP數據包;分片功能實現了數據的片劃分、片重組、分片控制功能，使長度大于AFDX數據包最大幀長1518字節的IP數據包也能進行傳輸。

圖3 端系統協議層次結構Fig.3 End system protocol structure

UDP協議層［3］建立在IP協議之上，提供無連接的 數據報傳輸，實現用戶數據報文協議。為用戶提供3類協議端口采樣、隊列、SAP，通過端口機制保證了具有相同IP地址的不同進程的數據通信。IP層和UDP層功能由驅動軟件實現。

圖4 ES通信層次結構Fig.4 ES communication structure

3 軟件設計

AFDX端系統協議軟件在設計［9］中，遵循模塊化、開放式的思想，基于IP/UDP協議實現了ARINC664 P7規定的3類端口的數據傳輸功能［10］。該軟件支持3類端口的AFDX標準數據傳輸，并提供應用接口，可以不用修改軟件內部結構，通過接口方便靈活地控制數據傳輸過程，實現特定數據的發送和接收功能。3類端口包括采樣、隊列、SAP端口，其中，AFDX采樣和隊列端口與ARINC653協議［11］規定的采樣和隊列端口對應，用來進行AFDX網絡內的數據通信;服務訪問點(Service Access Point，SAP)用來進行TFTP文件傳輸和AFDX與非AFDX系統之間的通信。

AFDX端系統協議軟件由初始化、加載配置表和數據通信這3個功能模塊來實現。

3.1 初始化

AFDX端系統軟件的初始化模塊實現硬件資源的打開、配置功能以及寄存器配置和存儲空間的分配功能。

待配置的寄存器包括MAC層和鏈路層芯片，配置方法為:按照相應的硬件手冊在配置寄存器中寫入特定的值，使該芯片能夠正常工作。由于芯片地址已映射到系統內存，所有對寄存器的操作就成了對內存空間的操作。讀寄存器的操作為Data_value=*(unsigned int*)(REG_Base_Addr+offset);寫寄存器的操作為*(unsigned int*)(REG_Base_Addr+offset)=Data_value。

根據系統應用需求，存儲空間分為控制命令區和數據區。控制命令區的存儲內容為各個控制寄存器的控制參數，如每個 VL的 BAG、SkewMax、Jitter值等;數據區為端口的發送和接收數據緩沖區，用于存儲各個端口的數據內容及其標志信息。這里按照端系統的配置表，為每個端口分配特定大小和深度的數據緩沖區。

3.2 加載配置表

加載配置表模塊在設計中為用戶提供接口，使用戶能夠按需求創建端系統配置表，并將其加載到端系統的控制命令區，從而控制數據的發送和接收過程。較之于配置表固定的軟件設計，該方法更加靈活，便于用戶根據不同的需求，實現數據傳輸功能。

創建端系統配置表的軟件實現為定義端系統、通信端口、VL的控制參數，并按照實際需求對結構體中的各個成員賦值。對象的結構體應該涵蓋其所有的屬性和參數，例如端口的結構體必須包含端口的IP地址、UDP號、方向、緩沖區深度、UDP消息長度等信息，VL的結構體中包含VL的方向、BAG、Jittter等信息。

加載配置表軟件將配置表的信息寫入端系統特定的控制區域。通過循環查找的方式，將配置表中端系統、端口和VL的全部配置，寫入相應的控制命令區。在數據傳輸過程中，通過這些實現定義的配置參數，就能夠控制數據的傳輸速率、傳輸VL、傳輸目的。

3.3 數據通信

數據通信功能基于UDP/IP通信協議［4］，該軟件模塊實現以3類端口(采樣、隊列、SAP)為基礎的數據發送和接收功能，并采用了VL管理、完整性檢測、數據CRC校驗方法，有效提高了數據傳輸的確定性和穩定性。

軟件的數據發送單元負責將數據通過端口發送到鏈路層VL緩沖區。

數據發送的軟件設計方法為:主機發送數據時，UDP層軟件將要發送的數據構造成一個UDP數據報，存儲在UDP端口的發送緩存中，并更新發送緩沖區的讀寫指針，該層支持SAP、采樣和隊列3類端口的數據發送。IP層軟件的功能通過創建發送任務來實現，該任務以查詢或中斷的方式運行，當檢測到UDP的端口發送緩沖區有數據要發送時，將UDP數據報劃分為一個或多個IP數據報，并添加IP首部校驗和、數據CRC校驗以及SN號，提交給指定的硬件鏈路VL發送，如果沒有則不做任何操作。通過該數據發送機制，主機應用就可以調用3類端口的數據發送函數，實現AFDX端系統的數據發送功能。具體的數據發送過程如圖5所示。

圖5 AFDX端系統協議軟件數據發送流程Fig.5 Data transmission flow of AFDX end system protocol software

軟件的數據接收單元負責將數據從鏈路層VL緩沖區接收到應用層，提交給對應的應用程序。

數據接收的軟件設計方法為:IP協議層軟件負責從MAC層接收數據，通過創建接收任務來實現，該任務以查詢或中斷的方式運行，當檢測到MAC層的VL緩沖區收到數據時，就接收該數據并檢查其SN號、CRC校驗和分片標志。如果SN號正確、CRC校驗正確且分片標志有效，將數據報根據分片標志進行重構提交給UDP層，即解析出數據的IP目的地址和UDP目的地址，并將其拷貝到對應UDP端口的接收緩沖區中，如果SN號、CRC校驗值或SN號任何一項有誤，就對該數據做丟棄處理;如果MAC層沒有收到數據則不做任何操作。UDP層軟件負責接收UDP數據報，通過比較端口的讀寫指針檢測端口是否有新數據，如果有新數據，就將UDP數據報從端口接收緩沖區中拷貝出來，提交給上面的應用層軟件，并更新UDP端口接收緩沖區的讀寫指針;否則返回“端口無新數據”標志。通過該接收機制，主機應用就可以調用3類端口的數據接收函數來實現AFDX端系統的數據接收功能。具體的數據接收過程如圖6所示。

圖6 AFDX端系統協議軟件數據接收流程Fig.6 Data reception flow of AFDX end system protocol software

4 測試結果分析

AFDX端系統協議軟件的測試工作以ARINC664 P7協議為基礎，基于國際權威機構德國AIM公司的端系統測試平臺進行，該端系統協議軟件通過了其全部測試項。這證明該軟件實現了ARINC664 P7協議規定的端系統功能，具有良好的確定性和可靠性，滿足航電系統實際應用的技術需求。

4.1 技術延時

ARINC664 P7協議嚴格規定了AFDX端系統的數據傳輸技術延時范圍。

端系統技術延時測試方法為:通過應用層構造測試用例，連續發送和接收不同長度(1518 B、1000 B、500 B、64 B)、不同個數(10、50、500)的數據幀序列，多次測試并觀察測試結果，將第 2、8、20、100、200、400 幀的傳輸延時記錄于表1中。測試結果的最大值和最小值均滿足理論要求，表明數據幀傳輸延時的實際值小于式(2)規定的理論值，該端系統協議軟件滿足協議規定的傳輸技術延時要求。

表1 AFDX端系統數據傳輸技術延時Table 1 Data transmission technology latency of AFDX end system μs

4.2 線速傳輸

ARINC664 P7協議規定AFDX端系統支持數據的線速傳輸，即數據幀能夠以最小的幀間隔0.96 μs正確傳輸。

測試方法為:在應用層以全速傳輸不同長度、不同個數(N)的幀序列，測量VL上幀間隔，并記錄幀間隔達到0.96 μs的數據幀個數(Nv)，計算該計數與整體的比率P。當幀序列的個數為N時，第1個幀為起始幀，從第2個幀開始才能測量幀間隔，即該序列只有N－1個幀間隔，即P的計算式為

多次測量并記錄測試結果，該結果表明，100%的測試數據幀幀間隔達到0.96 μs，端系統支持協議規定的數據線速傳輸功能。

5 結束語

本文介紹了AFDX端系統的整體結構，深入分析AFDX“確定性”和“可靠性”的數據傳輸機制，提出了一個可行的AFDX端系統協議軟件設計方法。該方法模塊化的設計思想、分層的體系架構，以及開放應用接口的理念，增加了軟件的易擴展性和靈活性。充分的測試表明，該軟件設計方法具有良好的確定性和可靠性，滿足具體應用的需求，填補了國內AFDX網絡技術的空白，對我國研發具有自主知識產權、并適用于現代航電系統的AFDX網絡平臺具有重要意義。

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