AFDX網絡終端系統設計研究

摘要：AFDX網絡在現階段已經得到廣泛的應用，終端系統是AFDX網絡不可或缺的一部分，是連接航電系統計算機與AFDX網絡的接口，對于終端系統的歸納，理解和應用是構建AFDX網絡重要的一步。文章介紹了終端系統的接收和發送路徑，結合現有知識設計了發送和接收路徑的基本功能框圖并進行了詳細的講解。

關鍵詞：AFDX；終端系統；接收路徑；發送路徑；虛擬鏈路

中圖分類號：TN915文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）24-0029-03

在飛機AFDX網絡傳輸中，終端系統有著不可替代的巨大作用。航電各系統計算機通過終端系統接入AFDX網絡，在IMA的設計中，終端系統同樣起到巨大的作用。一個航電IMA機柜往往可以同時支持多個航電應用程序，而這些應用程序可以通過同一個終端系統來實現與AFDX網絡的對接。終端系統的職責是通過虛擬鏈路來管理數據的傳遞和接受。終端功能的功能架構大體可分為兩路：接收路徑和發送路徑。

1接收路徑

接收路徑管理著從外部系統發送來的數據。 一般終端系統的物理接口與所屬網絡冗余數量一致，在AFDX系統中，每個物理端口都連接著一個100或1000Base-T的AFDX網絡。數據先進入FIFO隊列，然后從物理接口傳送進入接收緩存器。每個接受緩存器都與一個獨立的完整性檢查模塊（INTEGRITY CHECKINGMODULES）相連接。通過此步驟，不合格的幀將會被過濾。剩余數據將會進入冗余管理器模塊（REDUNDANCY MANAGEMENT MODULE）。冗余管理器模塊會從同一個虛擬鏈路中提取出冗余幀并確保只有一個幀可以通過。在這個過程中，冗余管理器模塊會從虛擬鏈路數據庫（VLID DATABASE）中提取有用的虛擬鏈路的信息。之后，數據將會發送至通信端口（COMMUNICATION PORTS）并由目的應用軟件所接收。

圖1終端系統接受路徑功能模塊

1.1完整性檢查模塊

此模塊負責每個網絡和每條虛擬鏈路中的完整性檢查工作。完整性檢查的基礎是基于每個幀的順序號。在每條虛擬鏈路中，幀的順序號是獨立的分配系統。在幀的初始階段，每個幀都會被分配一個不同的順序號。如果檢測到兩個連續幀的順序號之間的間隔不為“1”，則稱此種情況為“連續幀丟失”。此種幀為不合格幀并且被完整性檢查模塊所自動丟棄。在完整性檢查模塊之后，通過同一個物理接口的所有數據幀再次經過FIFO隊列排隊并進入下一個模塊—冗余管理模塊。

1.2冗余管理模塊（去除功能）

圖2冗余模塊接收幀處理過程

在AFDX網絡中，數據幀同時在幾個不同網絡上傳播，因此當到達接收端時，這些數據幀的額外副本需要被刪除。因此，此模塊將會讀取數據上自帶的虛擬鏈路號與其相對應的順序號，并且將具有同樣虛擬鏈路號和順序號的幀的到達時間進行對比。此種算法叫做“第一有效幀獲勝”。若一個AFDX網絡具有2重冗余網絡，那么這意味著具有相同虛擬鏈路號和順序號的2個數據幀中，只有第一個到達的幀才會被儲存進入冗余管理模塊的RAM中。每個幀的到達時間會被SKEWMAX模塊所記錄，若某一幀的到達時間與前一幀的時間間隔超過一定值，則該幀會被舍棄。圖2說明了接受路徑的冗余管理模塊處理接幀的原理與過程。

1.3數據幀處理模塊

此模塊主要負責數據包的處理過程。駐留在IMA中的航電應用程序主要依靠UDP和IP協議來進行數據交換。在進入終端系統之前，一個AFDX標準數據幀包含四種包頭，分別是以太網包頭（Ethernet header），IP包頭（IP header），UDP包頭（UDP header）和負載信息。這四部分中，只有有效負載信息包含實際的數據

內容。

為了處理各包頭并將有效負載剝離數據幀，數據幀處理模塊包含三層結構：物理層，UDP層和IP層。當數據幀通過物理層時，以太網包頭中的目的MAC地址被解析，并且與虛擬鏈路數據庫中的信息對比。此后，數據幀被發送到IP層和UDP層，在該階段IP地址和目的UDP端口地址依次被解析。最后，剩余的有效負載數據被發送到相應的通信端口并由目的應用軟件或系統讀取。

每一個AFDX通信端口都映射到不同的UDP端口上。從AFDX通信端口，應用軟件可以從網絡中讀取或者向網絡發送數據。這是操作系統處理界面的一部分功能。每個虛擬鏈路都可以連接一個或者數個特定的AFDX通信端口。在ARINC 664標準中，共定義了三種通信端口：采樣端口, 隊列端口和SAP端口，如圖3所示：

圖3UDP 和AFDX通信端口示意圖

采樣端口：在某些AFDX數據較短的情況下，所有數據可以打包在一個數據幀中。這種數據幀將會通過采樣端口傳遞給航空電子應用程序。采樣端口的緩存器同一時間只能存儲一幀。當新的信息進入，舊的信息就會被覆蓋。航空電子應用程序讀會根據“新數據幀指示器”來讀取新進入的信息幀。每一個新進入的信息都會使“新數據幀指示器”的值有所改變。通過此指示器，終端系統可以有效分辨源系統是否已停止傳輸，或者是在不停發送同一個數據信息。

隊列端口：當AFDX數據消息的有效負載超過最大可傳輸單元時，這些數據可以在IP層被分割成片段并組合成多個數據包。其中最大可傳輸單元由各個虛擬鏈路的值或者最大幀長度來決定。同一個數據所分割的多個數據幀會掛在隊列緩存器上等待被讀取。每一個被航空電子應用系統讀取后的數據幀都將被清除，以防止重復讀取發生。一個隊列緩存器往往有足夠大的數據容量，以存儲可能同一時間可能到達的所有數據，若緩存器溢出，新到達數據幀將會丟失。

SAP端口：服務接入點端口，為小型文件傳輸協議（TFTP）通信服務。主要用于AFDX系統和非AFDX系統之間的數據交換。

2發送路徑

發送路徑為接收路徑反向的功能活動。數據從航電應用軟件中發出，經過采樣端口和隊列對口到達數據幀處理模塊。在此模塊，UDP包頭，IP包頭和以太網包頭被依次添加。長消息在經過IP層時被分割為多個數據包。虛擬鏈路號被添加入以太網包頭，并且定義了該數據幀的源地址和目的地址。虛擬鏈路調度器負責各虛擬鏈路幀的規整與多路復用。此后數據幀被送入冗余管理模塊（備份功能）。終端系統發送路徑功能模塊如圖4所示：

圖4終端系統發送路徑功能模塊圖

2.1虛擬鏈路調度器

虛擬鏈路調度器由四部分組成：虛擬鏈路號校驗器，子虛擬鏈路調度器，校準器和多路復用器。

當數據幀發送入虛擬鏈路調度器時，虛擬鏈路號將被核查。根據ARINC 664標準，一個虛擬鏈路可以包含最多4個子虛擬鏈路。如果一個數據幀屬于某個子虛擬鏈路，那么它將被送入子虛擬鏈路調度器。在子虛擬鏈路調度器中，每個子虛擬鏈路中的幀會被循環讀取。若數據幀不屬于任何子虛擬鏈路，它將被送入FIFO隊列等待發送時間校準和多路復用。當一個虛擬鏈路中的數據幀準備好被發送時，會被打上相應的順序號再送入冗余管理模塊。

校準器的作用是決定每個數據幀發送的具體時間。根據所發送信息對于頻率的不同要求，每個虛擬鏈路都有一個固定時間間隔槽（BAG）。該時間插入發送數據幀之間，以確保每個數據幀發送的固定間隔。具體的BAG信息儲存存在虛擬鏈路數據庫中并與具體的虛擬鏈路號相對應。

2.2冗余管理模塊（備份功能）

在冗余管理模塊中，數據幀被復制并發送至AFDX網絡。對于一個有雙網絡的AFDX系統，備份數據幀將會在2個網絡戰獨立的傳輸，并且被接受端終端系統的冗余管理模塊所接收和處理。

3結語

綜上所述，終端系統是航電計算機與AFDX網絡連接的橋梁，對其的研究在國內還處于起步階段。本文對終端系統的原理和架構做了初步的歸納和設計。針對國內技術缺乏的情況，我國應當加緊對于終端系統研制和測試標準的制定。

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作者簡介：郭豐瑋（1987—），女，陜西西安人，上海飛機設計研究院助理工程師，研究方向：通信工程。