基于時間觸發的航空電子全雙工交換式以太網調度方法研究

馮冰清，任艷

（1.四川大學計算機學院，成都 610065；2.西安衛星測控中心廈門測控站，廈門 361023；3.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

基于時間觸發的航空電子全雙工交換式以太網調度方法研究

馮冰清1,2，任艷3

（1.四川大學計算機學院，成都 610065；2.西安衛星測控中心廈門測控站，廈門 361023；3.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

航空全雙工交換式以太網（AFDX）是現代航空電子系統的重要通信標準。航空電子系統中的數據流被分為時間關鍵數據流和非時間關鍵數據流，目前的研究雖然可以給出時間關鍵數據流的延時上界，但是仍然不能保證時間關鍵數據流的完全確定性。將時間觸發機制引入AFDX網絡中，對時間觸發AFDX網絡的調度算法進行研究并對其實時性進行分析。

航空電子全雙工交換式以太網；數據流；時間觸發機制

0 引言

機載數據總線被認為是航空電子綜合系統的“中樞神經”，用于機載設備和子系統之間的互連，承擔著飛機上各個子系統以及模塊之間信息交換的重要任務，機載數據總線的發展成為航空電子技術發展的驅動力之一[7]。交換式以太網技術隨著A380飛機項目對其進行全面的航空電子系統適應性改造，演化成了“航空電子全雙工交換式以太網（Avionics Full Duplex Switched Ethernet Network，簡稱AFDX）”。國內外針對AFDX網絡的研究涉及AFDX網絡測試方法研究[6]、AFDX網絡故障注入研究、AFDX監控器[7]、可靠性[8]、冗余管理[9]、流量控制、調度方法、網絡測試、網絡延遲等方面。對于AFDX網絡性能的研究，目前主要是進行調度算法的研究與改進，并研究端到端的網絡延遲特性。

在AFDX網絡中，網絡的實時性是需要重點解決的核心問題。隨著航空系統的發展，未來各種功能模塊將會被集成在航電系統網絡中，各個功能模塊對延時和實時性的要求會不同，對于其中的時間關鍵消息，已有的方法不能滿足其需求，因為其確定性機制并不能保證時間關鍵消息的完全確定性，其傳輸的過程是不可預測的，并且端到端的延時也是抖動的。目前對于AFDX網絡性能的改進大都只通過研究單一的算法，例如只研究改進AFDX網絡終端系統虛擬鏈路調度算法對于數據包端到端延遲的影響，或者僅研究交換機上調度算法的改進對于數據包延遲的影響。目前將時間觸發機制引入AFDX網絡的想法已經有人提出，但是關于如何設計時間觸發AFDX網絡的調度算法，目前國內外的研究甚少。

綜上所述，本文將時間觸發機制引入AFDX網絡具有重要意義，可以提高時間關鍵消息的確定性，本文的研究對于提高航空總線AFDX的網絡性能，加快AFDX在我國新一代飛機上的應用，增強國防實力和綜合國力等，也具有重要意義。

1 TTAFDX網絡研究

1.1 AFDX網絡研究

為了保證數據傳輸的安全性，AFDX采用了一定的強制實時傳輸策略來滿足不同信息系統之間數據傳輸對安全性、確定性和可靠性的要求。AFDX網絡主要包括航空子系統、AFDX終端系統和交換機網絡。該分布式網絡的拓撲結構如圖1所示。

端系統是AFDX網絡的核心部分，將航空電子子系統與AFDX網絡連接起來。圖2給出了一個航空計算機系統通過端系統連接到AFDX網絡，航空計算機系統為航空電子子系統提供計算環境，一般一個端系統可以支持多個航空電子子系統的數據收發處理。

圖1 AFDX網絡拓撲圖

圖2 端系統應用實例

1.2 TTAFDX網絡研究與設計

時間觸發通信機制滿足硬實時性要求和確定性要求，消息的發送和轉發都是按照事先規劃好的時刻調度表來進行，數據的交換過程具有可預測性，并且有完全的確定性，因此將時間觸發機制引入AFDX網絡有利于提高通信系統的穩定性，并且使時間確定消息具有完全的確定性。

（1）時間觸發機制介紹：在時間觸發系統中，數據幀的發送是事先規劃好的，可以確保系統在同一個時刻只有一個任務被觸發，并且系統中始終都有任務在執行。這樣既可以提高系統的帶寬使用率，又不會因數據幀爭搶鏈路而出現阻塞。在時間觸發系統中，需要全局時鐘同步和一個任務調度表，才能保證數據幀正確穩定地發送，調度時刻表的任務周期和基本周期根據系統而設定，各個任務根據這個調度表事先規劃好的時間進行發送。

（2）TTAFDX網絡協議棧的設計：AFDX網絡對以太網進行改進形成的一種確定性航空總線，主要是為了滿足航空電子系統的通訊要求。在航空電子系統中，實時性指的是數據幀從一個端系統傳輸到目的端系統所需要的時間的確定性，并且必須能夠滿足系統的最大時延的要求。在機載數據網絡中，確定性要求是最迫切的，所以AFDX網絡需要端系統對傳輸到虛擬鏈路中的數據進行調度，以便控制數據幀的傳輸時間。AFDX引入時間觸發通信機制，并基于此改進虛擬鏈路的調度策略，增加了虛擬鏈路的時間觸發調度，數據鏈路層的修改對其它層的功能沒有影響，，不影響其他層的實現，改進后的協議棧不同的分層完成不同的功能。

（3）TTAFDX網絡數據幀的設計：AFDX網絡數據幀在幀結構上與以太網幀唯一的差別是AFDX網絡幀多了一個位于以太網FCS字段前面的SN字段，AFDX幀的IP/UDP有效載荷的長度比標準以太網幀減少了一個字節。

2 時間觸發AFDX網絡調度方法研究

先來先服務（FIFO）調度算法，不區分數據流的狀態，將所有數據流相同對待，數據包得到服務的順序與其到達緩存的順序一致。這是一種非搶奪式的調度算法，任意數據流的數據包只有在已經到達緩沖區的數據包轉發完畢后，才能接受調度服務，當某種突發緊急數據流需要立刻服務時，調度器無法立即響應，從而造成嚴重后果。FIFO對一般的緊急數據流都無法保證立刻服務，更不用說時間關鍵數據流，所以將時間觸發機制引入，可以更好地保證時間關鍵消息的確定性和實時性。

航空電子系統中根據數據流的緊急程度對數據進行了分類，不同數據對時延有不同的要求。時間觸發AFDX終端系統中在設計中加入了時間觸發虛擬鏈路（TTVL），用來承載對時延要求比較高的緊急數據的虛擬鏈路，這部分虛擬鏈路是有事件觸發的速率約束虛擬鏈路（RCVL）。AFDX終端系統在數據鏈路層引入了虛擬鏈路的實質是對物理鏈路的帶寬分時復用，確保數據傳輸的確定性。時間觸發通信協議的實質是時分多路訪問（TDMA）方案，AFDX系統引入時間觸發通信機制，數據傳輸過程如圖3所示。

圖3 時間觸發通信機制

數據傳輸被分配在相同的周期性TDMA中，若干個TDMA周期組成一個循環大周期序列，在每一個TDMA周期中有若干間隙，一個數據幀最多占用一個時隙，數據幀按照事先規劃好的周期和時隙進行發送。

時間觸發AFDX終端系統的TTVL采用時間觸發的調度機制，數據幀按照事先規劃好的時刻進行傳輸，其調度過程與時間觸發通信機制的過程相同。TTVL具有更高的優先級，根據時間調度表對時間觸發虛擬鏈路進行優先調度。時刻調度表的規劃方法，可以借鑒時間觸發以太網的方法來進行規劃，端系統的發送時刻調度表可以根據BAG的特點來進行規劃。

圖4 矩陣調度表示意圖

3 網絡模型設計仿真與分析

將含有時間觸發機制的仿真模型程序運行1000秒，做統計結果，如圖5所示。

圖5 計算結果與仿真結果對比圖

由圖5可以看出，加入時間觸發機制之后，時間觸發虛鏈路的傳輸延遲明顯低于無時間觸發時該虛鏈路的傳輸延時，而且不論有無時間觸發機制，流量限制虛鏈路的延時變化不是很大，說明加入時間觸發機制后，承載有時間關鍵數據流的時間觸發虛鏈路的延時明顯降低，雖然承載非時間關鍵消息的流量約束虛鏈路的延時有增大，但是增大的幅度很小，也就是說加入時間觸發機制對流量約束虛鏈路的影響很小。

從圖5中也可以看出，對時間觸發虛鏈路來說，其延時的理論上限、仿真最大值和仿真平均值幾乎是一樣的，利用其理論值就可以確定其延時，真正地做到了保證時間關鍵消息的確定性。

4 結語

本文將時間觸發機制引入AFDX網絡當中，設計了時間觸發AFDX網絡的協議棧和數據幀，通過對這些理論的研究，設計了時間觸發AFDX網絡調度算法和時間觸發AFDX的網絡模型，最后對時間觸發AFDX網絡進行了仿真，仿真結果表明，時間觸發機制可以保證時間關鍵消息的延時性降低。

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Research on the Scheduling Method of Time-Triggered AFDX Network

FENG Bing-qing1，2，REN Yan3

（1．School of Computer,Sichuan University,Chengdu 610065；2．Xiamen Station,China Xi'an Satellite Control Center,Xiamen 361023；3.Research Institute of Electronics Fifth,Ministry of Industry and Information Technology，Guangzhou 510610）

Avionics Full Duplex Switched Ethernet is an important communication standard in modern avionics systems.Avionics system data flow can be divided into time critical and non-time critical data flow.Although the current study can give the time delay upper bound about the time-critical data flow,this still can't guarantee the time critical data flow have completely deterministic time delay.Adds the timetrigger mechanism into AFDX network,studies the scheduling algorithm for time-trigger AFDX network,and analyzes the real-time performance.

Avionics Full Duplex Switched Ethernet;Data Flow;Time-Triggered Mechanism

1007-1423（2017）02-0006-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.02.002

馮冰清（1990-），女，陜西渭南人，碩士研究生，研究方向為數據挖掘、網絡調度分析等

??，女，河南三門峽人，工程師，研究方向為電子元器件質量可靠性及信息化等

2016-11-15

2017-01-06