基于以太網的民用飛機客艙網絡架構設計①

施俞行, 黎 明, 鄧 振

(中電科航空電子有限公司, 成都 611731)

基于以太網的民用飛機客艙網絡架構設計①

施俞行, 黎 明, 鄧 振

(中電科航空電子有限公司, 成都 611731)

客艙系統是民機航電系統的重要組成部分, 主要包括客艙核心系統、機載娛樂系統和外部通信系統三大部分. 本文通過對客艙典型業務、客艙網絡設計要求和客艙常用設備的分析, 結合對以太網技術的研究, 設計出一套滿足當前客艙典型業務的一體化網絡架構方案, 并對該網絡架構中重要連接設備做出了詳細功能說明的, 最后使用OPNET網絡仿真工具對該網絡架構進行了仿真驗證, 表明了客艙一體化網絡架構的優越性和可行性.

民用飛機; 客艙系統; 網絡架構; 一體化設計; 以太網技術; OPNET

航電系統是現代化飛機的一個重要組成部分, 飛機的飛行性能與航電系統密切相關. 客艙系統是航電系統的重要組成部分, 同時也是乘客可以全程接觸的系統. 為了在飛行過程中為乘客提供良好的飛行體驗,各飛機制造商、系統供應商、航空公司都致力于提供更先進, 更舒適的客艙系統, 其主要功能包括客艙情景照明、客艙娛樂、乘客上網、電話通信等. 如今, 客艙系統已成為航空公司客源競爭的重要手段, 而客艙系統的應用越來越受到世界各主要航空公司的重視, 未來市場潛力巨大.

按照美國航空運輸協會ATA頒布的ATA2200定義, 機載客艙系統主要包含客艙核心系統(CCS: Cabin Core System), 機載娛樂系統(IFE: In-Flight Entertainment)、外部通信系統(ECS: External Communication System)三大部分, 分別負責客艙管理,乘客娛樂, 對外通信[1]等功能. 為了實現不同子系統之間以及各子系統內部設備之間的數據傳輸, 同時滿足健壯性、可用性和完整性的要求, 在當前的很多飛機實現中, 將機載設備通過傳統工業標準總線(如: ARINC429數據總線、ARINC629數據總線和ARINC485數據總線)進行連接, 但這些總線技術, 隨著業務復雜性的增加和設備數量的增加, 逐漸暴露出傳輸速率有限, 連線的成本增加、以及連線重量增加等缺點. 因此, 本文提出了一種基于以太網絡的客艙一體化網絡架構方案,該方案將整個客艙業務進行綜合集成, 在減少網絡連接設備數量, 降低連接管理成本的同時, 使用QoS、VLAN、防火墻等以太網技術實現了不同客艙業務的性能要求和安全性要求[2], 并有效提高客艙機載設備的接入性和擴展性[3].

1 民用飛機客艙業務介紹

典型的客艙系統由客艙核心系統、機載娛樂系統及外部通信系統組成.

客艙核心系統通過裝在客艙內的揚聲器實現乘務員對旅客的廣播功能; 通過內話設備提供乘務員之間、乘務員和駕駛員間的語音內話功能; 通過指示燈、諧音廣播提供乘客服務提示功能, 幫助乘務員為乘客更好的服務; 通過人機界面為乘務員提供客艙溫度控制、照明控制、水廢水管理、艙門狀態管理等功能.

機載娛樂系統為交互式系統, 通常包括基于前方座椅背后顯示屏幕的音頻視頻系統、乘客控制單元、每個座椅下的座椅電子盒、電源轉換單元以及后端的客艙控制終端及視頻音頻等信息存儲單元等. 機載娛樂系統可以為乘客提供豐富的功能包括閱讀電子書、視頻音頻播放、游戲、通過飛行地圖了解飛行路線等.

外部通信系統為乘客提供客艙移動通信、無線接入、上網等服務, 客艙乘客的個人電腦、電話、IPAD等移動用戶終端, 可以通過客艙無線接入, 經由外部通信系統(衛星通信、空地寬帶移動通信ATG)與其他機外用戶互通互聯, 實現雙向話音、視頻和數據通信功能.

綜上所述, 客艙核心系統主要通過機載電子設備為乘務人員提供服務, 機載娛樂系統主要通過機載娛樂設備為乘客提供娛樂服務, 而外部通信系統實現了乘客在飛行過程中方便的使用自攜帶移動終端. 這要求設計出的客艙網絡能夠: 既滿足不同用戶需求, 又滿足不同安全等級要求, 既要盡量復用已有設備, 又要相互隔離不同業務.

2 民用飛機客艙網絡設計要求

在ARINC 664P5標準[4]和ARINC 811標準[5]中, 根據使用人員和業務數據安全等級的不同, 將民用飛機網絡劃分為4個主要區域: 飛機控制域(ACD)、航空公司信息服務域(AISD)、乘客信息和服務域(PIESD)和乘客自有設備域(PODD).

飛機控制域(ACD)的主要針對的是機組人員, 該區域包含了與飛機控制、客艙設置等相關的業務, 即與飛機安全飛行相關的功能, 具備最高的安全級別要求.

航空公司信息服務域(AISD)主要是針對航空公司和維護人員, 該區域內包含了與飛行支持、旅客服務、飛機維護信息管理等相關的業務, 對飛機運營維護功能相關, 具備一定的安全級別要求.

乘客信息和服務域(PIESD)主要是針對使用機載娛樂設備的乘客, 為乘客提供了多樣化服務, 但與飛機飛行控制并不相關, 因此安全級別要求很低

乘客自由設備域(POD)主要是針對使用自有設備的乘客, 其目的同樣是為乘客提供更豐富的乘機體驗,安全級別最低.

這4個區域的劃分以及對外連接方式, 如圖1所示.

圖1 民用飛機網絡區域和連接示意圖

由于客艙系統中同時存在不同安全等級業務的交互, 并且存在多種網絡接入方式, 因此在設計客艙網絡時候需要考慮以下要求:

① 不同安全等級的業務應能夠進行有效的隔離,使得低安全級別業務失效的時候, 不會影響高安全級別業務的正常運行;

② 不同安全等級的業務應當分配不同的服務等級, 使得在網絡發生資源搶占的時候, 高安全級別的業務能夠優先被滿足;

③ 不同安全等級的業務應當具備相應的控制性、保密性和防篡改性, 使得只有授權用戶才能進行相應權限的操作;

④ 整個客艙網絡應具備良好的安全性, 可以有效的防止來自外部的網絡攻擊和內部的病毒侵害;

⑤ 不同區域業務特點不同, 對不同區域主要網絡設備和技術要求也不相同, 在設計時需要特別注意. 比如飛行控制業務主要強調其可靠性和及時性, 對網絡設備的低時延、低抖動要求較高; 而娛樂業務主要強調多用戶和分發性, 對網絡設備的高吞吐和多線程要求較高.

3 民用飛機客艙一體化概念

前面提到, 傳統的客艙系統按照功能分為CCS、IFES和ECS三個子系統, 結合圖1所示, 其中CCS子系統主要實現了航空公司信息服務域(AISD)中的功能, IFES子系統主要實現了乘客信息和服務域(PIESD)和乘客自由設備域(POD)的功能, 而ECS子系統為機內業務與飛機外部網絡提供了連接功能以支持相關具體業務.

按照傳統客艙系統的劃分和實現, 以上三個子系統可以單獨實現, 再進行綜合集成. 但由于每個子系統均由多個應用設備和網絡設備組成, 且其中的網絡設備相關功能要求類似, 為了減少機載設備數量與網絡連線數量, 本文提出了“飛機客艙一體化網絡”的概念,將飛機客艙相關的所有功能(包括以上3個子系統功能)通過同一網絡實現, 在盡可能復用設備的同時, 通過網絡設備的配置、管理來滿足網絡功能、性能、安全性等方面要求, 具體設計方案在下一章中描述.

4 民用飛機客艙一體化網絡設計方案

客艙業務具備多樣化(可配置)、高帶寬(音視頻傳輸)、易擴展(減少接入和連線數量)、安全等級區分等特點, 因此對其支撐的客艙網絡也相應有著技術成熟性、高帶寬支持性、接入便捷性等要求, 而以太網技術在日常領域的廣泛應用已證明其對這些要求的滿足性, 因此本文設計了一套基于以太網的客艙一體化網絡方案.

4.1 民用飛機客艙典型系統/設備

在第1章中介紹過民用飛機客艙的主要業務, 這些業務可能由多個不同的設備/系統實現, 也可能集成在相同的設備/系統中實現. 本小節列舉典型的客艙常用設備/系統, 并在這些典型設備/系統基礎上確定網絡架構設計方案以及網絡設備功能.

4.1.1 CCS相關

CCS功能相關的主要系統/設備包括:

① 客艙管理終端(CMT): 該設備為空乘/維護人員提供了人機界面, 以方便其對乘客和客艙相關業務進行處理;

② 客艙管理計算機(CMC): 該設備主要處理所有與空乘/維護人員相關業務的邏輯處理功能(如呼叫管理、水系統信號收集、艙門系統信號收集、日志存儲等);

③ 文件服務模塊(FSM): 該設備主要提供客艙文件上傳、下載、存儲相關功能;

④ 駕駛艙打印機(CPPT): 該設備主要提供駕駛艙打印功能;

⑤ 電子飛行包(EFB): 該設備是一種駕駛員飛行助理工具, 用于為駕駛艙、客艙提供各種航行數據, 以及提供基本飛行信息的計算(如飛機性能數據, 油量計算等);

⑥ 客艙廣播及內話系統(PACIS): 該系統提供了客艙預錄音廣播、客艙背景音樂廣播、駕駛艙與客艙內話通信、客艙乘務員間內話通信等功能, 系統內部總線實現可能不同, 但系統提供以太接口連接到客艙骨干網絡中;

⑦ 乘客服務單元(PSCU): 該系統為乘客提供了呼叫乘務員、點亮閱讀燈等重要的服務單元.

4.1.2 IFES功能相關

IFES功能相關的主要系統/設備包括:

① 客艙娛樂服務器(IFE): 該設備通常為一臺大容量專用服務器, 提供音視頻文件存儲、視頻解碼以及請求調度等功能;

② 乘客娛樂終端: 該類設備為乘客娛樂的提供顯示界面, 通常由客艙娛樂吊掛設備、座椅娛樂背掛設備等組成, 也可能是乘客自有設備. 乘客娛樂終端能夠配合ECS系統連接到飛機外部通信網絡, 從而在飛行過程中實現網上沖浪、話音通話等功能.

4.1.3 ECS功能相關

ECS功能相關的主要系統/設備包括:

① 衛星通信設備(SATCOM): 該設備一般與Ku波段的衛星之間進行高容量大傳輸的衛星無線通信, 通常使用在國際航班或跨洋飛行;

② 空地互聯設備(ATG): 該設備為飛機在飛行過程中, 通過高頻、甚高頻等方式, 提供飛機與基地之間的通信聯絡;

③ 機場無線通信單元(AWCU): 該設備為飛機在落地后, 建立飛機與機場之間的無線通信連接.

4.2 民用飛機客艙一體化網絡實現方案

上一節介紹了客艙業務相關的組要設備與系統,客艙網絡則需要將各個設備/系統有效的連接在一起,且能夠滿足各種客艙業務對功能、性能、安全性的要求. 本小節對客艙一體化網絡設計了一種參考方案, 如圖2所示.

圖2 飛機客艙一體化網絡方案

在圖2方案中, 將飛機網絡劃分為4個區域: 飛機控制域、客艙受信域、外部通信域和乘客娛樂域. 需要指出的是, 飛機控制域支持的是與飛行操作相關的功能, 超出了客艙網絡應支持的范圍, 但其中關鍵的飛行數據(如導航信息)需提供給客艙網絡應用使用.

另外3個區域則屬于客艙一體化網絡的考慮范圍,其中客艙受信域提供了乘客服務、空乘操作相關的功能; 外部通信域提供了機內、機外網絡互連的功能; 乘客娛樂域提供了乘客通過機載設備以及自帶設備實現電子娛樂的功能; 這3個區域對安全性的要求自左向右逐漸降低.

在域與域之間, 以及同一域中各個設備之間, 本一體化網絡方案中設計了航電網關(AGW)、受信域交換機(ADSM)、受信域路由器(ADRM)、外部通信交換機(ECSM)幾個重要的網絡設備進行連接, 下面將對這幾個網絡設備的功能分別進行描述.

4.2.1 航電網關(AGW)

飛機控制域與飛機飛行相關, 具備嚴格的安全等級要求, 不屬于客艙網絡范圍之內, 但飛機控制域的相關飛行信息需要提供給客艙網絡使用, 且要求客艙網絡不應對飛機控制域產生影響.

這要求在飛機控制域和客艙網絡之間通過航電網關進行連接, 同時還要求航電網關能夠:

① 支持多種核心航電系統的接口(ARINC429、AFDX等), 并能夠將這些接口的數據轉換成以太網數據以供客艙網絡使用;

② 支持建立網絡隔離規則, 保證來自低安全等級的客艙網絡的訪問在進入飛機控制域后受到有效的控制.

4.2.2 受信域交換機(ADSM)

受信域交換機位于客艙受信域, 主要為受信域中各個功能設備提供了網絡接入功能, 從而為整個客艙受信域提供了相應功能. 比如: 文件服務模塊(FSM)接入到客艙受信域, 提供了文件服務; 而客艙管理計算機(CMC)接入到客艙受信域, 提供了客艙系統管理及網絡管理服務.

4.2.3 受信域路由器(ADRM)

受信域路由器位于客艙受信域, 對內連接受信域交換接, 對外連接外部通信域的交換機. 除了連接功能,受信域路由器要求實現對客艙受信域的保護, 確保外部通信域進入的數據不會影響客艙受信域的業務性能和安全性; 這要求受信域路由器能夠:

① 支持防火墻功能, 從外部通信域來的訪問必須經過防火墻的過濾以保證信息安全, 且最好能防御來自各種網絡層次的攻擊;

② 支持路由功能, 便于適用于不同網絡業務的接入與擴展.

4.2.4 外部通信交換機(ECSM)

外部通信交換機位于外部通信域, 被配置成外部通信域的入口, 連接多種外部通信域的設備; 同時也被配置成乘客服務域的入口, 負責連接客艙娛樂服務器(IFE), 客艙娛樂終端, 從而實現旅客在飛行過程中對外部網絡的訪問. 由于外部通信交換機連接的網絡不可控, 以及連接網絡設備的類型多樣性, 這要求外部通信交換機能夠:

① 支持虛擬子網管理, 通過劃分不同的虛擬子網(VLAN), 將連接在外部通信域交換機上的設備劃分在不同的區域. 如: 客艙娛樂終端和客艙娛樂服務器(IFES)可劃分為一個虛擬子網, 衛星通訊模塊(SATCOM)處于一個虛擬子網, 機場無線通信通訊單元(AWCU)處于一個虛擬子網, 空地互聯設備(ATG)處于一個虛擬子網;這種VLAN劃分可以有效的控制各個子網內設備的訪問范圍及訪問途徑, 完善了客艙網絡架構對安全訪問控制的粒度;

② 支持入侵檢測功能, 能夠辨別和回應對客艙網絡資源的惡意使用行為, 而發現一體化客艙網絡存在的安全隱患和被攻擊的情況并予以限制;

③ 支持QoS功能, 能夠對外部通信、視頻轉發、網絡設置等不同級別的業務進行分類管理, 當發生資源擁塞時, 優先保證高優先級業務.

5 民用飛機客艙一體化網絡仿真驗證

OPNET網絡仿真軟件[6]是一款性能強大的網絡仿真技術軟件包, 為用戶提供一系列的仿真模型庫, 目前在電信、軍事、航空航天等方面有廣泛運用, 可以為實際網絡設計驗證提供可靠的依據, 因此本節使用OPNET對飛機客艙一體化網絡進行仿真建模與結果分析, 以說明本網絡方案的可行性.

5.1 網絡仿真設計

網絡仿真設計的考察對象是整個網絡的性能, 即可以通過各個設備或鏈路的主要網絡屬性(時延、利用率等)進行收集以評估是否當前的網絡架構設計是否滿足典型客艙使用需求.

仿真中應覆蓋客艙常見的業務, 如乘務員使用的客艙服務、內話通信; 維護人員常用的文件上傳、文件下載; 以及乘客常用到的上網沖浪、視頻播放等.

仿真設計的步驟主要包括: 拓撲創建、應用配置、用戶配置等幾個方面.

① 仿真拓撲

拓撲設置如圖3所示.

圖3 OPNET客艙一體化網絡仿真拓撲

在仿真時, 盡量選擇與實際設備的交換能力和鏈路帶寬相近的模型, 如表1所示.

表1 網絡拓撲的模型設置

② 應用配置

在實際應用場景中, 拓撲中的某些網絡節點都會作為服務器[7]提供對外的應用, 相應的應用配置如表2所示.

表2 客艙應用配置

同時, 再創建一條從IFES到Passengers的ip_traffic_flow的需求模型, 并配置其流量屬性為8Mbits/s和30 packets/s(以模擬視頻廣播服務).

③ 在實際應用場景中, 拓撲中的某些網絡節點會作為用戶訪問其他節點提供的應用, 相應的用戶配置如表3所示.

表3 客艙用戶配置

通過以上的各種配置, 就模擬出了飛機客艙網絡使用的典型場景.

5.2 網絡仿真結果與分析

當完成仿真設計后, 將該仿真場景運行4個小時,獲取的網絡運行主要結果如圖4至圖6所示.

圖4 仿真網絡平均時延

圖5 仿真網關(ADRM/AGW)CPU利用率

從以上的仿真運行結果可知, 客艙業務典型應用在該網絡架構中運行時的表現為:

① 延時小: 平均網絡延時不到1 ms;

② 網絡設備資源消耗少: 兩臺路由器CPU占用率最大僅為2%;

③ 丟包率低: 兩臺主要交換設備均無丟包.

因此說明該網絡架構在性能上完全滿足當前客艙業務要求, 同時還有充足的余量來應對未來業務變化帶來的擴展, 很好的證明了該網絡架構的可行性.

但是隨著客艙業務的進一步豐富, 尤其是旅客對視頻點播等個性化服務需求的增加, 可以預計對IFES的服務性能與帶寬要求將是未來客艙網絡的主要關注點, 應在未來的項目中重點關注.

圖6 仿真交換機(ADSM/ECSM)丟包率

4.4 民用飛機客艙一體化網絡實現方案特點

由前面章節的論述可知, 本文所設計的網絡架構具備以下特點:

① 技術的成熟性: 在本方案中, 數據交換基于以太網TCP/IP協議族. 因此, 無論是實現網絡隔離的VLAN技術, 實現數據過濾的防火墻技術, 還是保證業務質量的QoS技術, 保證數據安全的加密/認證技術, 都有大量的標準支撐和實踐運用, 從而保證了技術的成熟度;

② 實施的可行性: 本文使用當前業內專用的OPNET網絡仿真工具, 在該網絡實現方案上進行了典型客艙業務的仿真實驗, 通過實驗數據表明該方案能夠滿足當前典型客艙業務的使用; 并指出用戶視頻娛樂需求對網絡帶寬增加的要求非常迫切, 而以太網技術在日常生活中已證明可以很好的滿足這樣的需求;

③ 產品的支持性: 對于AGW、ADSM、ADRM等概念設備, 在航電設備市場上并不難找到其支持產品,如: Honeywell的CNX-250能支持AGW和ADRM要求的功能; Cobham的JetLAN270能支持ADSM要求的功能.這些設備為網絡架構的實現提供了產品支持;

④ 配置的靈活性: 通過VLAN的配置和劃分, 或者防火墻規則的更改, 能夠在不更改設備物理連接的情況下, 方便的實現網絡拓撲的修改以滿足業務需求的更改; 相比傳統的設備拆卸, 連線更換, 極大的提高了靈活性;

⑤ 擴展的良好性: 需要添加新的功能模塊到當前的網絡中時, 僅需根據該功能安全級別識別出其屬于哪個相關域, 連接到相關的網絡連接設備, 完成相關的優先級配置、安全性配置即可實現新設備的接入與新功能的擴充.

6 結語

從客艙系統, 甚至整個航電系統的發展進程來看,形式綜合化、功能模塊化是大的發展方向; 客艙系統的CCS、IFES、ECS各子系統之間相互協作、信息共享、設備復用、綜合布線以及一體化設計和集成也是客艙產品和網絡設計的必然趨勢. 由于以太網絡在日常領域的大量運用, 其在技術成熟度、網絡性能、可擴展性等方面已經得到了廣泛的驗證, 因此本文設計的基于以太網的網絡實現方案迎合了當前客艙系統諸多方面的要求, 符合客艙系統發展的趨勢, 但在具體的視頻點播性能、網絡安全性和網絡性能實現技術等方面還有待進一步深入研究與實踐.

1ARINC 637P1-1-2000 Aeronautical telecommunications network (ATN) implementation provisions, part 1, protocols and services. Aeronautical Radio Incorporated, 2000.

2王延路, 袁炳南, 劉語喬. 民機試飛空地一體化綜合監控網絡系統技術研究. 現代電子技術, 2012, 35(15): 110–112,118. [doi: 10.3969/j.issn.1004-373X.2012.15.035]

3Hanka O, Tobeck N, Kuntze N, et al. A resilient and distributed cabin network architecture. Proc. 2014 IEEE/AIAA 33rd Digital Avionics Systems Conference. Colorado Springs, CO, USA. 2014. 1–16.

4ARINC 664P5-2005 Aircraft data network-part 5: Network domain characteristics and interconnection. Riva Road,Annapolis, Maryland: Aeronautical Radio Incorporated, 2005.

5ARINC: Commercial aircraft information security concepts of operation and process framework. Document ARINC Report 811. Aeronautical Radio Incorporated, 2005.

6Sethi AS, Hnatyshin VY. 計算機網絡仿真OPNET實用指南.北京: 機械工業出版社, 2014.

7ARINC 763-3-2005 Network server system (NSS). Aeronautical Radio Incorporated, 2005.

Cabin Network Architecture Design for Civil Aircraft Based on Ethernet

SHI Yu-Hang, LI Ming, DENG Zhen
(China Electronics Technology Avionics Co. Ltd., Chengdu 611731, China)

The cabin system is an important part of the civil aircraft avionics system, mainly consisting of the cabin core system, the airborne entertainment system and the external communication system. This paper designs an integrated network architecture to cover all cabin typical business senarios through the analysis of the typical cabin business services, the principle of cabin network design and the common devices in cabin application based on the existing ethernet technology. Then it also states detailed function requirements about important communicated devices in cabin networks,and uses OPNET software to get the simulation result to demonstrate the feasibility and superiority of the integrated network architecture designed in this paper.

civil aircraft; cabin system; network architecture; integrated design; ethernet technique; OPNET

施俞行,黎明,鄧振.基于以太網的民用飛機客艙網絡架構設計.計算機系統應用,2017,26(7):43–49. http://www.c-s-a.org.cn/1003-3254/5964.html

2016-11-08; 收到修改稿時間: 2017-02-15