AFDX 網絡系統監控設計與實現

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(1.清華大學 信息科學技術學院，北京 100083; 2.北京波爾通信技術股份有限公司，北京 100094)

0 引言

航空電子全雙工交換式以太網AFDX (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)是基于IEEE 802.3及TCP/IP協議發展而來的一種新型航空總線技術，通過數據完整性校驗、網絡冗余性管理、固定配置表、不同虛擬鏈路傳輸速率控制等方法保證了確定性的傳輸路徑及高可靠性的實時總線傳輸。這些突出的技術優勢使AFDX網絡已在空客A380、波音B787等大型商用飛機上進行了成功應用，未來也將一直成為主流的航空總線技術。隨著航空電子系統越來越多，AFDX網絡的復雜度日益提高，穩定可靠的AFDX網絡將會顯得十分重要[2-3]。如何對一個復雜的AFDX網絡系統進行有效的測試評估將會直接關系著航空網絡的順利發展。

文獻[4-6] 主要從端系統、交換端口、航空子系統等方面對AFDX網絡進行設計實現，拓展了AFDX網絡設計思路。

文獻[7-11]分別從終端系統數據收發、交換機延遲、網絡狀態監控等不同角度對AFDX網絡的穩定性、可靠性等指標進行了測試驗證，豐富了現有AFDX網絡的測試手段。

由于現在還沒有形成一個AFDX網絡的測試標準，當前行業內的采集方案更多偏向于數據層面的監控分析，對于物理層，尤其是虛擬鏈路實時性方面的分析診斷和評估能力不夠。

基于以上情況，本文通過設計AFDX網絡系統的實時監控系統重點闡述測試方法、實現方式及結果驗證。該系統具備較強的數據采集，存儲和分析能力，系統中采用的時間同步技術保障了整個系統時標的一致性，可以對大型的AFDX網絡進行監控，對分析整個網絡的實時性分析具有重大意義。

1 AFDX網絡系統

1.1 AFDX網絡系統組成

AFDX網絡系統主要由端系統(End System)、交換機(Switch)、虛擬鏈路(Virtual Link)組成[1]。AFDX網絡是一個全雙工異步網絡，采用星型拓撲結構，端系統是為機載電子系統數據的發送接收提供AFDX網絡和機載計算機之間的接口，端系統之間通過虛擬鏈路VL進行數據交換。每個虛鏈路定義兩個端系統之間的數據交換通道，虛鏈路規定了數據交換源端的IP地址、UDP端口和目的終端的IP地址、MAC地址、UDP端口等5個參數，其中1個源端可對應1個或多個目的終端，多條虛擬鏈路共用一條實際物理鏈路，并通過網絡中交換機進行多播交換。虛鏈路通過幀間隙管理，冗余管理，完整性管理等模式提升AFDX總線網絡的實時性和可靠性，通過靜態配置實現網絡傳輸路徑及傳輸時間的確定性。

1.2 AFDX協議數據幀

AFDX協議是建立在IEEE802.3通信協議基礎上的一種實時通信總線，主要使用UDP協議進行通信。AFDX協議數據幀主要包含幀間隔，前導碼(Preamble)，幀起始定界符(SFD)，鏈路層協議頭(MAC)，網絡層(IP)協議頭，應用層協議頭(UDP)，數據域，幀序列號(SN)，數據幀校驗字(CRC)。

圖1 ARINC 664數據包格式

1.3 AFDX網絡系統特點

1.3.1 數據傳輸實時高效

通過虛擬鏈路和固定帶寬有效保證了AFDX網絡系統數據傳輸的高實時性。

AFDX引入了基于時隙模式的數據傳輸規則，該規則規定了單位時間內某一個虛擬鏈路上可以傳輸的最大數據量。多個虛擬鏈路共用一組物理網絡。通過引入時隙模式，保障了在網絡中每個虛擬鏈路的帶寬，也就同時保證了虛擬鏈路的實時性。虛擬鏈路通過兩個參數保證計算虛擬鏈路的帶寬，BAG和Lmax。BAG表示在某一條虛擬鏈路上傳輸的數據幀之間的時間間隔，該間隔時間規定為：1 ms，2 ms，4 ms，8 ms，32 ms，64 ms，128 ms共計7中BAG值。Lmax規定為每個數據幀的最大字節數，長度不超過AFDX網絡最大數據幀字節數1 518字節。虛擬鏈路的速度計算公式為：Speed =Lmax/BAG，其中Speed代表每條虛擬鏈路最大傳輸速度。BAG代表數據幀的BAG值。BAG和Lmax的數值在組網時確定。

圖2 虛擬鏈路VL 參數BAG、Jitter

ARINC 664 協議要求如下[1]：

虛擬鏈路BAG值為1 ms、2 ms、4 ms、8 ms、16 ms、32 ms、64 ms、128 ms等8個中的1個。

控制抖動Jitter[1]：

注：Nbw=100 Mbps(或10 Mbps)，該參數值與實際物理網絡傳輸速度有關。

1.3.2 網絡穩定可靠

AFDX網絡作為一個確定性的網絡，主要通過兩個物理交換網絡實現冗余管理及對源端每條虛擬鏈路接收的數據進行完整性檢查保證了網絡傳輸的高穩定性和可靠性。

1.3.2.1 完整性檢查

針對每一個虛擬鏈路接收到的數據幀，通過判斷是否連續進行完整性檢查。AFDX協議規定[1]：每個虛擬鏈路VL發送的數據幀序號必須連續，從1到255依次進行循環(循環后第一個數據幀序號為0，循環模式為0->1->…->255->1->…)。序號為0及在本地復位邏輯發生后的第一個接收到的數據幀必須被接收。每一個數據幀的序列號保障了數據幀在網絡傳輸中的連續性，是網絡監控時的一個關鍵參數。

1.3.2.2 冗余管理

主要是對每一個虛擬鏈路接收的數據包序列號和通道號進行管理，將合格的數據包存儲后上傳至應用層。冗余管理建立在數據幀完整性檢查之后，采用時間優先原則，兩個通道中首先到達的數據包被接收存儲，另一個被丟棄。如果某時刻接收到的兩個數據幀時間差超過既定的值，則下一幀需要被接收。通過以上方法及規則實現網絡的冗余管理。

2 AFDX 網絡監控系統

2.1 AFDX網絡監控系統組成

由圖5所示，AFDX網絡監控系統主要由3部分組成：AFDX網絡監控設備、AFDX網絡數據匯聚設備、 AFDX網絡數據分析設備。

圖5 AFDX 網絡監控系統

采集設備和匯聚設備之間使用速率為5 Gbps的光纖進行數據通信。匯聚設備和數據分析設備通過萬兆網絡進行數據通信。

2.1.1 數據采集設備

數據采集設備負責對網絡上的數據進行采集，數據幀時標標注，采集數據上傳和故障隔離的工作。

2.1.2 數據匯聚設備

數據匯聚設備主要負責所有采集設備的數據存儲，以及對所有采集設備進行授時工作。

數據匯聚設備通過光纖和每個采集設備進行通信，時間同步信息也通過光纖進行傳遞。

2.1.3 數據分析設備

數據分析設備使用軟件對采集數據進行提取分析，評估整個AFDX網絡的性能。主要分析項目有：

1)數據幀監控：對ADFX網絡系統中傳輸的每個數據幀中的數據結構進行分析。可以對既定字段進行分析，也可以對指定字段進行提取分析；

2)虛擬鏈路特性：對每個虛擬鏈路的完整性參數BAG和Jitter分析；

3)交換機性能：通過每個數據幀通過交換機的時間，分析交換機對每個虛擬鏈路的交換時間；

4)狀態統計：統計每個終端，交換機以及虛擬鏈路的狀態信息。狀態信息主要有幀校驗錯誤數，數據幀錯誤狀態，物理鏈路的線速度，最大速度，最小速度；虛擬鏈路的當前速率，最大速率，最小速率等。

2.2 數據采集流程

2.2.1 數據采集方案

如圖6所示本方案中采集設備使用并聯方式通過旁路物理信號將網絡數據旁路到網絡監控設備進行采集，與傳統的串聯采集相比，該采集方案并不會對通信雙方造成影響。

圖6 AFDX數據采集方案

2.2.2 數據時標標注

實時性是AFDX網絡的一個重要特性。其中數據傳輸時間，虛擬鏈路的BAG和Jitter是體現實時性的重要參數。交換機評測的一個重要指標就是交換機的數據交換延時。由此可見時間參數對于分析AFDX網絡的重要性。所以數據采集設備會對每個數據幀進行時標標注。時標的標準來自于數據匯聚設備。時標是一個64位10 ns精度的時標。對于每一個數據幀采集設備都必須對數據幀進行時標標注。

圖7 AFDX 數據幀時標標注

3 關鍵技術

3.1 網絡監控技術

傳統的網絡監控技術主要使用串聯技術進行數據采集，也即將監控設備串聯到網絡中，將接收到的數據轉發到下一級設備。這樣做有兩個缺點：一是人為增加了網絡延時，二是因為引入采集設備，增強了網絡信號，會影響實際網絡的測試。

本方案采用并聯采集的網絡監控技術，該技術通過旁路物理信號的方式實現了網絡數據的采集。該采集方式克服了直接旁路數據造成物理層PHY通信交互錯誤問題，同時也實現了無延時直接捕獲網絡數據的功能。

3.2 時標同步技術

網絡數據時標的重要性已經在前面章節闡述。時標同步技術的最大難點在于時標授時方式和時標系統精度控制。

傳統時標授時方式主要是通過IRIG-B的方式進行授時，授時周期為1 s。授時精度不高，且每個授時周期內都需要對時標進行修正。另外IRIG-B設備成本較高，且需要對網絡中的每個采集設備都需要配置一臺，對于多臺設備進行授時極不便利。

本文的時標同步技術實現方式是通過數據匯聚設備將時間是信息下發到每個采集設備，所有采集設備使用來自于數據匯聚設備的時間信息對數據幀進行標注。授時精度將有很大提高。

4 監控方案驗證

4.1 數據幀監控

圖8所示為AFDX網絡監控系統中數據分析設備中分析AFDX數據幀的過程，分析設備通過分析每個數據幀的格式，將數據幀的時標信息，關鍵信息，以及錯誤狀態信息提取到索引信息欄。同時在第二欄對數據幀內容進行了詳盡的解析。

圖8 數據幀監控圖

4.2 BAG、Jitter 和完整性

BAG值和Jitter值是保障每個虛擬鏈路實時性的關鍵參數，所以在對網絡進行監控分析過程中，對于每個虛擬鏈路的數據幀的BAG值和Jitter進行分析可以有效地判斷當前虛擬鏈路的穩定性，進而判斷端系統的性能和交換機的數據時延穩定性。

完整性管理參數是虛擬鏈路數據傳輸穩定性的一個關鍵參數，該參數有效地保障了虛擬鏈路上傳輸的每個數據幀之間的連續性，也即保證了數據幀的完整性，該參數與BAG一起分析有利于更好地評估每個虛擬鏈路的狀態。

圖9 BAG Jitter和完整性參數監控圖

4.3 狀態監控

4.3.1 鏈路狀態監控

網絡狀態監控主要目的是通過對數據的監控輔助查看整個網絡的鏈路狀態，評估網絡性能。主要監控的狀態信息有幀校驗錯誤數，數據幀錯誤狀態，物理鏈路的線速度，最大速度，最小速度；虛擬鏈路的當前速率，最大速率，最小速率等。

通過圖10中對鏈路狀態的統計分析我們可以直觀地查看網絡中鏈路的狀態信息，可以對網絡狀態評估提供了極大的幫助。

圖10 鏈路狀態統計

4.3.2 數據幀傳輸時間監控

如圖11所示，AFDX數據幀經過每個采集設備的時間都進行標注。通過對數據進行時間標注，我們可以算得每個數據幀經過交換機的數據延時。通過分析每個數據幀在網絡中傳輸時間，可以很好地評估交換機的延時特性。

圖11 數據幀傳輸過程時標監控

5 結論

AFDX總線在國產大飛機項目C919中的成功應用，使得AFDX總線得到行業的廣泛認可。如何對一個成熟的AFDX網絡系統進行有效的評估，是目前業內的一個重要課題。本文基于并聯數據采集技術提出的網絡系統監控方案為AFDX網絡系統監控提供了較好的測試手段，可以有效地對AFDX網絡進行實時監控和記錄，通過對記錄數據的分析達到評估網絡的目的。通過實驗發現，該方案可以有效地對AFDX網絡的性能進行評估，豐富了后期AFDX網絡系統測試方法。