AFDX 航空總線仿真測試技術(shù)分析

黨春勃，剛占博

（1.空裝駐西安地區(qū)第一軍事代表室，陜西 西安710089；2.西安飛機工業(yè)集團有限責任公司，陜西 西安710089）

AFDX 是一種通過采用電信標準ATM 異步傳輸概念解決ⅠEEE802.3 以太網(wǎng)缺陷的網(wǎng)絡建構(gòu)模式。其主要特點在于，通過雙絞線對物理互聯(lián)煤質(zhì)進行全雙工連接，區(qū)分信號發(fā)送和接收通道。在此種交換網(wǎng)絡中，常規(guī)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出星形布局，在管理、擴展等方面的成本較低。通常情況下，一個交換機可以連接數(shù)十個終端，進而借助級聯(lián)的方式，完成更大規(guī)模網(wǎng)絡的構(gòu)建。

1 AFDX 網(wǎng)絡系統(tǒng)測試模式能夠解決的關(guān)鍵問題

AFDX 基于異步傳輸概念成功構(gòu)建了交換式以太網(wǎng)，形成了以交換式集線器或者交換機為中心，采用星型拓補結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡。在此種框架下，以太網(wǎng)的傳輸效率得到了明顯提升，解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)“總線競爭較為激烈”的痼疾。此種模式的主要原理為，使所有節(jié)點都連接在單一交換式集線器的多個端口上（前提在于，交換式集線器的內(nèi)部設置了一個極其復雜的交換陣列，使多個節(jié)點同時處于工作狀態(tài)時，集線器內(nèi)部不會出現(xiàn)程序性錯亂）。如此一來，交換式集線器任意兩個端口之間均具備了可靠的通信傳輸信道，從而以極快的速度完成數(shù)據(jù)信息傳輸。在解決了總線之間的資源競爭問題，極大地提升了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的信號傳輸效率的同時，AFDX 模式也存在無法輕易控制最大傳輸時延的缺點。

2 AFDX 網(wǎng)絡測試系統(tǒng)的功能性簡述

基于AFDX 的總線結(jié)構(gòu)布置模式主要包含終端、交換機、鏈路。此種模式表面上看并未脫離一般認知下的總線形式，但實質(zhì)上，AFDX 已經(jīng)成為一種新型以太網(wǎng)網(wǎng)絡通信信道布設概念。其中，交換機和終端（多種形式的智能設備或特定的網(wǎng)絡信號傳輸及接收設備）作為兩種最主要的構(gòu)成元素，其終端數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)信息交換過程借由VL 虛擬鏈路而實現(xiàn)。換言之，VL 虛擬線路實質(zhì)上的作用在于，構(gòu)成了從唯一的源端到其他（一個或多個）被賦予了目的性的終端之間，邏輯層面的單向連接。需要注意的是，任意一個虛擬鏈路同一時間只能存在一個源端，超出之后，信號的傳輸將會遭遇干擾，導致結(jié)果出現(xiàn)偏差。

在現(xiàn)代生活中，大眾經(jīng)常聽到“粉絲經(jīng)濟”“流量時代”等詞匯，但對于“流量”一詞真正的指代，絕大多數(shù)人往往缺乏了解。

2.1 網(wǎng)絡流量產(chǎn)生

所謂“網(wǎng)絡流量”，實質(zhì)上是網(wǎng)絡通信領(lǐng)域中的一項專業(yè)術(shù)語，特指從單一端口或冗余端口發(fā)出虛擬鏈路幀數(shù)量的能力。比如虛擬鏈路幀發(fā)送至一個端系統(tǒng)或是一個交換機，但如何保證信號信息傳輸質(zhì)量，需要仔細考量。目前，絕大多數(shù)端系統(tǒng)使用的程序基于UDP 協(xié)議，完成互相之間的通信。而AFDX 總線仿真測試技術(shù)必須完成對此類端口、端系統(tǒng)實際功能的模擬，經(jīng)由仿真測試技術(shù)，找到信號信息傳輸過程中可能遭遇的阻礙，進而提升實際應用系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。比如AFDX 總線仿真測試系統(tǒng)中，需要設置流量產(chǎn)生器，其針對的重點在于對網(wǎng)絡延時的精確性展開測試。但完成該功能的前提條件在于，發(fā)送測試數(shù)據(jù)信息系的同時，在幀有效負載中必須存在記錄特定時刻的精確時間“記號”；當測試端的某個或某幾個特定系統(tǒng)接收到該信號時，通過對此“時間戳信號”信息的讀取和解析，經(jīng)過橫向、縱向的雙重空間、時間對比后，即可精確計算出該在幀有效信號耗費在網(wǎng)絡傳輸過程中的全部時間，即網(wǎng)絡延時。由此可見，基于AFDX 測試系統(tǒng)判斷一個系統(tǒng)與硬件設施“契合度”的高低，一個不可忽視的重要因素正在于此。

2.2 網(wǎng)絡流量監(jiān)控

一個網(wǎng)絡如果處于信息接收狀態(tài)，則其需要對網(wǎng)絡中的所有數(shù)據(jù)幀進行捕捉及檢測，進而判斷一定時間內(nèi)，流經(jīng)該網(wǎng)絡的流量大小。在此過程中，系統(tǒng)完成“監(jiān)控→目標信號捕捉→信號解析”的過程，能夠找到故障（程序錯亂）的誘發(fā)因素，進而完成修復[1]。

2.3 網(wǎng)絡流量接收

若要完成該測試，AFDX 測試系統(tǒng)必須成功仿真出接收端系統(tǒng)。該過程的原理在于，虛擬鏈路上的信號必須時刻處于監(jiān)控狀態(tài)，必要時能夠隨時進行捕捉。常見的網(wǎng)絡流量接收測試方法為，在虛擬鏈路中投放一些特定的檢測信號（具備一定次序），當AFDX 接收系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)“異常”并成功捕捉信號后，對“序號”的連續(xù)性進行檢驗，從而判定網(wǎng)絡流量接收功能是否完善。

3 AFDX 航空總線仿真測試技術(shù)流程簡述

3.1 測試系統(tǒng)構(gòu)成

本文設置的AFDX 航空總線仿真測試技術(shù)，計算機操作系統(tǒng)選用windows XP（不選擇windows 7 及以上操作系統(tǒng)的原因在于，相比之下，XP 系統(tǒng)的兼容性已經(jīng)較為完善，系統(tǒng)程序補丁中攜帶的特定程序控制算法不會與仿真測試軟件及其他硬件設備出現(xiàn)“不兼容”的情況）、德國AⅠM 公司出品的fdXplorer 仿真測試軟件。主要硬件設備為與之配套的APⅠ-FDX-2 仿真測試板卡。與計算機連接后，首先完成程序安裝，經(jīng)測定無任何差錯后，搭建虛擬機載航空總線房展測試系統(tǒng)，構(gòu)成如下：①fdXplorer 仿真測試軟件在XP系統(tǒng)PC 計算機上成功安裝后，其主要功能在于監(jiān)控并分析通信信號是否能夠正常傳輸，并判定信號的傳輸穩(wěn)定性及質(zhì)量。②PC 主機中調(diào)用APⅠ-FDX-2 仿真測試板卡中自帶的APⅠ軟件庫，在調(diào)用操作之前，主機與仿真測試辦卡的連接必須“嚴絲合縫”。③主機系統(tǒng)驅(qū)動程序啟動，根據(jù)目標機實際顯示的內(nèi)容完成調(diào)試。比如出現(xiàn)調(diào)試接口，則表明監(jiān)控器軟件尚未完成安裝，軟件支撐并未達到既定要求；如果出現(xiàn)驅(qū)動程序-主機接口，則說明主機應用服務處理驅(qū)動程序自動安裝功能受到限制（部分或整體，需要仔細檢查），應該及時調(diào)整。④完成FDX 總線接口單元固件的安裝后，調(diào)試編碼器和譯碼器。⑤基于APⅠ-FDX-2 仿真測試板卡的AFDX航空總線仿真測試系統(tǒng)宣告安裝成功，可以展開測試。

3.2 測試過程及相關(guān)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 測試流程

測試的具體流程如下。

初始化程序以及APⅠ-FDX-2 仿真測試板卡之后，依次執(zhí)行APⅠ數(shù)據(jù)庫調(diào)用、板卡登陸、端口登陸。在此期間，需對板卡進行設置，包含發(fā)送方式（單一或冗余）以及位速率。

發(fā)送端口的設置方式為：發(fā)送端口映射ⅠD 需要加以識別，并對基于UDP 的發(fā)送方式或常規(guī)發(fā)送方式進行定義。UDP 方式設置的重點在于虛擬鏈路和自虛擬鏈路的特征必須鮮明，便于區(qū)分。此外，還需設置有效的負載數(shù)據(jù)。常規(guī)發(fā)送方式的設置重點在于定義普通發(fā)送方式的幀屬性，同樣需要設置有效的負載數(shù)據(jù)。

接收端的設置為：完成接收端的端口映射ⅠD 識別，定義虛擬鏈路以及按時間順序兩種接收方式。針對虛擬鏈路的重點為，定義接收的虛擬鏈路以及UDP 接收端口。針對按時間順序監(jiān)控的設置為，圍繞數(shù)據(jù)信息的捕捉及識別方式進行定義。

上述功能設置及調(diào)試完全無誤后，依次執(zhí)行“信號發(fā)送”“信號接收”“過程觀察”。三項操作的重點依次為循環(huán)發(fā)送或指定次數(shù)發(fā)送信號，立即發(fā)送或間隔一段時間后再次發(fā)送；接收信號后，根據(jù)實際情況啟動或關(guān)閉統(tǒng)計功能；觀察發(fā)送端、接收端處于何種工作狀態(tài)，信號接收穩(wěn)定程度是否處于正常范圍內(nèi)，捕捉的數(shù)據(jù)信息是否達到目標要求。

3.2.2 基于測試結(jié)果的數(shù)據(jù)信息分析

普通發(fā)送方式與按時間順序接收方式的設置方式：在普通發(fā)送方式之下，按時間順序接收信號，測試結(jié)果為基于AFDX 幀的傳輸序列具備最大的靈活性。本研究開展期間，研究組內(nèi)5 名成員分別設定3 組完全不同的參數(shù)（共計15組），在多次測試的過程中，幀間間隔、特定目標信號捕捉、錯誤信息反饋、偏斜時間等均達到理想狀態(tài)，所有AFDX幀信號均完成了回收。此外，不同的測試者圍繞接收幀的類型和具體時間進行調(diào)整后，依然能夠在常規(guī)檢測時間內(nèi)完成對目標幀信號的捕捉。

錯誤信息（干擾信號）接入后，系統(tǒng)的觸發(fā)捕捉功能設置方式：為了更加清晰地判斷AFDX 航空總線仿真測試系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，研究組特別設置了“錯誤注入信息”，并圍繞該幀信號的特點，更改了APⅠ-FDX-2 仿真測試板卡以及fdXplorer 仿真測試軟件中有關(guān)發(fā)現(xiàn)并捕捉該信號的方式。具體內(nèi)容為在P1 信號發(fā)射端口維持穩(wěn)定信號發(fā)出狀態(tài)的情況下，在與之相連的任意一個虛擬鏈路幀信號中注入多種類型（帶有不同記號）的“錯誤”幀信號，觀察接收端的反應。fdXplorer 仿真測試軟件虛擬的異常信號監(jiān)控系統(tǒng)能夠在極短時間內(nèi)加以識別并判定。由此可見AFDX 航空總線仿真技術(shù)能夠良好地發(fā)揮作用。

4 結(jié)語

目前，航空電子系統(tǒng)仿真測試中，ARⅠNC629 航空數(shù)據(jù)總線主要采用兩種技術(shù)：軍用的1553B 及民用的ARⅠNC429。基于AFDX 航空總線仿真測試技術(shù)對上述兩種總線進行檢測時，均在不同程度上發(fā)現(xiàn)了缺點。1553B 的總線系統(tǒng)存在潛在的單點故障，可靠性較低；ARⅠNC429 只有429 總線一個信息源，性能不佳。基于此，基于AFDX 的航空總線仿真技術(shù)對于航空電子系統(tǒng)設計具有重要意義。