基于AFDX的航空计算机网络

基于AFDX的航空计算机网络应用研究

摘要：针对大型客机飞行关键项目和乘客娱乐等设施的复杂航空电子系统的不断增加，需要大量增加飞机上的航空总线的带宽、提高服务质量等问题，介绍了一种采用航空电子全双工通信以太网交换（AFDX）的解决方案。该方案是基于商业以太网标准，采用目前已被广泛接受的IEEE802.3/IP/UDP协议，并增加了特殊的功能来保证带宽和服务质量，实现了低成本的快速开发。该方案还可以简化布线，减轻飞机重量，易于航空电子子系统的维护升级等。 关键词：航空总线，全双工通讯以太网交换，带宽，服务质量 0 引言：

随着飞行关键项目和乘客娱乐等设施的复杂航空电子系统的不断增加，需要大量增加飞机上的数据总线的带宽，传统的航空总线如ARINC429等传输带宽只有100KHZ,远远不能满足要求，而ARINC629因价格昂贵，使飞机制造商的难以接受；因此需要以最小的代价和实现成本进行快速开发。

虽然IEEE802.3以太网提供高速和低成本的总线，并具有广泛商业的用途；但是它不能提供航空电子系统所需的鲁棒性，主要原因是IEEE802.3以太网是半双工模式的以太网，这种以太网存在的问题是：当多台主机被同时连接到同一个通讯媒介（如同轴电缆等），并且没有中心协调机制，这就有可能出现两台主机同时传输数据的情况，这时就会出现传输“冲突”，因此需要主机能检测到冲突，当冲突发生时，每个主机要对它们的数据进行重传。很明显，仍然可能再次出现在同一时间传输的情况，因此又会再次出现“冲突”。由于没有中央控制的以太网，理论上可能出现数据包不断重复的传输“冲突”，这就意味着在试图传输单个数据包时，有可能出现无限制的冲突链，从而使这个包可能永远无法成功传输。由此可见，在半双工模式，很可能出现因为冲突而导致了大量的数据包传输延迟。因此，无法作为应用于要求实时性高、可靠性高和带宽大的新一代航空总线。新一代航空总线需要一个这样的体系结构：这个结构就是让最大量的时间被用来把一系列数据包传递到一个已知的目的地，这意味着要摆脱系统的冲突。

为此，波音和空客公司通过已经实现商业用途的以太网技术来建立下一代航空数据总线，这项研究促使航空电子全双工通信以太网（AFDX）交换机的诞生。AFDX是基于IEEE802.3以太网通讯技术来实现的，但是增加了特殊的功能来保证带宽和服务质量。 1 AFDX简介

航空电子全双工通信以太网交换（AFDX) 是一个基于标准定义的电子和协议规范（IEEE802.3和ARINC 664 Part7）用来航空子系统之间进行数据交换[1]。空客公司开始致力于定义一个具有鲁棒性的下一代航空数据交换网络（ADN）用于A380，AFDX应用于这种特殊的网络，适用于ARINC664总线。它提供一个高达24个终端系统的星形拓扑来连接从一个交换机桥接到其它的交换机内部网络。这个稳定性的网络允许连接冗余（双物理连接）来保证带宽和服务质量。AFDX还允许连接到其它的标准总线如ARINC429或者MIL-STD-1553等到网络，并且允许通过网关和路由与其他的适应ARINC-664但非确定的网络进行通讯[2]。AFDX地址没有采用IEEE802.3以太网标准，而是采用电信标准的异步传输模式的概念，这种对以太网标准的扩展使得在确定的网络中保证带宽和服务质量成为可能。 2 AFDX的在数据传输性能的改进 1.1 AFDX以太网帧格式：

AFDX数据包帧格式与IEEE802.3以太网的帧格式基本相同，AFDX帧格式如图所示，目标地址和源端地址包含着终端的MAC地址，事实上IP地址信息包含在IP结构模块中。UCP结构区

别应用端口，AFDX信息有效载荷为17到1471数据。虚拟路径是通过1字节的序列号接来提供，它在以太网帧协议的校验和之前，范围可以是从1到255，当到达255后翻转到1，序列号0是保留对终端系统的复位。

AFDX网络地址是基于终端的MAC地址，ARINC664没有特别的规则来分配MAC地址，这个任务留给系统管理者来完成，但必须遵从IEEE802.3说明的本地管理规范。例如：在波音飞机的应用中，16位全部都可以用来设置的；而在空客的应用中，只有低12位被用到，而高4位均被置零。源端地址必须唯一，源端地址包含用来区别两个连接的冗余网络的MAC地址，目标地址是一个多播地址，包含16位的虚拟连接标识符[3]。

7字节帧头1字节初始帧分隔符6字节目标地址6字节源地址2字节IPV4类型20字节IP结构8字节UDP 结构17~1741字节AFDX有效信息1字节序列号4字节帧校验序列12字节帧间隔 图2 AFDX以太网帧协议格式

1.2 AFDX以太网冗余备份：

为避免可能因交换机某一网络出现故障而无法正常通讯，在AFDX系统中有两个独立的交换网络（如图所示）——A网络和B网络，每个包通过终端系统同时发送到这两个网络，因此正常情况下每个终端系统将会收到两个包，终端系统通过数据包的序列号来区别数据包来自A网络还是B网络，并检查数据包的帧校验序列来决定是否采用还是丢弃该帧。通过对数据进行冗余管理，就可以很好的保证数据包安全准确地传输到目的地，也就是提高了服务质量。

B网络单个虚拟连接终端发送A网络单个虚拟连接终端接收 图3 AFDX网络冗余连接

1.3 虚拟连接

AFDX网络的核心是虚拟连接（virtual link）。每个虚拟连接建立了一个从源终端系统到多个目标终端系统的无方向的逻辑部分，每一个虚拟连接都分配一定的带宽配额，虚拟连接的数量是由一个完整的系统来定义的。创建虚拟连接的总带宽不能超过网络最大的可用带宽。对于不太重要的通讯网络，AFDX允许建立子虚拟连接（sub-VLs），虽然带宽对虚拟连接是有保证的，但对子虚拟连接是没有保证的[1]。

如图所示：当源端系统（1）把一个（VLID）= 100的虚拟连接识别码的以太网帧发送到以太网中，AFDX交换机把这个以太网帧转发到指定目标终端系统（2和3），终端系统（2和3）能同时收到来自终端系统1的以太网帧。也就是说多个虚拟连接能同时接收来自同一个终端系统的信息，并且每个虚拟连接也可以从一个或多个通信端口获取信息。

以太网帧 终端系统1VL ID 100源端VL ID 100VL ID 100VLID: 虚拟连接地址 终端系统2终端系统3目标端目标端

1.4 数据交换处理

通过AFDX可以确定数据包发送和接收的时间，从而消除半双工可能出现的传输冲突。如下图1所示：每个航空子系统如自动驾驶、抬头显示等直接连接到由两组双绞线组成的全双工交换机。其中一组双绞线是用来传输，另一组双绞线是用来接收，交换机能够同时对发送和接收的数据包进行缓冲。

AFDX交换机转发表I/O处理单元（CPU）存储总线Rx缓冲区Tx缓冲区Rx缓冲区Tx缓冲区Rx缓冲区Tx缓冲区全双工数据连接终端系统自动驾驶终端系统抬头指示终端系统其它子系统航空子系统

图1、

AFDX交换机的接收和发送缓冲区里面都能够根据先入先出的原则存储大量的对输入/输出数据包。I/O处理单元（CPU）把数据报从输入的接收缓冲区转移到输出传输缓冲区，通过检查下一行接收缓冲区到达的数据包，来决定他的目标地址（虚拟连接标志），并查找转发列表来决定从哪个发送缓冲区来接收这个数据包。通过存储总线和传输（FIFO）顺序，将数据包拷贝到该发送缓冲区，通过发送缓冲区把数据发送到航空子系统或其它交换机中[2]。这种涉及到存储转发体系结构的全双工交换机排除了半双工以太网遇到的问题，简单的说就是消除了冲突。

3、航空计算机网络系统组成设计：

如图1所示，一个AFDX系统由以下部分组成

航空计算机系统控制器传感器计算器航空子系统终端系统航空计算机系统控制器传感器计算器AFDX互联网航空子系统终端系统终端系统Internet网关航空计算机系统

图4、AFDX系统组成

3.1 航空子系统

传统飞机上的航空子系统如飞行控制计算机、全球定位系统、压力疲劳监视系统等等，航空电子计算机系统为航空子系统提供一个计算环境，每个航空计算机系统包含嵌入式终端系统，并把航空子系统连接到一个AFDX互联网。 3.2 AFDX终端系统

在航空子系统和AFDX互联网之间提供一个“接口”。每个航空子系统的终端系统接口保证与其他航空子系统进行安全可靠的数据交换。这个接口为各种航空子系统提供了应用编程接口（API），使他们能够通过一个简单的接口进行会话。 3.3 AFDX互联网

一个全双工交换以太网，通常由一个以太网交换机把以太网帧数据传输到合适的目的地。AFDX互联网的以太网交换技术是一个有别于传统的单工的ARINC429 、点到点的技术和MIL—STD—1553总线技术。在AFDX的航空网络系统中（如图4）所示，两个终端系统提供分别为3个航空子系统一个通讯接口，第三个终端系统为应用网关提供了接口；同时它也为其他航空子系统之间提供通讯通道和扩展IP网络，专门用来进行数据的下载和登陆。

4 基于AFDX航空计算机网络的性能分析

首先我们简单通过带宽、通信模式、终端数量等，对各种不同类型的总线进行对比如下表所示： 总线技术 带宽（HZ） 通信模式 终端数量 走线难度 价格成本 可靠性 ARINC 429 100KB 单工 20个 复杂 较低 较高 1553B 1MB 半双工 32个 中等 较高 较高 ARINC 629 2MB 半双工 120个 中等 高 较高 Ethernet 1GB 半双工 不限 简单 低 低 AFDX 100MB 全双工 不限（理论上） 简单 较低 高 通过我们可以通过框图对各种总线的价格进行比较，我们可以看到，与传统的总线相比，AFDX由以下优势：

（1）有保证的服务质量：与传统的以太网相比，AFDX的延时时间短，服务质量更高。 （2）AFDX的传输速率高：带宽100MHZ，远远高于其他的类型的航空总线。

（3）AFDX网络的鲁棒性高：AFDX的双冗余备份网络可以在某一个网络出现故障时，仍能

正常通讯。

（4）简化走线难度：以往的航空总线系统中所有的设备之间必须通过双绞线相连，才能正常通讯；而使用AFDX，如图4所示，每个端点不需要单独连接到内部平台，每个终端只要与交换机直接相连，而不管网络内部平台有多少个端点，这样就在很大程度上减少走线，因此也可以减轻飞机的重量。

（5）终端子系统数量不受限制：如在ARINC429，一个发送源端最多只能有20个接收者，在MIL-STD-1553总线，一个BC最多只能连接32个RT;而AFDX，从网络内部平台连接的航空子系统的数量只跟交换机端口的数量有关，很容易满足增加子系统的需求。

（6）成本低：它通过已经实现商业用途的以太网技术进行开发，在很大程度上缩短了开发周期，和生产成本。

5 总结：

本文通过对AFDX的协议进行分析和比较，证明采用AFDX的航空计算机网络，可以提供更大更稳定的传输带宽，改善数据传输的服务质量（QoS）。同时使用AFDX还可以减少航空计算机网络间的布线，从而减轻了飞机的重量；此外，基于AFDX的网络拓扑非常灵活，可以很容易对飞机的子系统进行更新和增加，这样就可以很方便对飞机进行升级和维护，对我国大飞机的计算机网络的设计具有一定的参考价值。