AFDX匯流排協定規範

AFDX 匯流排協定規範

1、概述

2、 AFDX簡介

3、AFDX的在數據傳輸性能的改進

3.1 AFDX乙太網幀格式

3.2 AFDX乙太網冗餘備份

3.3 虛擬連線

3.4 數據交換處理

4、航空計算機網路系統組成設計

4.1 航空子系統

4.2 AFDX終端系統

4.3 AFDX網際網路

5、 基於AFDX航空計算機網路的性能分析

6、總結

套用

針對大型客機飛行關鍵項目和乘客娛樂等設施的複雜航空電子系統的不斷增加，需要大量增加飛機上的航空匯流排的頻寬、提高服務質量等問題，介紹了一種採用航空電子全雙工通信乙太網交換（AFDX）的解決方案。該方案是基於商業乙太網標準，採用目前已被廣泛接受的IEEE802.3/IP/UDP協定，並增加了特殊的功能來保證頻寬和服務質量，實現了低成本的快速開發。該方案還可以簡化布線，減輕飛機重量，易於航空電子子系統的維護升級等。

隨著飛行關鍵項目和乘客娛樂等設施的複雜航空電子系統的不斷增加，需要大量增加飛機上的數據匯流排的頻寬，傳統的航空匯流排如ARINC429等傳輸頻寬只有100KHZ,遠遠不能滿足要求，而ARINC629因價格昂貴，使飛機製造商的難以接受；因此需要以最小的代價和實現成本進行快速開發。

雖然IEEE802.3乙太網提供高速和低成本的匯流排，並具有廣泛商業的用途；但是它不能提供航空電子系統所需的魯棒性，主要原因是IEEE802.3乙太網是半雙工模式的乙太網，這種乙太網存在的問題是：當多台主機被同時連線到同一個通訊媒介（如同軸電纜等），並且沒有中心協調機制，這就有可能出現兩台主機同時傳輸數據的情況，這時就會出現傳輸“衝突”，因此需要主機能檢測到衝突，當衝突發生時，每個主機要對它們的數據進行重傳。很明顯，仍然可能再次出現在同一時間傳輸的情況，因此又會再次出現“衝突”。由於沒有中央控制的乙太網，理論上可能出現數據包不斷重複的傳輸“衝突”，這就意味著在試圖傳輸單個數據包時，有可能出現無限制的衝突鏈，從而使這個包可能永遠無法成功傳輸。由此可見，在半雙工模式，很可能出現因為衝突而導致了大量的數據包傳輸延遲。因此，無法作為套用於要求實時性高、可靠性高和頻寬大的新一代航空匯流排。新一代航空匯流排需要一個這樣的體系結構：這個結構就是讓最大量的時間被用來把一系列數據包傳遞到一個已知的目的地，這意味著要擺脫系統的衝突。

為此，波音和空客公司通過已經實現商業用途的乙太網技術來建立下一代航空數據匯流排，這項研究促使航空電子全雙工通信乙太網（AFDX）交換機的誕生。AFDX是基於IEEE802.3乙太網通訊技術來實現的，但是增加了特殊的功能來保證頻寬和服務質量。

簡介

航空電子全雙工通信乙太網交換（AFDX) 是一個基於標準定義的電子和協定規範（IEEE802.3和ARINC 664 Part7）用來航空子系統之間進行數據交換。空客公司開始致力於定義一個具有魯棒性的下一代航空數據交換網路（ADN）用於A380，AFDX套用於這種特殊的網路，適用於ARINC664匯流排。它提供一個高達24個終端系統的星形拓撲來連線從一個交換機橋接到其它的交換機內部網路。這個穩定性的網路允許連線冗餘（雙物理連線）來保證頻寬和服務質量。AFDX還允許連線到其它的標準匯流排如ARINC429或者MIL-STD-1553等到網路，並且允許通過網關和路由與其他的適應ARINC-664但非確定的網路進行通訊。AFDX地址沒有採用IEEE802.3乙太網標準，而是採用電信標準的異步傳輸模式的概念，這種對乙太網標準的擴展使得在確定的網路中保證頻寬和服務質量成為可能。

性能改進

3.1 AFDX乙太網幀格式：

AFDX數據包幀格式與IEEE802.3乙太網的幀格式基本相同，AFDX幀格式如圖所示，目標地址和源端地址包含著終端的MAC地址，事實上IP位址信息包含在IP結構模組中。UDP結構區別套用連線埠，AFDX信息有效載荷為17到1471數據。虛擬路徑是通過1位元組的序列號接來提供，它在乙太網幀協定的校驗和之前，範圍可以是從1到255，當到達255後翻轉到1，序列號0是保留對終端系統的復位。

AFDX網路地址是基於終端的MAC地址，ARINC664沒有特別的規則來分配MAC地址，這個任務留給系統管理者來完成，但必須遵從IEEE802.3說明的本地管理規範。例如：在波音飛機的套用中，16位全部都可以用來設定的；而在空客的套用中，只有低12位被用到，而高4位均被置零。源端地址必須唯一，源端地址包含用來區別兩個連線的冗餘網路的MAC地址，目標地址是一個多播地址，包含16位的虛擬連線標識符。

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圖2 AFDX乙太網幀協定格式

3.2 AFDX乙太網冗餘備份：

為避免可能因交換機某一網路出現故障而無法正常通訊，在AFDX系統中有兩個獨立的交換網路（如圖所示）——A網路和B網路，每個包通過終端系統同時傳送到這兩個網路，因此正常情況下每個終端系統將會收到兩個包，終端系統通過數據包的序列號來區別數據包來自A網路還是B網路，並檢查數據包的幀校驗序列來決定是否採用還是丟棄該幀。通過對數據進行冗餘管理，就可以很好的保證數據包安全準確地傳輸到目的地，也就是提高了服務質量。

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圖3 AFDX網路冗餘連線

3.3 虛擬連線

AFDX網路的核心是虛擬連線（virtual link）。每個虛擬連線建立了一個從源終端系統到多個目標終端系統的無方向的邏輯部分，每一個虛擬連線都分配一定的頻寬配額，虛擬連線的數量是由一個完整的系統來定義的。創建虛擬連線的總頻寬不能超過網路最大的可用頻寬。對於不太重要的通訊網路，AFDX允許建立子虛擬連線（sub-VLs），雖然頻寬對虛擬連線是有保證的，但對子虛擬連線是沒有保證的。

如圖所示：當源端系統（1）把一個（VLID）= 100的虛擬連線識別碼的乙太網幀傳送到乙太網中，AFDX交換機把這個乙太網幀轉發到指定目標終端系統（2和3），終端系統（2和3）能同時收到來自終端系統1的乙太網幀。也就是說多個虛擬連線能同時接收來自同一個終端系統的信息，並且每個虛擬連線也可以從一個或多個通信連線埠獲取信息。

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3.4 數據交換處理

通過AFDX可以確定數據包傳送和接收的時間，從而消除半雙工可能出現的傳輸衝突。如下圖1所示：每個航空子系統如自動駕駛、抬頭顯示等直接連線到由兩組雙絞線組成的全雙工交換機。其中一組雙絞線是用來傳輸，另一組雙絞線是用來接收，交換機能夠同時對傳送和接收的數據包進行緩衝。

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圖1、

AFDX交換機的接收和傳送緩衝區裡面都能夠根據先入先出的原則存儲大量的對輸入/輸出數據包。I/O處理單元（CPU）把數據報從輸入的接收緩衝區轉移到輸出傳輸緩衝區，通過檢查下一行接收緩衝區到達的數據包，來決定他的目標地址（虛擬連線標誌），並查找轉發列表來決定從哪個傳送緩衝區來接收這個數據包。通過存儲匯流排和傳輸（FIFO）順序，將數據包拷貝到該傳送緩衝區，通過傳送緩衝區把數據傳送到航空子系統或其它交換機中。這種涉及到存儲轉發體系結構的全雙工交換機排除了半雙工乙太網遇到的問題，簡單的說就是消除了衝突。

組成設計

如圖1所示，一個AFDX系統由以下部分組成

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圖4、AFDX系統組成

4.1 航空子系統

傳統飛機上的航空子系統如飛行控制計算機、全球定位系統、壓力疲勞監視系統等等，航空電子計算機系統為航空子系統提供一個計算環境，每個航空計算機系統包含嵌入式終端系統，並把航空子系統連線到一個AFDX網際網路。

4.2 AFDX終端系統

在航空子系統和AFDX網際網路之間提供一個“接口”。每個航空子系統的終端系統接口保證與其他航空子系統進行安全可靠的數據交換。這個接口為各種航空子系統提供了套用編程接口（API），使他們能夠通過一個簡單的接口進行會話。

4.3 AFDX網際網路

一個全雙工交換乙太網，通常由一個乙太網交換機把乙太網幀數據傳輸到合適的目的地。AFDX網際網路的乙太網交換技術是一個有別於傳統的單工的ARINC429 、點到點的技術和MIL—STD—1553匯流排技術。在AFDX的航空網路系統中（如圖4）所示，兩個終端系統提供分別為3個航空子系統一個通訊接口，第三個終端系統為套用網關提供了接口；同時它也為其他航空子系統之間提供通訊通道和擴展IP網路，專門用來進行數據的下載和登入。

性能分析

首先我們簡單通過頻寬、通信模式、終端數量等，對各種不同類型的匯流排進行對比如下表所示：

匯流排技術	ARINC 429	1553B	ARINC 629	Ethernet	AFDX
頻寬（HZ）	100KB	1MB	2MB	1GB	100MB
通信模式	單工	半雙工	半雙工	半雙工	全雙工
終端數量	20個	32個	120個	不限	不限（理論上）
走線難度	複雜	中等	中等	簡單	簡單
價格成本	較低	較高	高	低	較低
可靠性	較高	較高	較高	低	高

通過我們可以通過框圖對各種匯流排的價格進行比較，我們可以看到，與傳統的匯流排相比，AFDX有以下優勢：

（1）有保證的服務質量：與傳統的乙太網相比，AFDX的延時時間短，服務質量更高。

（2）AFDX的傳輸速率高：頻寬100MHZ，遠遠高於其他的類型的航空匯流排。

（3）AFDX網路的魯棒性高：AFDX的雙冗餘備份網路可以在某一個網路出現故障時，仍能正常通訊。

（4）簡化走線難度：以往的航空匯流排系統中所有的設備之間必須通過雙絞線相連，才能正常通訊；而使用AFDX，如圖4所示，每個端點不需要單獨連線到內部平台，每個終端只要與交換機直接相連，而不管網路內部平台有多少個端點，這樣就在很大程度上減少走線，因此也可以減輕飛機的重量。

（5）終端子系統數量不受限制：如在ARINC429，一個傳送源端最多只能有20個接收者，在MIL-STD-1553匯流排，一個BC最多只能連線32個RT;而AFDX，從網路內部平台連線的航空子系統的數量只跟交換機連線埠的數量有關，很容易滿足增加子系統的需求。

（6）成本低：它通過已經實現商業用途的乙太網技術進行開發，在很大程度上縮短了開發周期，和生產成本。

6、總結：

通過對AFDX的協定進行分析和比較，證明採用AFDX的航空計算機網路，可以提供更大更穩定的傳輸頻寬，改善數據傳輸的服務質量（QoS）。同時使用AFDX還可以減少航空計算機網路間的布線，從而減輕了飛機的重量；此外，基於AFDX的網路拓撲非常靈活，可以很容易對飛機的子系統進行更新和增加，這樣就可以很方便對飛機進行升級和維護，對我國大飛機的計算機網路的設計具有一定的參考價值。