趙文龍，張杰，曹峰，李峭

(1.中航工業(yè)雷達與電子設(shè)備研究院，蘇州 215151；2.北京航空航天大學(xué))

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趙文龍1，張杰1，曹峰1，李峭2

(1.中航工業(yè)雷達與電子設(shè)備研究院，蘇州 215151；2.北京航空航天大學(xué))

隨著航空需求的不斷提高，傳統(tǒng)的航空總線已經(jīng)不能滿足新一代航空電子系統(tǒng)對高速數(shù)據(jù)通信的要求，AFDX成為下一代航空電子數(shù)據(jù)通信總線，基于此，提出并實現(xiàn)一種基于AFDX總線的可靠文件傳輸機制。經(jīng)實驗驗證，該機制具有較高的安全性、可靠性。

航空總線；AFDX總線；文件傳輸機制

引　言

AFDX是一種基于普通以太網(wǎng)、具有冗余管理的航空電子全雙工交換式航空總線[1]，在實時性和可靠性等方面有很大改進，并增加了特殊功能來保證網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)低成本的快速開發(fā)，能夠更好地適應(yīng)航空電子需求，是一種確定性網(wǎng)絡(luò)。通過使用虛擬鏈路技術(shù)模擬了一個點到點、具有確定性QoS保證的網(wǎng)絡(luò)，并通過并行冗余結(jié)構(gòu)來提高網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性[2-3]。

1　AFDX簡介

1.1AFDX網(wǎng)絡(luò)組成

AFDX協(xié)議[4]主要參考商用TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)，與OSI/RM的7層模型比較，具有更強的針對性，明確地定義了各個層次的功能與標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)

AFDX協(xié)議主要分應(yīng)用層、UDP協(xié)議層、IP協(xié)議層、MAC層與物理層，提供服務(wù)接入點SAP、隊列Queue、采樣端口Sample等端口類型以適應(yīng)不同類型數(shù)據(jù)的傳輸，使用了TCP/IP中的UDP和IP協(xié)議，AFDX的以太網(wǎng)MAC層與普通以太網(wǎng)有較大區(qū)別，增加了流量整形和虛擬鏈接調(diào)度等實時數(shù)據(jù)傳輸保證機制。AFDX總線在網(wǎng)絡(luò)中通過終端系統(tǒng)標(biāo)識來識別，終端系統(tǒng)標(biāo)識包括域ID、邊ID和位置ID。域ID表示終端系統(tǒng)屬于哪個域(子網(wǎng))；邊ID表示終端系統(tǒng)在數(shù)據(jù)域里的哪一側(cè)；位置ID表示終端系統(tǒng)在域里的相對位置。域ID、邊ID 和位置ID 按一定規(guī)則組成AFDX網(wǎng)絡(luò)IP地址及MAC地址。

1.2AFDX虛擬鏈接

AFDX的虛擬鏈接調(diào)度機制包含在鏈路層中，虛擬鏈接調(diào)度機制通過有效分割帶寬資源，可實現(xiàn)100 Mbps鏈接速率的物理層，支持多個虛擬鏈接，最多可支持4 096條虛擬鏈路[3]。在共用一個物理帶寬時，為了防止不同虛擬鏈接發(fā)生沖突和干擾，AFDX設(shè)計了虛擬鏈接調(diào)度機制。

1.3AFDX冗余管理

AFDX的冗余管理機制包含在鏈路層中，其設(shè)置保證了數(shù)據(jù)報文傳輸?shù)目煽啃裕谝粋€AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通常有兩個獨立的虛擬交換網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B，每一幀在AFDX端口都分別被發(fā)送到兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)中，接收端同時接收到描述同一幀信息的數(shù)據(jù)包[5]。從鏈路層傳輸過來的數(shù)據(jù)幀首先要進行完整性檢查，只有當(dāng)序列號滿足時才會將該數(shù)據(jù)幀提交至冗余管理處理模塊，接收端的冗余管理模塊將接收到的幀與其冗余幀進行比較，確定是否接收該幀。

1.4AFDX數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

圖3　AFDX 端系統(tǒng)工作流程

AFDX數(shù)據(jù)幀源端和目的端包含著源/目的MAC地址，其IP地址信息包含在內(nèi)部IP結(jié)構(gòu)模塊中。UDP結(jié)構(gòu)區(qū)別于應(yīng)用端口，AFDX信息有效載荷為17～1471數(shù)據(jù)。虛擬路徑通過一個字節(jié)的序列號來提供，它位于幀協(xié)議校驗和之前，范圍在1～255，當(dāng)?shù)竭_255后翻轉(zhuǎn)到1，序列號0保留著對EndSystem端的系統(tǒng)復(fù)位。AFDX的網(wǎng)絡(luò)地址由系統(tǒng)任務(wù)管理者來分配基于EndSystem的MAC地址。源端EndSystem必須在AFDX交換網(wǎng)絡(luò)中唯一識別，源端地址包含用來區(qū)別兩個冗余鏈接網(wǎng)絡(luò)的MAC地址，目的端地址為一個或多個MAC地址，并包含16位虛擬連接標(biāo)識符。

1.5AFDX通信端口類型

AFDX基于先進先出的原則，根據(jù)采樣、隊列、Sap類型通過發(fā)送和接收緩沖區(qū)來存儲輸入/輸出數(shù)據(jù)，其I/O模塊把數(shù)據(jù)幀從輸入的接收緩沖區(qū)轉(zhuǎn)移至輸出的緩沖區(qū)中，并由交換網(wǎng)絡(luò)確定檢查下一幀接收Buffer到達的數(shù)據(jù)包來決定它的目的IP，并依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系配置表決定由確定鏈路的發(fā)送輸入Buffer來接收數(shù)據(jù)幀。通過存儲總線和傳輸FIFO順序，將數(shù)據(jù)幀拷貝至待發(fā)送Buffer，通過發(fā)送Buffer把數(shù)據(jù)發(fā)送至航電系統(tǒng)或交換機。

2　AFDX終端系統(tǒng)

2.1AFDX終端軟件接口

圖2　終端軟件接口示意圖

AFDX終端模塊的軟件接口包括與主處理模塊和與AFDX網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口。接口示意圖見圖2。主處理模塊與終端系統(tǒng)采用PCI接口，應(yīng)用軟件通過調(diào)用AFDX驅(qū)動軟件提供的API進行AFDX數(shù)據(jù)收發(fā)；當(dāng)應(yīng)用軟件調(diào)用驅(qū)動軟件的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)時，數(shù)據(jù)從應(yīng)用軟件通過PCI拷貝到終端發(fā)送緩沖Buffer中；當(dāng)終端接收到數(shù)據(jù)后，接收數(shù)據(jù)緩存在終端的接收緩沖區(qū)Buffer中，只有應(yīng)用軟件調(diào)用驅(qū)動軟件接收數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)才從終端的緩沖區(qū)Buffer通過PCI拷貝給應(yīng)用程序內(nèi)存空間。

2.2AFDX終端系統(tǒng)工作流程

AFDX終端系統(tǒng)工作流程(發(fā)送流程、接收流程)如圖3所示。

2.2.1發(fā)送流程

如圖3所示，在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，應(yīng)用程序調(diào)用驅(qū)動API接口將消息寫入AFDX端口；在UDP傳輸層對消息添加UDP頭；在IP網(wǎng)絡(luò)層接收UDP包，并決定是否需要分組，并在每個分組內(nèi)添加IP頭、IP校驗碼；在IP層添加以太網(wǎng)頭，并把以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀添加到相應(yīng)的虛擬鏈路VL緩沖區(qū)中待發(fā)送。數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)調(diào)度以太網(wǎng)幀的發(fā)送、添加序列號、放置到冗余管理模塊單元，另外，冗余管理模塊單元對待發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進行復(fù)制、發(fā)送。

2.2.2接收流程

數(shù)據(jù)接收過程中，數(shù)據(jù)鏈路層首先對接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進行幀校驗序列正確性檢查，然后進行AFDX幀的完整性檢測，最后進行冗余管理后將IP數(shù)據(jù)包發(fā)送到IP網(wǎng)絡(luò)層。IP網(wǎng)絡(luò)層復(fù)制檢測IP校驗碼，并對UDP數(shù)據(jù)包進行重組，在接收到一個完整的UDP包后，UDP數(shù)據(jù)包被發(fā)送至UDP傳輸層，在傳輸層根據(jù)UDP包頭中的端口號信息把AFDX消息分發(fā)到相應(yīng)的端口緩沖區(qū)中。

2.3AFDX終端系統(tǒng)性能分析

AFDX總線依據(jù)AFDX終端性能對傳輸時延和數(shù)據(jù)抖動進行規(guī)范。時延分發(fā)送時延和接收時延，在終端系統(tǒng)空閑狀態(tài)下，接收或發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，其發(fā)送或接收過程所需時間為發(fā)送或接收時延加幀延遲，其中發(fā)送時延應(yīng)小于150 μs + 幀延遲，接收時延應(yīng)小于150 μs。

抖動指從帶寬分配間隔開始到發(fā)出第一位幀之間的時間間隔。每條VL允許的最大抖動(Max_jitter)滿足下面兩個公式：

Max_Jitter≤150 μs

其中, Nbw 為物理鏈路的實際帶寬，在當(dāng)一個給定的終端系統(tǒng)需進行多個VL 數(shù)據(jù)傳輸時,VL的數(shù)據(jù)幀允許被延遲到最大允許的抖動值。

3　多功能顯示器與飛行信息綜合處理系統(tǒng)FIP安全可靠文件傳輸

多功能顯示器MFD與飛行信息綜合處理系統(tǒng)FIP通過AFDX總線網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)，以軟硬件結(jié)合的方式完全實現(xiàn)了AFDX總線網(wǎng)絡(luò)中終端系統(tǒng)的整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由軟件完成應(yīng)用數(shù)據(jù)的打包及解包過程，硬件根據(jù)設(shè)置的參數(shù)按照ARINC664中的規(guī)則對不同類型的打包數(shù)據(jù)進行發(fā)送或接收，以通用標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線接口與接口處理板IOPM、圖形處理板GPM連接，并進行數(shù)據(jù)交互，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，實現(xiàn)了高速可靠的數(shù)據(jù)通信。

3.1MFD與FIP文件傳輸過程

MFD與FIP通過AFDX全雙工總線完成一定大小的文件傳輸，采用一種基于數(shù)據(jù)幀確認(rèn)的傳輸機制確保發(fā)送端和接收端數(shù)據(jù)幀完全一致。其傳輸過程如圖4所示。

圖4　MFD與FIP文件傳輸過程

如圖4所示，通過MFD向FIP發(fā)送文件傳輸指令，確保MFD與FIP之間通信鏈路正常。若MFD與FIP之間通信鏈路正常，則FIP回送文件名和文件長度給MFD，MFD根據(jù)FIP回送的文件長度按幀序號接收文件，并根據(jù)接收到的文件結(jié)束標(biāo)記進行文件重傳及重傳內(nèi)容確認(rèn)判斷。

3.2MFD與FIP通信握手過程

MFD與FIP通過握手指令檢測MFD與FIP之間的通信鏈路是否正常，若通信鏈路正常，則MFD與FIP可進行文件傳輸；若通信鏈路不正常，則MFD與FIP不再進行文件傳輸。MFD與FIP握手過程如圖5所示。

圖5　MFD與FIP通信握手過程

3.3MFD接收FIP文件過程

MFD接收FIP文件數(shù)據(jù)過程分為文件接收、文件重傳判斷、文件重傳內(nèi)容確認(rèn)、文件顯示4個模塊，傳輸處理過程如圖6所示。

圖6　MFD接收FIP文件處理過程

各模塊功能如下：

(1) 文件接收

MFD依據(jù)同F(xiàn)IP握手返回時接收的文件長度接收FIP文件數(shù)據(jù)幀，并將接收的文件數(shù)據(jù)幀寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。若MFD接收數(shù)據(jù)幀計數(shù)小于或等于FIP文件數(shù)據(jù)幀數(shù)，則判斷是否收到FIP發(fā)送的結(jié)束數(shù)據(jù)幀，再進一步判斷是否停止接收FIP發(fā)送文件、是否重傳。

(2) 文件重傳

MFD依據(jù)接收FIP數(shù)據(jù)幀順序依次判斷FIP數(shù)據(jù)幀序號和MFD接收順序是否一致，若不一致，則需在重傳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中將相應(yīng)數(shù)據(jù)幀置數(shù)據(jù)重傳標(biāo)記，MFD依次判斷FIP數(shù)據(jù)幀重傳文件標(biāo)記后，則一次性向FIP發(fā)送重傳文件數(shù)據(jù)幀序號。

(3) 文件重傳內(nèi)容確認(rèn)

MFD將文件重傳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中接收的數(shù)據(jù)幀和重傳數(shù)據(jù)幀序號進行比對，若存在不一致的，則需重新向FIP發(fā)送重傳指令，直至MFD接收到完整的FIP數(shù)據(jù)幀內(nèi)容為止。

(4) 文件顯示

通過dosFsDevCreate創(chuàng)建文件系統(tǒng)將文件數(shù)據(jù)幀寫入文件，并供上層應(yīng)用程序回調(diào)顯示。

4　實驗驗證

4.1實驗環(huán)境

硬件平臺為VxWorks5.5、CPU MPC Power 8280，高速FPGA為數(shù)字接口協(xié)處理器，座艙顯示器MFD通過AFDX總線經(jīng)由PCI總線與飛行信息綜合處理系統(tǒng)FIP進行通信。

4.2實驗結(jié)果

根據(jù)某項目飛行測量系統(tǒng)環(huán)境進行地面、空中多架次、長距離飛行實驗，發(fā)送端與接收端傳輸數(shù)據(jù)安全、可靠。

4.2.1實驗1結(jié)果

以某飛行系統(tǒng)實驗中一張80 KB的某衛(wèi)星實時云圖文件數(shù)據(jù)傳輸(傳送時每幀有效數(shù)據(jù)為1024字節(jié)+4個字節(jié)幀序號)為例，其中傳輸文件為80 KB的云圖通過普通以太網(wǎng)和AFDX在傳輸時間、丟幀率等方面進行比較，性能參數(shù)比較(傳輸10次統(tǒng)計結(jié)果)見表1，以普通以太網(wǎng)、AFDX作為傳輸介質(zhì)的丟幀數(shù)見表2，實時云圖略——編者注。

表1　執(zhí)行效率比較

表2　以太網(wǎng)和AFDX丟幀數(shù)比較

4.2.2實驗2結(jié)果

以某飛行系統(tǒng)實驗中一張120 KB的某衛(wèi)星實時云圖文件數(shù)據(jù)傳輸(傳送時每幀有效數(shù)據(jù)為1024字節(jié)+4個字節(jié)幀序號)為例，其中傳輸文件為120 KB的云圖通過普通以太網(wǎng)和AFDX在傳輸時間、丟幀率等方面進行比較，性能參數(shù)比較(傳輸10次統(tǒng)計結(jié)果)見表3，以普通以太網(wǎng)、AFDX作為傳輸介質(zhì)的丟幀數(shù)見表4，實時云圖略——編者注。

表3　執(zhí)行效率比較

表4　以太網(wǎng)和AFDX丟幀數(shù)比較

由實驗可知，若采用普通以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，丟失幀率在10%左右，而AFDX未出現(xiàn)傳輸文件丟幀現(xiàn)象。

可見，AFDX作為默認(rèn)傳輸速率為100 Mbps的高速傳輸數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，具有極高的確定性，完全符合航空電子系統(tǒng)所需要的高速率、高可靠性要求；另外，AFDX使用冗余機制來減少數(shù)據(jù)丟失，終端系統(tǒng)通過獨立的冗余A、B網(wǎng)絡(luò)進行通信，保證任意一個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時數(shù)據(jù)幀能夠安全、可靠發(fā)送到接收端。

結(jié)　語

基于AFDX總線的文件傳輸機制經(jīng)過某飛行系統(tǒng)綜合地面試車、多架次、長距離飛行搭載試驗驗收，傳輸內(nèi)容完整、安全、可靠。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1] 石改輝,張原,李達.全雙工交換式以太網(wǎng)研究[J].信息安全與通信保密,2007(5):51-52.

[2] 劉中.交換式以太網(wǎng)在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].武器裝備自動化,2006(1):16-17.

[3] 王驥,楊永田,徐光.確定性實時以太網(wǎng)在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].航空電子技術(shù),2006,37(3):29-32.

[4] ARINC.ARINC Specification 664，Part 1.Aircraft Data Netw0rkSystem Concepts and Overview.

[5] 陳昕,周擁軍,萬劍雄.AFDX端系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程,2009,35(5):1-3.

趙文龍(工程師)，研究方向為機載顯示技術(shù)。

Zhao Wenlong1,Zhang Jie1,Cao Feng1,Li Qiao2

(1.Research Center of Military Equipment,AVIC Radar and Avionics Institute,Suzhou 215151,China;2.Beijing University of Aeronautics and Astronautics)

The traditional avionics bus could not meet the requirements of the new generation avionics system for high-speed data communication with the increasing demand for aviation.AFDX has been the next generation avionics data communication bus.In the paper,a new reliable file transfer mechanism based on AFDX bus is proposed.The experiment results show that the mechanism has high security and reliability.

avionics bus;AFDX bus;file tansfer mechanism

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃(No.2011AA110101)。

V241.8

A

(責(zé)任編輯：薛士然2015-11-25)