何向棟，張志平，賈世偉

(中國航空計算技術研究所，陜西 西安 710065)

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一種保持時序一致的AFDX幀結(jié)構優(yōu)化及算法實現(xiàn)

何向棟，張志平，賈世偉

(中國航空計算技術研究所，陜西 西安 710065)

新一代航電網(wǎng)絡——航空電子全雙工交換以太網(wǎng)(AFDX)，是為航電信息系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)通信而專門制定的協(xié)議標準，具有時間確定性、雙余度和高可靠性等優(yōu)點。在分析ARINC 664 Part7規(guī)范、通信結(jié)構和SN等關鍵技術的基礎上，結(jié)合SAE AS6802[2]協(xié)議算法，提出一種保持多節(jié)點發(fā)送時序一致的AFDX幀結(jié)構。采用OPNET網(wǎng)絡拓撲仿真實現(xiàn)，結(jié)果滿足幀數(shù)據(jù)時序一致性要求。

幀結(jié)構；AFDX網(wǎng)絡；OPNET仿真；序列號

引用格式：何向棟，張志平，賈世偉. 一種保持時序一致的AFDX幀結(jié)構優(yōu)化及算法實現(xiàn)[J].微型機與應用，2016,35(18)：62-65.

0　引言

隨著機載飛行條件的復雜化和對安全飛行、舒適旅行等要求的提高，新一代航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸已由傳統(tǒng)的音頻通信擴大為圖像、多媒體、確定性控制信號等多種數(shù)據(jù)流業(yè)務。航空電子全雙工交換以太網(wǎng)(AFDX)[1]基于IEEE 802.3標準，結(jié)合航空電子系統(tǒng)特殊需求對該協(xié)議的部分MAC和數(shù)據(jù)鏈路層進行適應性修改，使其成為具備有確定性和安全性的交換網(wǎng)絡技術，形成航空以太網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡標準：ARINC 664，其中第7部分重點對AFDX網(wǎng)絡通信協(xié)議、交換機和端系統(tǒng)等各項內(nèi)容進行詳述，已成功應用到波音787、空客A380和A400M等大型飛機的航電系統(tǒng)中，并將應用于未來國產(chǎn)大飛機C919上。

相比ARINC429和MIL-STD-1553而言，AFDX網(wǎng)絡保留了傳統(tǒng)以太網(wǎng)高速、通用以及低成本等特點，同時增加了虛擬鏈路、帶寬分配、完整性監(jiān)測、警管[2]和冗余管理等特殊機制，兼容ARINC應用協(xié)議SNMP和ARINC615A加卸載等協(xié)議優(yōu)點，確保數(shù)據(jù)傳輸滿足延遲確定、傳輸可靠、容錯能力強等機載網(wǎng)絡特點，已成為新一代航電系統(tǒng)總線接口關鍵技術之一。

1　AFDX幀序列號作用與意義

AFDX發(fā)送節(jié)點在每一條虛擬鏈路(Virtual Link,VL)傳送幀數(shù)據(jù)時都要加入一個序列號(Sequence Number,SN)。幀SN的長度為1 B，取值范圍為0～255。SN的初始值為0，節(jié)點復位之后也為0。在同一條虛擬鏈路上傳輸?shù)那昂笙嗬^的幀，后一幀的SN為SN+1。當幀的SN達到255之后，下一幀的SN回卷至1。

1.1冗余管理[3]

AFDX網(wǎng)絡包括兩個獨立的物理鏈路通道：A網(wǎng)絡和B網(wǎng)絡，如圖1所示。

圖1　冗余網(wǎng)絡

A、B冗余網(wǎng)絡的延時抖動不同，因此冗余幀與有效幀到達接收節(jié)點的時間也不同。每條物理鏈路傳輸相同的幀數(shù)據(jù)，在接收節(jié)點針對每條虛擬鏈路按照SN依據(jù)“先到先有效者勝出”的原則采用先到達的數(shù)據(jù)幀，并將此虛擬鏈路SN保存為PSN(Previous Sequence Number)作為下

圖2　改進幀結(jié)構

一次接收幀的判斷標準，后到達的同一SN的幀數(shù)據(jù)被當作無效幀而丟棄。另一方面，為了避免因為延遲而錯誤濾除有效數(shù)據(jù)幀，引入?yún)?shù)Skewmax[4]。Skewmax表示冗余幀與有效幀的到達接收節(jié)點的時間差。冗余管理保證接收的幀序號不斷增大(包括復位和幀丟失)，當Skewmax內(nèi)沒有數(shù)據(jù)幀時，冗余管理會無條件接收下一幀數(shù)據(jù)。

1.2完整性檢查

在沒有故障的AFDX網(wǎng)絡通信中，完整性檢查根據(jù)SN檢測接收幀數(shù)據(jù)SN是否滿足如下規(guī)則：

[PSN“+”1,PSN“+”2]；

其中PSN表示前一幀數(shù)據(jù)的SN。如果基于SN的網(wǎng)絡出現(xiàn)故障(如發(fā)送節(jié)點出現(xiàn)不一致故障)，則完整性檢查具有去除無效幀的任務，并將故障信息傳遞給上層網(wǎng)絡管理。

完整性檢查將以下特殊情況下的幀數(shù)據(jù)作為有效幀接收：(1)接收的SN等于0；(2)在接收節(jié)點復位之后，第一次被接收到的幀數(shù)據(jù)。

1.3安全關鍵缺失

在機載航電網(wǎng)絡中,對于需高安全可靠地進行傳輸?shù)臄?shù)據(jù),有嚴格的序列收發(fā)關系，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)無法對單鏈路幀數(shù)據(jù)的先后提供保證，而SN不僅可以在網(wǎng)絡冗余管理和完整性檢查起到重要作用，而且可以在OSI層次中的數(shù)據(jù)鏈路層對單條虛擬鏈路上的幀提供數(shù)據(jù)序列的安全性保證。

可見，SN在單條虛擬鏈路的幀通信中，可以保證數(shù)據(jù)的確定性和可靠性，然而系統(tǒng)要求多節(jié)點VL幀通信中的時序一致時，當飛機在高空巡航過程中，一旦發(fā)生機翼多點故障，其故障發(fā)生時間與控制單元收到錯誤次序控制將導致緊急處理情況的不同，那么飛控將給出錯誤的飛行控制，導致機毀人亡的事故。

然而，SN并不能滿足節(jié)點間幀通信的時序一致性。為了保證節(jié)點間事件時序發(fā)生的一致性，下面將改進AFDX幀結(jié)構，并對授時和時序一致性算法進行詳述。

2　幀改進

為了保持多個節(jié)點間事件發(fā)生時序與事實的一致性,通過在幀數(shù)據(jù)內(nèi)容中增加透明時鐘域[5-7]，記錄傳輸過程中的發(fā)送延遲、傳輸延遲和接收延遲，實現(xiàn)傳輸透明化。在接收端通過對各個節(jié)點到達的幀數(shù)據(jù)通過最大傳輸延時與透明傳輸延時的排序算法計算，對同一時間段內(nèi)的幀數(shù)據(jù)進行重新排序整合，達到多節(jié)點間幀數(shù)據(jù)傳輸時序一致性要求。

AFDX改進幀結(jié)構其特征在于，通過在幀的數(shù)據(jù)字段尾部預留8 B的透明時鐘字段，如圖2所示，字段明確定義時間單位2-16ns，記錄幀在傳輸過程中的發(fā)送延時、傳輸延遲和接收延遲。在目標節(jié)點，通過時序保持算法保證各個發(fā)送節(jié)點在目標節(jié)點上發(fā)送時間上幀序列的一致性。

透明時鐘域(用transparent_clock表示)計算幀數(shù)據(jù)從發(fā)送節(jié)點經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)設備最后到接收節(jié)點的時延，具體計算方法如下。

節(jié)點按幀數(shù)據(jù)流過的次序標號為從0(發(fā)送節(jié)點)到n(接收節(jié)點)。

發(fā)送節(jié)點0：

transparent_clock0=dynamic_send_delay0+static_send_delay0

(1)

轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點i，0

transparent_clocki=transparent_clocki-1+dynamic_relay_delayi+static_relay_delayi+wire_delayi

(2)

接收節(jié)點n：

transparent_clockn=transparent_clockn-1+dynamic_receive_delayn+static_receive_delayn+wire_delayn

(3)

公式(1)、(2)和(3)中：dynamic_send_delay代表動態(tài)發(fā)送延時，如節(jié)點排隊等原因造成；static_send_delay代表靜態(tài)發(fā)送延時，如收發(fā)器等固有特性造成；dynamic_relay_delay代表動態(tài)傳輸延遲，如排隊等候等原因造成；static_relay_delay代表靜態(tài)傳輸延遲，如轉(zhuǎn)發(fā)拷貝等原因造成；wire_delay代表線纜傳輸延遲，其計算方式參閱IEEE 1588精確時間協(xié)議(Precision Time Protocol)標準[7-8]的對等延遲算法；dynamic_receive_delay代表動態(tài)接收延遲，如接收排隊等原因造成；static_receive_delay代表靜態(tài)接收延遲，如收發(fā)器等固有特性造成。

2.1精確授時

AFDX網(wǎng)絡端系統(tǒng)的幀數(shù)據(jù)輸出與一條確定虛擬鏈路相關聯(lián)的流量控制參數(shù)描述：帶寬分配間隔(Bandwidth Allocation Gap，BAG)和抖動(Jitter)，其中BAG流量整形滿足BAG=2kms(k=0,1,2,…,7)，Jitter最大不超過500 μs。為了滿足AFDX網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點在流量整形的BAG和Jitter范圍之內(nèi)，網(wǎng)絡需要時間同步。

AFDX網(wǎng)絡通過RTC(Real Time Counter)幀(幀有效載荷主要包括：64 bit表示的時間同步信息，精度為40 ns)，采用主時鐘授權方式以達到全網(wǎng)同步目的，如圖3所示。

發(fā)送節(jié)點ES8發(fā)出RTC幀時，攜帶其本地時間進入AFDX網(wǎng)絡，處于網(wǎng)絡中不同位置的接收節(jié)點ESx因網(wǎng)絡收發(fā)延時、傳輸延時、線延時等原因?qū)е陆邮誖TC幀的時刻不一致，需采用延時補償來完成授時修正。

圖3　精確授時

圖4　時序保持示例

在AFDX改進幀的格式中，通過transparent_clock參數(shù)域可完整記錄傳輸過程中的延時，在接收節(jié)點，將RTC中的時刻信息與transparent_clock參數(shù)域相加即可得到精確的時刻，完成時間同步，如ES1的從時鐘Trs1時間同步計算方法如下(其中TD表示時間延時)：

Tr1=Tm+transparent_clockRTC=Tm+TDdynamic_send_delayES8+TDstatic_send_delayES8+TDwire_delayES8-SW1+TDdynamic_relay_delaySW1+TDstatic_relay_delaySW1+TDwire_delaySW1-ES1+TDdynamic_receive_delayES1+TDstatic_receive_delayES1

(4)

其他被授時節(jié)點計算結(jié)果如式(4)所示，只是transparent_clockRTC參數(shù)域內(nèi)容是在RTC幀傳輸過程中動態(tài)記錄的。

AFDX幀改進后的RTC授時可精確至μm級時間同步，大大提高了AFDX的BAG流量規(guī)整確定性，進一步降低因節(jié)點時鐘差異而導致的Jitter抖動問題。

2.2時序一致性

帶有透明時鐘域的AFDX幀數(shù)據(jù)在BAG相同并且Jitter=0時，同一時刻從不同發(fā)送節(jié)點發(fā)出，經(jīng)不同的拓撲路徑到達同一個接收節(jié)點。同樣，幀數(shù)據(jù)中的transparent_clock參數(shù)域?qū)崟r將發(fā)送、傳輸及接收過程中的各個延時進行累計。在接收節(jié)點，通過配置一個事先計算得出的全網(wǎng)最大傳輸延遲參數(shù)(用max_transimssion_delay表示)，由網(wǎng)絡中的最大透明傳輸延遲決定，具體計算方法如式(5)所示。

max_transimssion_delay=max(transparent_clockn)

(5)

時序一致性算法為了重新建立發(fā)送節(jié)點間的派發(fā)時序，在接收節(jié)點上計算時序保持時間點，具體做法為：在幀數(shù)據(jù)被接收節(jié)點接收之后，再延時一段等同于時序保持延時的時間(用permanence_delay表示，見式(6))之后的時刻，即為對應幀數(shù)據(jù)的時序保持時間點(用permanence_pit表示)，具體計算方法如下：

permanence_delay=max_transmission_delay-transparent_clockn

(6)

繼而

permanence_pit=receive_pit+hold_delay

(7)

公式(6)中的receive_pit代表幀數(shù)據(jù)在接收節(jié)點的實際接收時間點。依據(jù)公式(7)中的時序保持時間點permanence_pit依次排列，即為AFDX幀數(shù)據(jù)的實際發(fā)送次序。

針對該算法結(jié)合圖4進行示例描述。圖4左側(cè)為某網(wǎng)絡拓撲架構，包括6塊端系統(tǒng)和3臺交換機。圖中描述了AFDX幀601和602的派發(fā)次序與交換機203上的接收次序不同，但通過時序保持功能計算，展示了如何在接收端重建時間次序。圖中從左到右描述了實時的過程。

t=0：端系統(tǒng)ES101派發(fā)幀601(transparent_clock幀601=0)；

t=7：幀601發(fā)送進入物理鏈路(transparent_clock幀601=7)；

t=10：幀601進入交換機SW201(transparent_clock幀601=10)；

t=20：端系統(tǒng)ES104派發(fā)幀602(transparent_clock幀602=0)；

t=32：幀602發(fā)送進入物理鏈路(transparent_clock幀602=12)；

t=40：幀602進入交換機SW203(transparent_clock幀602=20)；

t=50：交換機SW201轉(zhuǎn)發(fā)出幀601進入物理鏈路(transparent_clock幀601=50)；

t=53：幀601進入交換機SW202(transparent_clock幀601=53)；

t=75：交換機SW202轉(zhuǎn)發(fā)出幀601進入物理鏈路(transparent_clock幀601=75)；

t=78：幀601進入交換機SW203(transparent_clock幀601=78)；

t=100：幀601在交換機SW203內(nèi)部經(jīng)過permanence_delay幀601=max_transmission_delay-transparent_clock幀601=100-78=22時延之后，到達時序保持點；

t=120：幀602在交換機SW203內(nèi)部經(jīng)過permanence_delay幀602=max_transmission_delay-transparent_clock幀602=100-20=80時延之后，到達時序保持點。

圖4的時序顯示，在交換機SW203上AFDX幀602的接收比幀601要早很多。為了重建交換機203上AFDX幀601和602的時間派發(fā)次序，在它們被接收且延時一段等同于時序保持延時的時間permanence_delay之后，保證了重建的發(fā)送次序的精確性。

3　OPNET實現(xiàn)與仿真

針對圖4左側(cè)網(wǎng)絡拓撲，在OPNET Modeler 14.5上建立OPNET模型，對應表1進行數(shù)據(jù)仿真與測試。圖5為OPNET仿真結(jié)果，其中圖5(a)顯示了優(yōu)化幀結(jié)構后的時間同步仿真結(jié)果，圖5(b)為幀結(jié)構優(yōu)化前后的次序情況。測試結(jié)果證明，幀改進合理，時序算法計算正確。

表1　仿真測試項目

圖5　OPNET仿真結(jié)果

4　結(jié)論

通過在AFDX幀中增加透明時鐘域，實現(xiàn)記錄傳輸過程延時的方式，不僅保證了整個AFDX網(wǎng)絡的高精度時間授時(μs級)，而且拓展了其在高安全關鍵領域的控制應用。算法實現(xiàn)過程均在數(shù)據(jù)鏈路層，對上層透明化，兼容現(xiàn)有軟件協(xié)議應用程序，方便升級，提高了性能。

[1] ARINC 664,aircraft data network[S].2002.

[2] 沈磊,楊紹輝,邱智亮.AFDX網(wǎng)絡中基于虛擬計時的警管算法[J].計算機應用,2008,28(12):3029-3031.

[3] 劉曉勝,劉建平,劉博.基于FPGA的AFDX虛擬鏈路層實現(xiàn)方法[J].計算機工程,2012,38(19):233-237.

[4] 李大鵬,趙明莉,田園.AFDX端系統(tǒng)中冗余管理的研究和實現(xiàn)[J].電子技術,2012,39(12):10-13.

[5] MOHL D S.IEEE 1588-Precise time synchronization as the basis for real time applications in automation[J].Industrial Networking Solutions,2003.

[6] IEEE Std 1588-2002,IEEE standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S]. 2002.

[7] IEEE Std 1588-2008,IEEE standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S]. 2008.

Frame structure optimization and algorithm realization of keeping temporal consistency based on AFDX

He Xiangdong，Zhang Zhiping，Jia Shiwei

(Aeronautical Computing Technique Research Institute,Xi’an 710065, China)

Avionics Full Duplex Switched Ethernet(AFDX), an avionics specified Ethernet communication protocol standard,is the new generation aircraft data network,with the feature of time determinability,redundant and high reliability and so on.This paper analyzes the characteristics of the ARINC 664 Part7, communication structure and sequence number,and with the algorithm of SAE AS6802, brings forward an implementation methods of keeping temporal consistency based on AFDX frame structure optimization.Then it is simulated by OPNET.The result verifies the temporal consistency of the frame structure.

frame structure;AFDX network;OPNET simulation;sequence number

TP393.02

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.018

2016-04-17)

何向棟(1985-)，通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：系統(tǒng)架構，機載計算機。E-mail：dongxianghe@163.com。

張志平(1987-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：機載網(wǎng)絡，機載計算機。

賈世偉(1987-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：機載網(wǎng)絡，機載計算機。