何向棟，白 楊，田 園，賈世偉

(中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710065)

一種AFDX交換機的高效檢測方法*

何向棟，白 楊，田 園，賈世偉

(中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安710065)

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，具有確定性、雙余度和可靠性等優(yōu)點，已成功應用于新一代航電網(wǎng)絡。分析了ARINC664Part7中交換機章節(jié)及對應的通信架構等關鍵技術特點，提出一種高效率適合AFDX交換機的通信測試方法。通過測試與驗證，證明該方法對通信功能的測試正確且效率較高。

AFDX；交換機；高效率；通信測試

0 引言

航空電子全雙工交換以太網(wǎng)(AFDX)[1]基于IEEE 802.3標準，結合航空電子系統(tǒng)特殊需求對該協(xié)議的部分MAC進行適應性修改，使其成為具有高速和確定性的網(wǎng)絡，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)絡的各項內(nèi)容進行詳述，并且已成功應用到空客A380、波音787和A400M等大型飛機的航電系統(tǒng)中。

AFDX網(wǎng)絡作為航空數(shù)據(jù)通信的確定性專用網(wǎng)絡，順利成為航電系統(tǒng)中通信“骨架”，在大中型運輸機中有很強的適應性，相比于傳統(tǒng)機載數(shù)據(jù)總線，其具備速率高、質(zhì)量小、穩(wěn)定可靠、技術成熟、成本低等優(yōu)勢，具有很好的應用前景。隨著AFDX應用規(guī)模的不斷擴大及外場維修等的特殊要求，本文提出了一種針對AFDX交換機物理端口的高效率測試方法。

1 AFDX交換機功能

AFDX交換機實現(xiàn)的功能有：幀交換、內(nèi)嵌端系統(tǒng)、幀過濾、警管、配置表和監(jiān)控功能，如圖1所示。

圖1 AFDX交換機功能示意圖

過濾功能：對進入交換機內(nèi)部的幀進行完整性檢查，過濾內(nèi)容包括：CRC有效性；目的MAC地址有效性；VL與輸入端口是否匹配；幀長為字節(jié)的整數(shù)倍；幀長小于等于配置表中定義的最大幀長；幀長大于等于配置表中定義的最小幀長。

警管功能：采用基于令牌桶算法的流量管制策略對進入交換機幀進行丟棄判定，具體算法見參考文獻[2]。

配置表功能：交換機虛擬鏈路VL的端口配置及通信規(guī)則配置。

端系統(tǒng)功能：實現(xiàn)交換機信息配置、網(wǎng)絡管理和數(shù)據(jù)加卸載等功能，但不支持規(guī)范定義的雙余度功能。

幀交換功能：將輸入的數(shù)據(jù)幀根據(jù)配置表轉發(fā)至輸出端口。

捕獲功能：通過配置映射將交換機任意物理端口或者虛擬鏈路VL數(shù)據(jù)實時采集并輸出。

交換機實現(xiàn)技術可參考文獻[3]，文獻中詳細分析了AFDX交換功能機理和工程化實現(xiàn)。

2 AFDX交換機設計及現(xiàn)有測試方法

2.1 交換機設計

基于ARINC664P7協(xié)議規(guī)范內(nèi)容，AFDX交換機設計框圖如圖2所示。

圖2 交換機設計框圖

設計主要由兩大部分組成，分別為：處理器控制電路和交換控制電路。處理器控制電路包括：處理器，負責處理內(nèi)嵌端系統(tǒng)、協(xié)議棧、網(wǎng)絡管理等功能；SDRAM，負責運行時的程序和數(shù)據(jù)存放；Flash，負責Boot、操作系統(tǒng)、應用和測試程序的固化存放；CPLD，負責上電啟動控制、復位管理、控制/地址解析等功能。交換機控制電路包括：DPRAM(tx)，負責內(nèi)嵌端系統(tǒng)發(fā)送幀數(shù)據(jù)緩存；DPRAM(rx)，負責內(nèi)嵌端系統(tǒng)接收幀數(shù)據(jù)緩存；SSRAM，負責各個端口間幀轉發(fā)緩存；PHY接口，交換機物理層接口電路，通過MII接口與FPGA通信；FPGA電路，負責實現(xiàn)過濾、警管、幀存儲控制轉發(fā)、配置表、捕獲等功能。AFDX交換機測試即為對上述電路或資源進行測試檢查，并測試AFDX通信功能。

2.2 現(xiàn)有測試方法

現(xiàn)有AFDX交換機的測試方法主要采用集成多端口的專用測試設備進行交換機功能/性能測試[4-5]，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)有交換機測試示意圖

圖3中模擬端系統(tǒng)A(或模擬端系統(tǒng)B)可以通過專門編寫特定測試用例來檢驗被測交換機的路由及轉發(fā)等功能，并通過模擬端系統(tǒng)B(或模擬端系統(tǒng)A)來檢驗判定轉發(fā)幀是否正確。為模擬大量幀數(shù)據(jù)經(jīng)交換機的轉發(fā)功能，需要專用AFDX網(wǎng)絡測試設備模擬多個AFDX通信終端接口，并編排多種網(wǎng)絡應用，包括：不同BAG帶寬，不同幀長度，不同轉發(fā)端口等綜合測試設計來驗證交換機在復雜通信環(huán)境下的功能/性能，同時也對專用網(wǎng)絡測試設備提出了較高的要求。

現(xiàn)有測試方法有一個共同特點：測試系統(tǒng)需要外部設備來產(chǎn)生幀激勵源，并判定結果。隨著AFDX網(wǎng)絡的成熟，其功能/性能指標已完全能夠滿足設計需求，并隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加而廣泛應用，而現(xiàn)有的測試方法需要大量外部測試節(jié)點作為激勵等，不利于后續(xù)產(chǎn)品檢驗和維護，為提高AFDX交換機快速檢測和產(chǎn)品排故診斷，利用AFDX交換機內(nèi)嵌端系統(tǒng)功能提出一種高效測試方法。

3 高效率通信測試方法

本測試結合AFDX交換機內(nèi)嵌端系統(tǒng)功能和IEEE 802.3全雙工通信等技術特點，設計高效率通信測試方法。通信測試思路為：利用AFDX交換機內(nèi)嵌端系統(tǒng)作為AFDX交換機的測試激勵和判定節(jié)點；利用IEEE 802.3的全雙工特點，設計自環(huán)通信電纜，即線纜設計為：TX+與RX+連接、TX-與RX-連接。

測試環(huán)境如圖4所示。從圖中看出該測試驗證環(huán)境相比其他測試環(huán)境簡化很多，僅包括一臺用于顯示的工控機以及自環(huán)電纜。

圖4 高效測試環(huán)境示意圖

測試數(shù)據(jù)流如圖5所示。依據(jù)圖5的測試數(shù)據(jù)流可測試和驗證交換機資源和功能，如圖6所示。

根據(jù)圖5和圖6所示，高效率通信測試流程為：

流程0：AFDX交換機啟動。上電啟動，通過配置控制引導啟動Boot和操作系統(tǒng)。此流程可驗證資源：CPU、Flash、SDRAM、RS232、電源、時鐘、復位、CPLD、PROM等；驗證功能：交換機基本啟動功能。

流程1：啟動測試程序。內(nèi)嵌端系統(tǒng)啟動高效率通信測試程序。此流程可驗證資源：CPU、SDRAM、RS232、電源、時鐘、CPLD控制；驗證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)功能。

圖5 測試數(shù)據(jù)流示意圖

圖6 測試數(shù)據(jù)流與相關資源及功能驗證對應圖

流程2：測試幀組建。啟動TCP/IP協(xié)議棧，針對端口X配置對應測試幀信息，并編寫測試幀內(nèi)容。此流程可驗證資源：CPU、SDRAM；驗證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)。

流程3：內(nèi)嵌端系統(tǒng)發(fā)送幀緩存。將測試幀放入DPRAM(TX)緩存，并通知FPGA控制。此流程可驗證資源：CPU、SDRAM、DPRAM(TX)；驗證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)。

流程4：幀調(diào)度1。FPGA讀取發(fā)送測試幀，并將測試幀信號寫入轉發(fā)控制邏輯進行調(diào)度。此流程可驗證資源：FPGA；驗證功能：配置、交換。

流程5：存儲轉發(fā)。測試幀緩存。此流程可驗證資源：SSRAM、FPGA；驗證功能：交換。

流程6：幀調(diào)度2。調(diào)度控制讀取幀緩存，并根據(jù)轉發(fā)配置進行調(diào)度，同時控制MAC進入收發(fā)控制。測試幀經(jīng)外部自環(huán)電纜，再次進入FPGA。此流程可驗證資源：FPGA、SSRAM；驗證功能：交換。

流程7：收發(fā)控制。對測試幀進行收發(fā)控制，并對幀內(nèi)容進行解析和轉發(fā)調(diào)度。此流程可驗證資源：FPGA、PHY等；驗證功能：過濾、警管、配置、交換。

流程8：內(nèi)嵌端系統(tǒng)接收幀緩存。經(jīng)調(diào)度，F(xiàn)PGA將幀寫入DPRAM(RX)緩存。此流程可驗證資源：FPGA、DPRAM(RX)等；驗證功能：交換。

流程9：測試幀驗證。內(nèi)嵌端系統(tǒng)讀取接收幀內(nèi)容，并依據(jù)發(fā)送幀進行內(nèi)容核對判斷。此流程可驗證資源：CPU、DPRAM(RX)；驗證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)。

流程10：循環(huán)測試。對未檢測物理端口進行循環(huán)通信測試。

通過上述測試流程分析，該測試方法可對交換機全部硬件資源和AFDX功能(除捕獲功能)進行驗證測試。

4 驗證測試

采用航空工業(yè)計算所貨架產(chǎn)品24端口AFDX交換機作為被測試對象，自制單端口測試電纜，外部通過RS232接入工控機超級終端進行測試顯示和交互。

結合AFDX交換機特點，設置測試項目如表1所示。

表1 測試項目

通過上述測試用例檢測，得出此檢測方法具有較高的通信測試效率。

在實際應用中，對上述測試程序進行產(chǎn)品駐留，當有測試需求時，只需一根自環(huán)測試電纜，就可以快速判定交換機診斷狀態(tài)，對后期產(chǎn)品維護和診斷提供了簡便而高效的方法。

5 結論

本文通過對AFDX交換機功能的理解和研究，利用其內(nèi)嵌端系統(tǒng)和IEEE802.3全雙工的技術特點，提出了一種高效率的自環(huán)通信檢測方法。經(jīng)測試驗證，此測試方法具有簡單、便捷、高效等特點，方便測試人員快速診斷交換機通信故障，提高測試效率。

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

[2] 王建宇,王世奎.AFDX交換機管制功能測試方法的研究與設計[J].測控技術,2012,31(7): 82-84.

[3] 王綺卉.AFDX核心交換技術的研究與實現(xiàn)[D].西安：安石油大學，2010.

[4] 吳海榮,羅慶,陳曉晨.AFDX交換機測試分析系統(tǒng)[J].飛機設計，2014，34(3)：59-62.

[5] 趙永庫,唐來勝,李貞.AFDX網(wǎng)絡測試技術研究[J].計算機測量與控制，2012，20(4)：93-95.

The method of AFDX switch high efficient testing

He Xiangdong,Bai Yang,Tian Yuan,Jia Shiwei

(AVIC 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 strong real-time,redundant and high reliability and so on. By analyzing the characteristics of communication structure in the ARINC 664 Part7,a highly efficient communication test method suitable for AFDX switches is proposed. Through testing and verification,it is proved that the method is correct and efficient in communication function testing.

AFDX; switch; high efficiency; communication testing

國家重點基金項目(31511020102)

TP393.07

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.024

何向棟，白楊，田園，等.一種AFDX交換機的高效檢測方法J.微型機與應用，2017,36(24)：84-86，91.

2017-06-28)

何向棟(1985-)，通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：機載網(wǎng)絡。E-mail:dongxianghe@163.com。

白楊(1987-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：機載網(wǎng)絡。

田園(1985-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：機載網(wǎng)絡。