基于Petri網(wǎng)理論的AFDX性能分析

劉冬花

【摘 要】AFDX網(wǎng)絡(luò)通過對(duì)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，憑著其可擴(kuò)展性，雙冗余管理，通信網(wǎng)絡(luò)延遲的可確定性等優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)通信性能，已率先在大中型飛機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用，我國(guó)的大飛機(jī)已確定用AFDX系統(tǒng)。本文以隨機(jī)Petri網(wǎng)為工具，對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模仿真，通過仿真計(jì)算出AFDX網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和系統(tǒng)的延遲時(shí)間兩個(gè)重要的性能指標(biāo)，通過對(duì)兩個(gè)指標(biāo)的性能曲線進(jìn)行分析，有助于進(jìn)一步理解航電系統(tǒng)事件消息在AFDX網(wǎng)絡(luò)中的傳輸機(jī)制，為綜合航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和完善提供重要的理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】AFDX網(wǎng)絡(luò)；隨機(jī)Petri網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；延遲時(shí)間；性能分析

1 AFDX系統(tǒng)簡(jiǎn)介

AFDX（Avionics Full Duplex Switched Ethernet）全稱為航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)，簡(jiǎn)稱AFDX。它是為在航空子系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而定義的一種協(xié)議（IEEE 802.3和ARINC 664 Part7）標(biāo)準(zhǔn)，是基于ARINC429和1553B基礎(chǔ)之上的一種總線通信協(xié)議規(guī)范（ARINC664）。

一個(gè)AFDX系統(tǒng)主要組成包括：航電子系統(tǒng)，AFDX端系統(tǒng)，AFDX互連網(wǎng)絡(luò)（包括交換機(jī)、虛擬鏈路）。

2 Petri網(wǎng)簡(jiǎn)介

Petri網(wǎng)是對(duì)信息處理系統(tǒng)進(jìn)行描述和建模的數(shù)學(xué)工具之一。作為數(shù)學(xué)工具，Petri網(wǎng)可以通過建立狀態(tài)方程、代數(shù)方程和其他數(shù)學(xué)方法來描述系統(tǒng)的行為。作為圖形工具，Petri網(wǎng)除了具有類似流程圖、框圖和網(wǎng)圖的可視化描述功能外，還可通過標(biāo)記（token）的流動(dòng)來模擬實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，因此可將Petri網(wǎng)作為動(dòng)態(tài)的圖形工具。

一個(gè)PN的結(jié)構(gòu)元素包括：位置（place）、變遷（transition）、弧（arc）和標(biāo)記（token）。

3 AFDX建模

對(duì)消息傳輸進(jìn)行建模時(shí)，要考慮到消息傳輸過程中的各種時(shí)延：

（1）消息傳輸耗時(shí)；（2）交換機(jī)技術(shù)時(shí)延；（3）接收端系統(tǒng)技術(shù)時(shí)延；（4）VL最大允許抖動(dòng)；（5）消息產(chǎn)生間隔，及消息幀間的間隔所建模型如下：

在圖1中，分別利用確定時(shí)間變遷T1和指數(shù)變遷T3產(chǎn)生N條周期消息和K條事件消息，且T3>T1，即消息傳輸以周期消息為主，在周期消息的傳輸過程中不斷插入事件消息。利用瞬時(shí)變遷T2、T4處的禁止弧可保證消息的單條傳輸特性；當(dāng)P2、P4中同時(shí)有標(biāo)記，即同時(shí)存在周期消息和事件消息時(shí)，T5處的禁止弧可保證事件消息具有較高優(yōu)先級(jí)，即先傳輸事件消息。周期消息、事件消息傳輸過程相同，需通過VL抖動(dòng)T5和T6后，進(jìn)入消息傳輸過程，經(jīng)過交換機(jī)技術(shù)時(shí)延、傳輸耗時(shí)以及接受端系統(tǒng)技術(shù)時(shí)延等，完成一條消息的傳輸，再進(jìn)行下一條消息的傳輸。

4 模型仿真與性能分析

1）仿真時(shí)，設(shè)定周期消息產(chǎn)生周期T1取為10ms；事件消息產(chǎn)生為指數(shù)分布，即其產(chǎn)生間隔服從指數(shù)分布，設(shè)定其平均實(shí)施延時(shí)delay=1/λ=100ms，其它時(shí)延參數(shù)設(shè)置分析如下：

此處，選取平均數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度791字節(jié)，即L取為791，Nbw=100Mbit/s，可得到VL最大允許抖動(dòng)為0.10488ms，取其與最小值40μs之間的均值0.07244ms。

（2）T8表示交換機(jī)處理消息技術(shù)時(shí)延，其最大值為0.1ms，取其均值0.05ms。

（3）T9表示消息傳輸耗時(shí)與幀間隔之和，其中AFDX網(wǎng)絡(luò)所能傳輸?shù)钠骄鶐L(zhǎng)為811字節(jié)（791字節(jié)數(shù)據(jù)幀+12字節(jié)幀間隔+7字節(jié)前導(dǎo)字+1字節(jié)起始定界符），則傳輸耗時(shí)=0.06488ms；而每?jī)蓭g的間隔為12字節(jié)，即幀間隔=0.00096ms，則T9=0.06584ms。

（4）T10表示接收端系統(tǒng)技術(shù)時(shí)延，其最大值為0.15ms，取其均值0.075ms。

2）兩個(gè)性能指標(biāo)設(shè)置如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際傳輸量與最大可能允許傳輸量之間的比值。在本文的仿真過程中，令負(fù)載load=E{#P7}其中，E{#P7}表示位置P7處的平均標(biāo)記數(shù)

（2）延遲時(shí)間

延遲時(shí)間定義為信源處信息啟動(dòng)時(shí)間與吸收點(diǎn)處執(zhí)行時(shí)間二者之間的差值。在本模型仿真時(shí)，可理解為周期（事件）消息在其產(chǎn)生周期時(shí)間內(nèi)的平均延遲時(shí)間，令周期消息delay1=E{#P1}*0.26328 ms，事件消息delay2=E{#P3}*0.26328ms其中，E{#P1}和E{#P3}分別表示位置P1和P3處的平均標(biāo)記數(shù)

5 總結(jié)

本文模型的建立是基于傳輸網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，有些地方的設(shè)置會(huì)與實(shí)際情況不相符，例如只有一臺(tái)交換機(jī)，且不考慮交換機(jī)的排隊(duì)過程等。在實(shí)際情況中，交換機(jī)內(nèi)部各種操作模式，以及消息的排隊(duì)過程，這些都會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜。

此次所建的模型，雖然沒有完全反映AFDX網(wǎng)絡(luò)真實(shí)情況下的消息傳輸過程，但通過這個(gè)簡(jiǎn)單的模型以及其仿真分析過程，也可以對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)簡(jiǎn)單的了解，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)傳輸性能更加理解。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]