AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)設計與研究*

索高華，劉紅紅，王　治，孫海洋

(1.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068；2.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；3.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068)

AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)設計與研究*

索高華1，劉紅紅1，王治2，3，孫海洋1

(1.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068；2.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；3.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068)

AFDX協(xié)議以及航空總線布局的復雜性使得建立一套完整的地面仿真測試系統(tǒng)尤為重要，良好的網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)可對網(wǎng)絡的關(guān)鍵部件進行物理仿真、地面測試，大大縮短了網(wǎng)絡的建設周期，降低了系統(tǒng)的維護成本。介紹了一種AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的設計方案，建立了以端系統(tǒng)、交換機為核心，以仿真、監(jiān)控、加載、管理系列AFDX網(wǎng)絡設備為輔助的AFDX網(wǎng)絡仿真測試系統(tǒng)，并詳細說明了各個組成部分，用戶可通過本平臺對AFDX網(wǎng)絡通信機制、原理以及應用進行評估和理解，運用仿真監(jiān)控功能透徹理解AFDX網(wǎng)絡設備的數(shù)據(jù)流、運行方式和工作原理，方便進行問題定位及故障排除。

AFDX；仿真測試；仿真系統(tǒng)；端系統(tǒng)；交換機

0　引言

隨著高性能飛機的快速發(fā)展和空域環(huán)境的日益復雜,飛機對航空電子系統(tǒng)的要求越來越多,航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(AFDX)作為一種實時性、可靠性、確定性的全雙工交換式網(wǎng)絡［1］，已成為新型航空總線技術(shù)的首選。

基于AFDX網(wǎng)絡的廣泛應用，在航空電子系統(tǒng)的產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、交付驗收、裝機調(diào)試及使用維護的各個階段，采用AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)對網(wǎng)絡中的關(guān)鍵設備進行功能、性能檢測，是航空電子系統(tǒng)通信正常、工作可靠的重要保證［2］。

本文是在協(xié)議分析、標準研究、需求理解、芯片研制及應用解決方案的基礎(chǔ)上，突破系列關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的設計方案，詳細說明了AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的架構(gòu)設計、組成部分及配套應用部分，建立了配置、加載、監(jiān)控、管理等完整的網(wǎng)絡拓撲，形成系列的應用解決方案。下面將對AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)進行詳細說明。

1　系統(tǒng)功能

AFDX地面仿真系統(tǒng)用于在地面環(huán)境下對AFDX網(wǎng)絡進行仿真測試，通過設計驗證環(huán)境用例對AFDX系統(tǒng)傳輸特性進行分析。由AFDX仿真測試設備搭建的AFDX網(wǎng)絡測試系統(tǒng)可以對AFDX網(wǎng)絡相關(guān)產(chǎn)品進行測試，主要包括系統(tǒng)功能測試、系統(tǒng)可靠性測試以及系統(tǒng)性能測試。測試的方法及主要內(nèi)容如表1所示。

表1　系統(tǒng)功能測試

2　系統(tǒng)設計

AFDX仿真系統(tǒng)充分展示了AFDX網(wǎng)絡系統(tǒng)的拓撲組成、網(wǎng)絡配置、數(shù)據(jù)加載、網(wǎng)絡管理及網(wǎng)絡監(jiān)控等核心功能，是典型的AFDX系統(tǒng)模型，下面將對網(wǎng)絡系統(tǒng)的各部分功能進行詳細介紹。

2.1網(wǎng)絡搭建

本文提出的AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)在對

ARINC664 Part7協(xié)議理解的基礎(chǔ)上，充分考慮AFDX網(wǎng)絡的負載、性能、功能等技術(shù)指標，進行AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的原型設計，系統(tǒng)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，典型的AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)由2臺交換機、4個嵌入式端系統(tǒng)、2個PC端系統(tǒng)、1個監(jiān)控卡、1個TAP卡和1個仿真測試卡組成，如圖1所示。

圖1　AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)組成圖

仿真系統(tǒng)的搭建操作步驟如下：(1)根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建網(wǎng)絡系統(tǒng)，如圖1所示；(2)通過 AFDX網(wǎng)絡配置工具規(guī)劃整個網(wǎng)絡配置，形成各組成部分的配置表；(3)通過ARINC615A數(shù)據(jù)加卸載工具將配置表加載到網(wǎng)絡的各個設備中，各設備按照配置表進行工作；(4)通過網(wǎng)絡管理工具對整個網(wǎng)絡進行管理，實時監(jiān)控網(wǎng)絡運行狀態(tài)；(5)可通過AFDX網(wǎng)絡監(jiān)控卡和AFDX數(shù)據(jù)分析儀對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、分析、測試，完成整個網(wǎng)絡的運行。

AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)應用中各個設備的主要特點及功能如表2所示。

2.2網(wǎng)絡配置

AFDX網(wǎng)絡是一種確定性網(wǎng)絡，要求端到端的時延是固定可測的，這就要求數(shù)據(jù)的傳輸路徑在網(wǎng)絡初始化時就已經(jīng)固定［3］。在 AFDX網(wǎng)絡中，使用配置表來描述AFDX網(wǎng)絡中的確定性路徑和信息。

ARINC664標準沒有給出端系統(tǒng)配置文件的具體內(nèi)容，但是給出了端系統(tǒng)各層接口的映射方式，這樣構(gòu)成了消息每個幀中層對層對等通信的標識方式：UDP源端口+IP源地址+MAC目的地址(VL標識)+IP目的地址+UDP目的端口。這5個標識部分稱為一個“五元組”，一個五元組標識了一條VL的尋址路徑［3］。配置表在網(wǎng)絡正常運行前需要加載或固化在各個終端系統(tǒng)或者交換機中，由各終端系統(tǒng)和交換機按照約定好的格式對配置表進行解析，并按照解析出的配置對自身進行初始化配置、端口、虛擬鏈路設定，然后進入正常工作模式。

由于配置表文件操縱比較繁瑣，簡單的人工配置方式通常費時費力，而其格式相對固定，故產(chǎn)生了專用于網(wǎng)絡配置表生成的工具——AFDX網(wǎng)絡配置工具。利用圖形化界面的AFDX網(wǎng)絡配置工具，用戶只需要填寫簡單的對話框，即可生成符合特定格式的網(wǎng)絡配置表。AFDX配置工具的功能模塊如圖2所示。

圖2　AFDX網(wǎng)絡配置工具的功能模塊圖

2.3網(wǎng)絡加載

網(wǎng)絡初始化時，需要通過數(shù)據(jù)加載器將AFDX網(wǎng)絡配置工具生成的配置表文件分發(fā)到各終端。在網(wǎng)絡運行時，需要將各終端的數(shù)據(jù)下載下來進行分析，對各終端的軟件進行數(shù)據(jù)加載和數(shù)據(jù)卸載操作，以實現(xiàn)定時維護和更新，因此數(shù)據(jù)加卸載是AFDX網(wǎng)絡必須完成的功能。

為了對航空電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)加載和卸載細節(jié)進行描述以統(tǒng)一接口，使各個廠商都可以生產(chǎn)出兼容的設備，產(chǎn)生了專門針對航空系統(tǒng)的用于規(guī)定數(shù)據(jù)加卸載規(guī)范的 ARINC615A協(xié)議［4-5］。ARINC615A采用以太網(wǎng)中的TFTP協(xié)議作為數(shù)據(jù)進行傳輸時的協(xié)議，并規(guī)定了數(shù)據(jù)加載和卸載時的通信協(xié)議文件和可加載數(shù)據(jù)的包格式。

如圖3所示，本設計方案中采用的AFDX數(shù)據(jù)加載器是一款兼容 ARINC614A協(xié)議的數(shù)據(jù)加載設備，在Windows平臺基于 AFDX網(wǎng)絡與以太網(wǎng)總線實現(xiàn) ARINC615A-2與ARINC665-3協(xié)議，實現(xiàn)圖形用戶界面進行配置管理與功能調(diào)用。數(shù)據(jù)加載主要實現(xiàn)5種操作：Find操作、信息操作、上傳操作、操作者定義下載和介質(zhì)定義下載操作。

圖3　ARINC615A加卸載軟件操作流程圖

2.4網(wǎng)絡監(jiān)控

網(wǎng)絡監(jiān)控是通過監(jiān)控設備對AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的監(jiān)控對于地面試驗和機上排故非常重要，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)捕獲方法是使用數(shù)據(jù)分路器TAP將某條鏈路上數(shù)據(jù)捕獲到監(jiān)控設備上，這種檢測方法獲得的數(shù)據(jù)能真實地反映鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸情況，同時不影響被監(jiān)控的終端與其他終端。另AFDX網(wǎng)絡交換機包含捕獲端口，網(wǎng)絡中的所有數(shù)據(jù)都要經(jīng)由交換機進行路由轉(zhuǎn)發(fā)，可同過捕獲口捕獲交換機端口的輸入或者輸出數(shù)據(jù)［6-7］。

本設計方案采用的網(wǎng)絡監(jiān)控器包括AFDX數(shù)據(jù)分析儀（TAP卡）和監(jiān)控卡，AFDX數(shù)據(jù)分析儀可以對AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，為用戶提供直觀的界面，以方便有效地觀測網(wǎng)絡中的所有數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。由于AFDX網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路多，而數(shù)據(jù)分析儀中的TAP數(shù)量有限，因此，只能檢測有限的數(shù)據(jù)鏈路。監(jiān)控卡作為數(shù)據(jù)監(jiān)控設備，在不影響網(wǎng)絡數(shù)據(jù)正常轉(zhuǎn)發(fā)的前提下，可連接交換機的捕獲口，存儲交換機的捕獲數(shù)據(jù)，方便進行分析研究。

2.5網(wǎng)絡管理

在AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)中的網(wǎng)絡管理指的是監(jiān)測、控制交換機和端系統(tǒng)的使用情況，以便有效地運行網(wǎng)絡。SNMP網(wǎng)絡管理包括管理端、代理端以及管理端和代理端維護的管理信息庫（MIB）［8］。

如AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)應用圖1所示，SNMP網(wǎng)絡管理器運行管理端進程，而被管理對象為4個航空子系統(tǒng)以及兩臺交換機中運行的代理端進程。SNMP網(wǎng)絡管理器通過SNMP協(xié)議規(guī)定的6種操作隨時或者設定周期來監(jiān)控航空子系統(tǒng)和交換機。

所有向被管理設備發(fā)送的請求命令都是從管理端發(fā)出的，代理端接收到此命令后會解碼出相應的被查詢對象的 OID值，訪問相關(guān)的 MIB信息庫，最后組包向管理端返回get響應消息。如果被管理對象發(fā)生了嚴重的故障后也可以主動向管理端發(fā)送Trap報警信息，便于及時排除故障。同時，管理端還可以利用set請求對某些MIB節(jié)點參數(shù)設置門限值，如復位交換機或者端系統(tǒng)、改變交換端口的幀轉(zhuǎn)發(fā)速率等。

3　系統(tǒng)驗證

AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)已通過功能、性能測試、協(xié)議符合性測試、系統(tǒng)應用驗證，驗證結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足地面仿真測試的功能要求，數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析界面如圖4所示。

4　總結(jié)

結(jié)合不同型號、不同應用系統(tǒng)及地面測試設備等對AFDX網(wǎng)絡研制的技術(shù)需求，本文提出了一種 AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的設計方案，介紹了AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的功能，詳細說明了網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡的配置、加載、監(jiān)控、管理等系統(tǒng)組成。

本文所提出的AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)應用設計方案已經(jīng)成功運用在實際工程中，功能、性能穩(wěn)定可靠，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)了我國大飛機AFDX網(wǎng)絡技術(shù)的自主保障、自主發(fā)展，為形成從協(xié)議標準、產(chǎn)品開發(fā)、系統(tǒng)設計到系統(tǒng)綜合驗證等完整的AFDX網(wǎng)絡總線技術(shù)體系和產(chǎn)品體系打下了堅實的基礎(chǔ)。

圖4　AFDX網(wǎng)絡數(shù)據(jù)監(jiān)控解析界面

［1］ARINC664．Aircraft data network－Part7：deterministic networks［S］．ARINC，2003．

［2］王錦，張奕楠，熊華鋼．AFDX的分布式仿真［J］．電光與控制，2008，15(8)：76－80．

［3］趙永庫，唐來勝．AFDX網(wǎng)絡應用關(guān)鍵技術(shù)分析與研究［J］．測控技術(shù)，2013，32(4)：86－89．

［4］Airlines electronic engineering committee.ARINC 615A：Software data loader using Ethernet interface［S］．Aeronautical Radio，INC，2002．

［5］劉智武，陳長勝，王紅春.基于AFDX的跨總線ARINC615協(xié)議軟件設計及實現(xiàn)［J］．電子技術(shù)，2012，6(25)：39-41.

［6］王治，田澤．一種高性能AFDX監(jiān)控卡的實現(xiàn)技術(shù)研究［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2010，20(8)：217-220．

［7］何向棟，趙琳，許晶．一種PCI接口的AFDX網(wǎng)絡監(jiān)控卡設計與實現(xiàn)［J］．電子技術(shù)，2013，7(15)：46-48．

［8］王璐，朱劍鋒，王月．基于AFDX網(wǎng)絡的SNMP協(xié)議實現(xiàn)［J］．航空電子技術(shù)，2014，45(2)：24-29．

Design and research of AFDX network simulation system

Suo Gaohua1，Liu Honghong1，Wang Zhi2，3，Sun Haiyang1
(1.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China；2.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；3.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China)

The complexity of AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet)protocol and aviation bus layout makes it is particularly important to establish a complete ground simulation test system.A good network simulation system provides physical simulation and ground test for the key network components,it′s greatly reducing the construction cycle of network and the maintenance cost of the system.This paper introduces a kind of design scheme of AFDX network simulation system which is established mainly on the end system and the switch and assisted by AFDX network equipment such as simulation,monitor,load and management.It discusses the various components of the simulation system in detail.Users can evaluate and understand AFDX network communication mechanism,principle and application through this platform,thoroughly understand AFDX network data flow,operation mode and working principle of equipment.It is useful to help users location the problem and resolve trouble shouting through simulation function.

AFDX；simulation test；simulation system；end system；switch

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.005

航空科學基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-02-26）

索高華（1985-），女，本科，助理工程師，主要研究方向：集成電路設計及驗證。

劉紅紅（1987-），女，碩士，助理工程師，主要研究方向：集成電路設計及驗證。

王治（1977-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：集成電路設計。

孫海洋（1989-），男，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)硬件設計與開發(fā)。

中文引用格式：索高華，劉紅紅，王治，等.AFDX網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)設計與研究［J］.電子技術(shù)應用，2016，42(4)：18-21.

英文引用格式：Suo Gaohua，Liu Honghong，Wang Zhi，et al.Design and research of AFDX network simulation system［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：18-21.