基于時間觸發(fā)的航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)調(diào)度方法研究

馮冰清，任艷

（1.四川大學計算機學院，成都 610065；2.西安衛(wèi)星測控中心廈門測控站，廈門 361023；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

基于時間觸發(fā)的航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)調(diào)度方法研究

馮冰清1,2，任艷3

（1.四川大學計算機學院，成都 610065；2.西安衛(wèi)星測控中心廈門測控站，廈門 361023；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

航空全雙工交換式以太網(wǎng)（AFDX）是現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)的重要通信標準。航空電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流被分為時間關(guān)鍵數(shù)據(jù)流和非時間關(guān)鍵數(shù)據(jù)流，目前的研究雖然可以給出時間關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的延時上界，但是仍然不能保證時間關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的完全確定性。將時間觸發(fā)機制引入AFDX網(wǎng)絡(luò)中，對時間觸發(fā)AFDX網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度算法進行研究并對其實時性進行分析。

航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)；數(shù)據(jù)流；時間觸發(fā)機制

0 引言

機載數(shù)據(jù)總線被認為是航空電子綜合系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，用于機載設(shè)備和子系統(tǒng)之間的互連，承擔著飛機上各個子系統(tǒng)以及模塊之間信息交換的重要任務(wù)，機載數(shù)據(jù)總線的發(fā)展成為航空電子技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力之一[7]。交換式以太網(wǎng)技術(shù)隨著A380飛機項目對其進行全面的航空電子系統(tǒng)適應(yīng)性改造，演化成了“航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)（Avionics Full Duplex Switched Ethernet Network，簡稱AFDX）”。國內(nèi)外針對AFDX網(wǎng)絡(luò)的研究涉及AFDX網(wǎng)絡(luò)測試方法研究[6]、AFDX網(wǎng)絡(luò)故障注入研究、AFDX監(jiān)控器[7]、可靠性[8]、冗余管理[9]、流量控制、調(diào)度方法、網(wǎng)絡(luò)測試、網(wǎng)絡(luò)延遲等方面。對于AFDX網(wǎng)絡(luò)性能的研究，目前主要是進行調(diào)度算法的研究與改進，并研究端到端的網(wǎng)絡(luò)延遲特性。

在AFDX網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的實時性是需要重點解決的核心問題。隨著航空系統(tǒng)的發(fā)展，未來各種功能模塊將會被集成在航電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，各個功能模塊對延時和實時性的要求會不同，對于其中的時間關(guān)鍵消息，已有的方法不能滿足其需求，因為其確定性機制并不能保證時間關(guān)鍵消息的完全確定性，其傳輸?shù)倪^程是不可預(yù)測的，并且端到端的延時也是抖動的。目前對于AFDX網(wǎng)絡(luò)性能的改進大都只通過研究單一的算法，例如只研究改進AFDX網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)虛擬鏈路調(diào)度算法對于數(shù)據(jù)包端到端延遲的影響，或者僅研究交換機上調(diào)度算法的改進對于數(shù)據(jù)包延遲的影響。目前將時間觸發(fā)機制引入AFDX網(wǎng)絡(luò)的想法已經(jīng)有人提出，但是關(guān)于如何設(shè)計時間觸發(fā)AFDX網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度算法，目前國內(nèi)外的研究甚少。

綜上所述，本文將時間觸發(fā)機制引入AFDX網(wǎng)絡(luò)具有重要意義，可以提高時間關(guān)鍵消息的確定性，本文的研究對于提高航空總線AFDX的網(wǎng)絡(luò)性能，加快AFDX在我國新一代飛機上的應(yīng)用，增強國防實力和綜合國力等，也具有重要意義。

1 TTAFDX網(wǎng)絡(luò)研究

1.1 AFDX網(wǎng)絡(luò)研究

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕珹FDX采用了一定的強制實時傳輸策略來滿足不同信息系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸對安全性、確定性和可靠性的要求。AFDX網(wǎng)絡(luò)主要包括航空子系統(tǒng)、AFDX終端系統(tǒng)和交換機網(wǎng)絡(luò)。該分布式網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

端系統(tǒng)是AFDX網(wǎng)絡(luò)的核心部分，將航空電子子系統(tǒng)與AFDX網(wǎng)絡(luò)連接起來。圖2給出了一個航空計算機系統(tǒng)通過端系統(tǒng)連接到AFDX網(wǎng)絡(luò)，航空計算機系統(tǒng)為航空電子子系統(tǒng)提供計算環(huán)境，一般一個端系統(tǒng)可以支持多個航空電子子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)處理。

圖1 AFDX網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖2 端系統(tǒng)應(yīng)用實例

1.2 TTAFDX網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計

時間觸發(fā)通信機制滿足硬實時性要求和確定性要求，消息的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)都是按照事先規(guī)劃好的時刻調(diào)度表來進行，數(shù)據(jù)的交換過程具有可預(yù)測性，并且有完全的確定性，因此將時間觸發(fā)機制引入AFDX網(wǎng)絡(luò)有利于提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且使時間確定消息具有完全的確定性。

（1）時間觸發(fā)機制介紹：在時間觸發(fā)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送是事先規(guī)劃好的，可以確保系統(tǒng)在同一個時刻只有一個任務(wù)被觸發(fā)，并且系統(tǒng)中始終都有任務(wù)在執(zhí)行。這樣既可以提高系統(tǒng)的帶寬使用率，又不會因數(shù)據(jù)幀爭搶鏈路而出現(xiàn)阻塞。在時間觸發(fā)系統(tǒng)中，需要全局時鐘同步和一個任務(wù)調(diào)度表，才能保證數(shù)據(jù)幀正確穩(wěn)定地發(fā)送，調(diào)度時刻表的任務(wù)周期和基本周期根據(jù)系統(tǒng)而設(shè)定，各個任務(wù)根據(jù)這個調(diào)度表事先規(guī)劃好的時間進行發(fā)送。

（2）TTAFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的設(shè)計：AFDX網(wǎng)絡(luò)對以太網(wǎng)進行改進形成的一種確定性航空總線，主要是為了滿足航空電子系統(tǒng)的通訊要求。在航空電子系統(tǒng)中，實時性指的是數(shù)據(jù)幀從一個端系統(tǒng)傳輸?shù)侥康亩讼到y(tǒng)所需要的時間的確定性，并且必須能夠滿足系統(tǒng)的最大時延的要求。在機載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，確定性要求是最迫切的，所以AFDX網(wǎng)絡(luò)需要端系統(tǒng)對傳輸?shù)教摂M鏈路中的數(shù)據(jù)進行調(diào)度，以便控制數(shù)據(jù)幀的傳輸時間。AFDX引入時間觸發(fā)通信機制，并基于此改進虛擬鏈路的調(diào)度策略，增加了虛擬鏈路的時間觸發(fā)調(diào)度，數(shù)據(jù)鏈路層的修改對其它層的功能沒有影響，，不影響其他層的實現(xiàn)，改進后的協(xié)議棧不同的分層完成不同的功能。

（3）TTAFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的設(shè)計：AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀在幀結(jié)構(gòu)上與以太網(wǎng)幀唯一的差別是AFDX網(wǎng)絡(luò)幀多了一個位于以太網(wǎng)FCS字段前面的SN字段，AFDX幀的IP/UDP有效載荷的長度比標準以太網(wǎng)幀減少了一個字節(jié)。

2 時間觸發(fā)AFDX網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法研究

先來先服務(wù)（FIFO）調(diào)度算法，不區(qū)分數(shù)據(jù)流的狀態(tài)，將所有數(shù)據(jù)流相同對待，數(shù)據(jù)包得到服務(wù)的順序與其到達緩存的順序一致。這是一種非搶奪式的調(diào)度算法，任意數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)包只有在已經(jīng)到達緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)完畢后，才能接受調(diào)度服務(wù)，當某種突發(fā)緊急數(shù)據(jù)流需要立刻服務(wù)時，調(diào)度器無法立即響應(yīng)，從而造成嚴重后果。FIFO對一般的緊急數(shù)據(jù)流都無法保證立刻服務(wù)，更不用說時間關(guān)鍵數(shù)據(jù)流，所以將時間觸發(fā)機制引入，可以更好地保證時間關(guān)鍵消息的確定性和實時性。

航空電子系統(tǒng)中根據(jù)數(shù)據(jù)流的緊急程度對數(shù)據(jù)進行了分類，不同數(shù)據(jù)對時延有不同的要求。時間觸發(fā)AFDX終端系統(tǒng)中在設(shè)計中加入了時間觸發(fā)虛擬鏈路（TTVL），用來承載對時延要求比較高的緊急數(shù)據(jù)的虛擬鏈路，這部分虛擬鏈路是有事件觸發(fā)的速率約束虛擬鏈路（RCVL）。AFDX終端系統(tǒng)在數(shù)據(jù)鏈路層引入了虛擬鏈路的實質(zhì)是對物理鏈路的帶寬分時復(fù)用，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。時間觸發(fā)通信協(xié)議的實質(zhì)是時分多路訪問（TDMA）方案，AFDX系統(tǒng)引入時間觸發(fā)通信機制，數(shù)據(jù)傳輸過程如圖3所示。

圖3 時間觸發(fā)通信機制

數(shù)據(jù)傳輸被分配在相同的周期性TDMA中，若干個TDMA周期組成一個循環(huán)大周期序列，在每一個TDMA周期中有若干間隙，一個數(shù)據(jù)幀最多占用一個時隙，數(shù)據(jù)幀按照事先規(guī)劃好的周期和時隙進行發(fā)送。

時間觸發(fā)AFDX終端系統(tǒng)的TTVL采用時間觸發(fā)的調(diào)度機制，數(shù)據(jù)幀按照事先規(guī)劃好的時刻進行傳輸，其調(diào)度過程與時間觸發(fā)通信機制的過程相同。TTVL具有更高的優(yōu)先級，根據(jù)時間調(diào)度表對時間觸發(fā)虛擬鏈路進行優(yōu)先調(diào)度。時刻調(diào)度表的規(guī)劃方法，可以借鑒時間觸發(fā)以太網(wǎng)的方法來進行規(guī)劃，端系統(tǒng)的發(fā)送時刻調(diào)度表可以根據(jù)BAG的特點來進行規(guī)劃。

圖4 矩陣調(diào)度表示意圖

3 網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計仿真與分析

將含有時間觸發(fā)機制的仿真模型程序運行1000秒，做統(tǒng)計結(jié)果，如圖5所示。

圖5 計算結(jié)果與仿真結(jié)果對比圖

由圖5可以看出，加入時間觸發(fā)機制之后，時間觸發(fā)虛鏈路的傳輸延遲明顯低于無時間觸發(fā)時該虛鏈路的傳輸延時，而且不論有無時間觸發(fā)機制，流量限制虛鏈路的延時變化不是很大，說明加入時間觸發(fā)機制后，承載有時間關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的時間觸發(fā)虛鏈路的延時明顯降低，雖然承載非時間關(guān)鍵消息的流量約束虛鏈路的延時有增大，但是增大的幅度很小，也就是說加入時間觸發(fā)機制對流量約束虛鏈路的影響很小。

從圖5中也可以看出，對時間觸發(fā)虛鏈路來說，其延時的理論上限、仿真最大值和仿真平均值幾乎是一樣的，利用其理論值就可以確定其延時，真正地做到了保證時間關(guān)鍵消息的確定性。

4 結(jié)語

本文將時間觸發(fā)機制引入AFDX網(wǎng)絡(luò)當中，設(shè)計了時間觸發(fā)AFDX網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧和數(shù)據(jù)幀，通過對這些理論的研究，設(shè)計了時間觸發(fā)AFDX網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法和時間觸發(fā)AFDX的網(wǎng)絡(luò)模型，最后對時間觸發(fā)AFDX網(wǎng)絡(luò)進行了仿真，仿真結(jié)果表明，時間觸發(fā)機制可以保證時間關(guān)鍵消息的延時性降低。

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Research on the Scheduling Method of Time-Triggered AFDX Network

FENG Bing-qing1，2，REN Yan3

（1．School of Computer,Sichuan University,Chengdu 610065；2．Xiamen Station,China Xi'an Satellite Control Center,Xiamen 361023；3.Research Institute of Electronics Fifth,Ministry of Industry and Information Technology，Guangzhou 510610）

Avionics Full Duplex Switched Ethernet is an important communication standard in modern avionics systems.Avionics system data flow can be divided into time critical and non-time critical data flow.Although the current study can give the time delay upper bound about the time-critical data flow,this still can't guarantee the time critical data flow have completely deterministic time delay.Adds the timetrigger mechanism into AFDX network,studies the scheduling algorithm for time-trigger AFDX network,and analyzes the real-time performance.

Avionics Full Duplex Switched Ethernet;Data Flow;Time-Triggered Mechanism

1007-1423（2017）02-0006-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.02.002

馮冰清（1990-），女，陜西渭南人，碩士研究生，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度分析等

??，女，河南三門峽人，工程師，研究方向為電子元器件質(zhì)量可靠性及信息化等

2016-11-15

2017-01-06