AFDX網(wǎng)絡(luò)冗余管理技術(shù)分析

徐 進(jìn)，黃玉港，王靜玲，田 瑜，張小龍

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048)

AFDX網(wǎng)絡(luò)冗余管理技術(shù)分析

徐 進(jìn)，黃玉港，王靜玲，田 瑜，張小龍

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048)

為實(shí)現(xiàn)AFDX以太網(wǎng)的冗余管理功能，分析了AFDX網(wǎng)絡(luò)冗余管理技術(shù)和冗余管理接收與發(fā)送幀過(guò)程中的完整性檢查以及冗余管理配置參數(shù)最大偏移參數(shù)(SkewMax)。文中根據(jù)完整性檢查來(lái)分析順序號(hào)在接收端與發(fā)送端的作用以及冗余管理配置參數(shù)，設(shè)計(jì)了冗余管理算法。并對(duì)設(shè)計(jì)的冗余管理算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)的冗余管理算法可靠準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)符合ARINC664 Part7規(guī)定的協(xié)議要求。

AFDX；完整性檢查；SkewMax；冗余管理；冗余管理算法

隨著機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,航電系統(tǒng)對(duì)其網(wǎng)絡(luò)的可靠性提出了更高的要求，在這種環(huán)境下可靠性高的通信鏈路AFDX網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足了航電系統(tǒng)對(duì)這方面的應(yīng)用要求。AFDX定義航空電子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)，它是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了一些特殊的機(jī)制，提供一個(gè)具有確定性和可靠性的網(wǎng)絡(luò)。冗余鏈路的設(shè)置，保證了數(shù)據(jù)報(bào)傳輸?shù)目煽啃訹1]。

AFDX網(wǎng)絡(luò)是一種新型航空總線網(wǎng)絡(luò)具有全雙工、高數(shù)據(jù)率、雙冗余等特點(diǎn)，為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，AFDX網(wǎng)絡(luò)采用了冗余管理控制策略，通過(guò)多個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)余度通信，以保證在網(wǎng)絡(luò)中某些交換設(shè)備或鏈路發(fā)生故障時(shí)數(shù)據(jù)能夠正常交互。因此，研究AFDX網(wǎng)絡(luò)冗余管理技術(shù)具有重要的意義。

1 冗余管理

1.1 AFDX網(wǎng)絡(luò)

AFDX網(wǎng)絡(luò)是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的通信協(xié)議和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加了全雙工、虛鏈路帶寬固定分配、余度管理、完整性檢查和雙余度等措施，使之滿(mǎn)足航空電子系統(tǒng)對(duì)高帶寬、高可靠、低延遲、確定性通信服務(wù)要求，是一種適應(yīng)大中型飛機(jī)綜合化航空電子系統(tǒng)互聯(lián)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)的航空機(jī)載主干網(wǎng)絡(luò)[2-3]。

AFDX網(wǎng)絡(luò)由端系統(tǒng)(End System,ES)、交換機(jī)(Switch,SW)以及通信鏈路3部分組成，是一種以交換機(jī)為中心的全雙工、星型、雙余度網(wǎng)絡(luò)。在AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，端系統(tǒng)(ES)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，分別通過(guò)兩組互相獨(dú)立、互為備份的交換機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，端系統(tǒng)(ES)為AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與航電系統(tǒng)設(shè)備的連接提供了安全、可靠的數(shù)據(jù)交換“接口”；交換機(jī)(SW)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交換、調(diào)度和監(jiān)控功能；通信鏈路為AFDX網(wǎng)絡(luò)提供可靠的物理鏈接，為航電各子系統(tǒng)間信息交換提供通信[4]。

1.2 AFDX冗余管理

AFDX網(wǎng)絡(luò)為雙冗余星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)端系統(tǒng)都通過(guò)兩條不同的路徑把消息發(fā)送給目的地址。因此，在端系統(tǒng)的發(fā)送和接收端都有相應(yīng)的冗余管理和完整性檢查機(jī)制確保接收AFDX幀的有效性[5-6]。如圖1所示。

圖1 完整性檢查和冗余管理

接收和發(fā)送端系統(tǒng)各自有兩個(gè)分別連接相互獨(dú)立AFDX網(wǎng)絡(luò)且互為冗余的兩個(gè)物理接口；在發(fā)送幀時(shí)，硬件單元會(huì)把每條虛鏈路中要發(fā)送的幀復(fù)制成兩份，并同時(shí)發(fā)送到兩個(gè)相互獨(dú)立的AFDX網(wǎng)絡(luò)。在接收幀時(shí)，對(duì)于從兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)上傳來(lái)的數(shù)據(jù)幀根據(jù)序列號(hào)SN按照“先到先有效”的策略進(jìn)行處理，接收最先到達(dá)的數(shù)據(jù)幀。當(dāng)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀之后，后面再接收到同一個(gè)序列號(hào)SN的數(shù)據(jù)幀就要舍棄[7-8]。

2 AFDX冗余機(jī)制

2.1 完整性檢查

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有發(fā)生故障時(shí)，完整性檢查僅僅是將接收到的數(shù)據(jù)幀傳遞給余度管理，對(duì)于每個(gè)相互冗余的網(wǎng)絡(luò)完整性檢查是獨(dú)立的。如果基于順序號(hào)SN數(shù)據(jù)幀發(fā)生故障時(shí)，完整性檢查將去除無(wú)效幀的任務(wù)，并且通知網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)構(gòu)。在每個(gè)相互冗余的網(wǎng)絡(luò)中，完整性檢查能對(duì)序列號(hào)在一下區(qū)間內(nèi)的每個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行檢查，該區(qū)間為[9-10]

[PSN”+”1,PSN”+”2]

其中，“前序列號(hào)”(PSN)是這個(gè)VL收到前一個(gè)數(shù)據(jù)幀的順序號(hào)SN。運(yùn)算符“+”是將順序號(hào)SN的回繞考慮在內(nèi)的，例如：當(dāng)PSN=245時(shí)，則PSN“+”1=1。

在接收的順序號(hào)為0和在任何接收到ES復(fù)位之后第一次被接收到的數(shù)據(jù)幀這兩種情況下，完整性檢查也要將數(shù)據(jù)幀作為有效的數(shù)據(jù)幀。

2.2 冗余管理

冗余管理設(shè)定網(wǎng)絡(luò)正處于適當(dāng)?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)，特別是設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間確定性屬于已被驗(yàn)證。冗余管理的配置是基于參數(shù)SkewMax，即在收到兩個(gè)冗余的數(shù)據(jù)幀之間的最大時(shí)間。參數(shù)SkewMax的值依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⑶矣上到y(tǒng)集成者提供，該參數(shù)的單位ms(對(duì)于每條虛鏈路)[11-12]。

當(dāng)冗余管理功能是被激活的，根據(jù)“先到者勝出”的基本原則應(yīng)該傳送先到達(dá)的冗余幀。對(duì)于接收端中的每個(gè)虛鏈路，冗余管理功能應(yīng)該保證數(shù)據(jù)幀以遞增的順序號(hào)SN次序轉(zhuǎn)發(fā)而且這還應(yīng)該將應(yīng)用于復(fù)位和偶然丟失數(shù)據(jù)幀的情況下。如果在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀后超過(guò)最大偏斜時(shí)間SkewMax，則無(wú)論下一數(shù)據(jù)幀的順序號(hào)是多少，該數(shù)據(jù)幀都應(yīng)該被接收[13]。

3 余度管理算法設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

3.1 算法設(shè)計(jì)

冗余管理的目的是保證AFDX網(wǎng)絡(luò)在采用冗余網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的情況下，不僅要保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃远疫€要保證在冗余傳輸?shù)姆绞角闆r下接收到的數(shù)據(jù)幀不發(fā)生重復(fù)。對(duì)此冗余管理算法設(shè)計(jì)如下[14-16]:

(1)當(dāng)接收端發(fā)生復(fù)位時(shí)，則收到數(shù)據(jù)幀應(yīng)被接收此時(shí)PSN更新為SN否則執(zhí)行第2步；

(2)當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)幀超過(guò)了最大偏移時(shí)間SkewMax，則此數(shù)據(jù)幀應(yīng)被接收此時(shí)PN=SN,否則執(zhí)行第(3)步；

(3)當(dāng)發(fā)送端發(fā)生復(fù)位時(shí)即此時(shí)數(shù)據(jù)幀的SN=0，則接受該數(shù)據(jù)幀此時(shí)PSN=SN=0否則執(zhí)行第4步；

(4)判斷接收到數(shù)據(jù)幀的SN是否屬于[PSN”+”1,PSN”+”2]區(qū)間，則接收該數(shù)據(jù)幀否則丟棄該數(shù)據(jù)幀。

算法設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 算法設(shè)計(jì)流程圖

3.2 算法驗(yàn)證

在VC6.0中對(duì)余度管理算法進(jìn)行仿真，當(dāng)測(cè)試激勵(lì)的順序號(hào)循環(huán)遞增且隨機(jī)發(fā)生復(fù)位時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果圖

從上述仿真結(jié)果可以看出冗余的數(shù)據(jù)幀能夠被過(guò)濾掉而且還保證了數(shù)據(jù)幀的完整性，而且該算法過(guò)程中接收端系統(tǒng)根據(jù)接收到的SN 與PSN 來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)幀的傳輸狀態(tài)，算法實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)便、功能可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

AFDX 協(xié)議是一種新型的航空數(shù)據(jù)總線協(xié)議，其雙冗余網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置有效地增加了系統(tǒng)的可靠性。本文首先對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)冗余管理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與并對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)冗余管理算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證，從仿真結(jié)果可以看出，該算法的設(shè)計(jì)符合ARINC664Part7的協(xié)議規(guī)范要求。

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Analysis of Redundancy Management Technology in AFDX Network

XU Jin，HUANG Yugang，WANG Jingling，TIAN Yu，ZHANG Xiaolong

(School of Electronic and Information Engineering,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

In order to achieve the function of AFDX Ethernet redundancy management，it is necessary to analyze the AFDX network redundancy management techniques and redundancy management of receiving and sending frame process integrity checking and redundancy management configuration parameters maximum offset parameter (SkewMax). According to the integrity check for the analysis of the sequence number in the receiver and transmitter and redundancy management configuration parameters, the redundancy management algorithm design. In this paper, finally on the design of the redundancy management algorithm were simulation and verification. It is showed that the design of the redundancy management algorithm is accurate and reliable, can achieve the requirements of the design and the design meets ARINC664 Part7 the provisions of the agreement.

AFDX; integrity checking; SkewMax; redundancy management; redundancy management algorithm

2016- 04- 14

徐進(jìn)(1957-)，男，教授。研究方向:信息檢測(cè)，處理與數(shù)據(jù)融合。黃玉港(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：信息檢測(cè)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.028

TP393

A

1007-7820(2017)03-101-03