基于以太網(wǎng)的民用飛機(jī)客艙網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)①

施俞行, 黎 明, 鄧 振

(中電科航空電子有限公司, 成都 611731)

基于以太網(wǎng)的民用飛機(jī)客艙網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)①

施俞行, 黎 明, 鄧 振

(中電科航空電子有限公司, 成都 611731)

客艙系統(tǒng)是民機(jī)航電系統(tǒng)的重要組成部分, 主要包括客艙核心系統(tǒng)、機(jī)載娛樂系統(tǒng)和外部通信系統(tǒng)三大部分. 本文通過對(duì)客艙典型業(yè)務(wù)、客艙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求和客艙常用設(shè)備的分析, 結(jié)合對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)的研究, 設(shè)計(jì)出一套滿足當(dāng)前客艙典型業(yè)務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案, 并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中重要連接設(shè)備做出了詳細(xì)功能說明的, 最后使用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證, 表明了客艙一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)越性和可行性.

民用飛機(jī); 客艙系統(tǒng); 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu); 一體化設(shè)計(jì); 以太網(wǎng)技術(shù); OPNET

航電系統(tǒng)是現(xiàn)代化飛機(jī)的一個(gè)重要組成部分, 飛機(jī)的飛行性能與航電系統(tǒng)密切相關(guān). 客艙系統(tǒng)是航電系統(tǒng)的重要組成部分, 同時(shí)也是乘客可以全程接觸的系統(tǒng). 為了在飛行過程中為乘客提供良好的飛行體驗(yàn),各飛機(jī)制造商、系統(tǒng)供應(yīng)商、航空公司都致力于提供更先進(jìn), 更舒適的客艙系統(tǒng), 其主要功能包括客艙情景照明、客艙娛樂、乘客上網(wǎng)、電話通信等. 如今, 客艙系統(tǒng)已成為航空公司客源競(jìng)爭(zhēng)的重要手段, 而客艙系統(tǒng)的應(yīng)用越來越受到世界各主要航空公司的重視, 未來市場(chǎng)潛力巨大.

按照美國航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)ATA頒布的ATA2200定義, 機(jī)載客艙系統(tǒng)主要包含客艙核心系統(tǒng)(CCS: Cabin Core System), 機(jī)載娛樂系統(tǒng)(IFE: In-Flight Entertainment)、外部通信系統(tǒng)(ECS: External Communication System)三大部分, 分別負(fù)責(zé)客艙管理,乘客娛樂, 對(duì)外通信[1]等功能. 為了實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間以及各子系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸, 同時(shí)滿足健壯性、可用性和完整性的要求, 在當(dāng)前的很多飛機(jī)實(shí)現(xiàn)中, 將機(jī)載設(shè)備通過傳統(tǒng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線(如: ARINC429數(shù)據(jù)總線、ARINC629數(shù)據(jù)總線和ARINC485數(shù)據(jù)總線)進(jìn)行連接, 但這些總線技術(shù), 隨著業(yè)務(wù)復(fù)雜性的增加和設(shè)備數(shù)量的增加, 逐漸暴露出傳輸速率有限, 連線的成本增加、以及連線重量增加等缺點(diǎn). 因此, 本文提出了一種基于以太網(wǎng)絡(luò)的客艙一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案,該方案將整個(gè)客艙業(yè)務(wù)進(jìn)行綜合集成, 在減少網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備數(shù)量, 降低連接管理成本的同時(shí), 使用QoS、VLAN、防火墻等以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同客艙業(yè)務(wù)的性能要求和安全性要求[2], 并有效提高客艙機(jī)載設(shè)備的接入性和擴(kuò)展性[3].

1 民用飛機(jī)客艙業(yè)務(wù)介紹

典型的客艙系統(tǒng)由客艙核心系統(tǒng)、機(jī)載娛樂系統(tǒng)及外部通信系統(tǒng)組成.

客艙核心系統(tǒng)通過裝在客艙內(nèi)的揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)乘務(wù)員對(duì)旅客的廣播功能; 通過內(nèi)話設(shè)備提供乘務(wù)員之間、乘務(wù)員和駕駛員間的語音內(nèi)話功能; 通過指示燈、諧音廣播提供乘客服務(wù)提示功能, 幫助乘務(wù)員為乘客更好的服務(wù); 通過人機(jī)界面為乘務(wù)員提供客艙溫度控制、照明控制、水廢水管理、艙門狀態(tài)管理等功能.

機(jī)載娛樂系統(tǒng)為交互式系統(tǒng), 通常包括基于前方座椅背后顯示屏幕的音頻視頻系統(tǒng)、乘客控制單元、每個(gè)座椅下的座椅電子盒、電源轉(zhuǎn)換單元以及后端的客艙控制終端及視頻音頻等信息存儲(chǔ)單元等. 機(jī)載娛樂系統(tǒng)可以為乘客提供豐富的功能包括閱讀電子書、視頻音頻播放、游戲、通過飛行地圖了解飛行路線等.

外部通信系統(tǒng)為乘客提供客艙移動(dòng)通信、無線接入、上網(wǎng)等服務(wù), 客艙乘客的個(gè)人電腦、電話、IPAD等移動(dòng)用戶終端, 可以通過客艙無線接入, 經(jīng)由外部通信系統(tǒng)(衛(wèi)星通信、空地寬帶移動(dòng)通信ATG)與其他機(jī)外用戶互通互聯(lián), 實(shí)現(xiàn)雙向話音、視頻和數(shù)據(jù)通信功能.

綜上所述, 客艙核心系統(tǒng)主要通過機(jī)載電子設(shè)備為乘務(wù)人員提供服務(wù), 機(jī)載娛樂系統(tǒng)主要通過機(jī)載娛樂設(shè)備為乘客提供娛樂服務(wù), 而外部通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了乘客在飛行過程中方便的使用自攜帶移動(dòng)終端. 這要求設(shè)計(jì)出的客艙網(wǎng)絡(luò)能夠: 既滿足不同用戶需求, 又滿足不同安全等級(jí)要求, 既要盡量復(fù)用已有設(shè)備, 又要相互隔離不同業(yè)務(wù).

2 民用飛機(jī)客艙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求

在ARINC 664P5標(biāo)準(zhǔn)[4]和ARINC 811標(biāo)準(zhǔn)[5]中, 根據(jù)使用人員和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全等級(jí)的不同, 將民用飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)劃分為4個(gè)主要區(qū)域: 飛機(jī)控制域(ACD)、航空公司信息服務(wù)域(AISD)、乘客信息和服務(wù)域(PIESD)和乘客自有設(shè)備域(PODD).

飛機(jī)控制域(ACD)的主要針對(duì)的是機(jī)組人員, 該區(qū)域包含了與飛機(jī)控制、客艙設(shè)置等相關(guān)的業(yè)務(wù), 即與飛機(jī)安全飛行相關(guān)的功能, 具備最高的安全級(jí)別要求.

航空公司信息服務(wù)域(AISD)主要是針對(duì)航空公司和維護(hù)人員, 該區(qū)域內(nèi)包含了與飛行支持、旅客服務(wù)、飛機(jī)維護(hù)信息管理等相關(guān)的業(yè)務(wù), 對(duì)飛機(jī)運(yùn)營維護(hù)功能相關(guān), 具備一定的安全級(jí)別要求.

乘客信息和服務(wù)域(PIESD)主要是針對(duì)使用機(jī)載娛樂設(shè)備的乘客, 為乘客提供了多樣化服務(wù), 但與飛機(jī)飛行控制并不相關(guān), 因此安全級(jí)別要求很低

乘客自由設(shè)備域(POD)主要是針對(duì)使用自有設(shè)備的乘客, 其目的同樣是為乘客提供更豐富的乘機(jī)體驗(yàn),安全級(jí)別最低.

這4個(gè)區(qū)域的劃分以及對(duì)外連接方式, 如圖1所示.

圖1 民用飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域和連接示意圖

由于客艙系統(tǒng)中同時(shí)存在不同安全等級(jí)業(yè)務(wù)的交互, 并且存在多種網(wǎng)絡(luò)接入方式, 因此在設(shè)計(jì)客艙網(wǎng)絡(luò)時(shí)候需要考慮以下要求:

① 不同安全等級(jí)的業(yè)務(wù)應(yīng)能夠進(jìn)行有效的隔離,使得低安全級(jí)別業(yè)務(wù)失效的時(shí)候, 不會(huì)影響高安全級(jí)別業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行;

② 不同安全等級(jí)的業(yè)務(wù)應(yīng)當(dāng)分配不同的服務(wù)等級(jí), 使得在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生資源搶占的時(shí)候, 高安全級(jí)別的業(yè)務(wù)能夠優(yōu)先被滿足;

③ 不同安全等級(jí)的業(yè)務(wù)應(yīng)當(dāng)具備相應(yīng)的控制性、保密性和防篡改性, 使得只有授權(quán)用戶才能進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限的操作;

④ 整個(gè)客艙網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備良好的安全性, 可以有效的防止來自外部的網(wǎng)絡(luò)攻擊和內(nèi)部的病毒侵害;

⑤ 不同區(qū)域業(yè)務(wù)特點(diǎn)不同, 對(duì)不同區(qū)域主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和技術(shù)要求也不相同, 在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意. 比如飛行控制業(yè)務(wù)主要強(qiáng)調(diào)其可靠性和及時(shí)性, 對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的低時(shí)延、低抖動(dòng)要求較高; 而娛樂業(yè)務(wù)主要強(qiáng)調(diào)多用戶和分發(fā)性, 對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的高吞吐和多線程要求較高.

3 民用飛機(jī)客艙一體化概念

前面提到, 傳統(tǒng)的客艙系統(tǒng)按照功能分為CCS、IFES和ECS三個(gè)子系統(tǒng), 結(jié)合圖1所示, 其中CCS子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了航空公司信息服務(wù)域(AISD)中的功能, IFES子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了乘客信息和服務(wù)域(PIESD)和乘客自由設(shè)備域(POD)的功能, 而ECS子系統(tǒng)為機(jī)內(nèi)業(yè)務(wù)與飛機(jī)外部網(wǎng)絡(luò)提供了連接功能以支持相關(guān)具體業(yè)務(wù).

按照傳統(tǒng)客艙系統(tǒng)的劃分和實(shí)現(xiàn), 以上三個(gè)子系統(tǒng)可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn), 再進(jìn)行綜合集成. 但由于每個(gè)子系統(tǒng)均由多個(gè)應(yīng)用設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成, 且其中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相關(guān)功能要求類似, 為了減少機(jī)載設(shè)備數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)連線數(shù)量, 本文提出了“飛機(jī)客艙一體化網(wǎng)絡(luò)”的概念,將飛機(jī)客艙相關(guān)的所有功能(包括以上3個(gè)子系統(tǒng)功能)通過同一網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn), 在盡可能復(fù)用設(shè)備的同時(shí), 通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置、管理來滿足網(wǎng)絡(luò)功能、性能、安全性等方面要求, 具體設(shè)計(jì)方案在下一章中描述.

4 民用飛機(jī)客艙一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

客艙業(yè)務(wù)具備多樣化(可配置)、高帶寬(音視頻傳輸)、易擴(kuò)展(減少接入和連線數(shù)量)、安全等級(jí)區(qū)分等特點(diǎn), 因此對(duì)其支撐的客艙網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)有著技術(shù)成熟性、高帶寬支持性、接入便捷性等要求, 而以太網(wǎng)技術(shù)在日常領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已證明其對(duì)這些要求的滿足性, 因此本文設(shè)計(jì)了一套基于以太網(wǎng)的客艙一體化網(wǎng)絡(luò)方案.

4.1 民用飛機(jī)客艙典型系統(tǒng)/設(shè)備

在第1章中介紹過民用飛機(jī)客艙的主要業(yè)務(wù), 這些業(yè)務(wù)可能由多個(gè)不同的設(shè)備/系統(tǒng)實(shí)現(xiàn), 也可能集成在相同的設(shè)備/系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn). 本小節(jié)列舉典型的客艙常用設(shè)備/系統(tǒng), 并在這些典型設(shè)備/系統(tǒng)基礎(chǔ)上確定網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能.

4.1.1 CCS相關(guān)

CCS功能相關(guān)的主要系統(tǒng)/設(shè)備包括:

① 客艙管理終端(CMT): 該設(shè)備為空乘/維護(hù)人員提供了人機(jī)界面, 以方便其對(duì)乘客和客艙相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行處理;

② 客艙管理計(jì)算機(jī)(CMC): 該設(shè)備主要處理所有與空乘/維護(hù)人員相關(guān)業(yè)務(wù)的邏輯處理功能(如呼叫管理、水系統(tǒng)信號(hào)收集、艙門系統(tǒng)信號(hào)收集、日志存儲(chǔ)等);

③ 文件服務(wù)模塊(FSM): 該設(shè)備主要提供客艙文件上傳、下載、存儲(chǔ)相關(guān)功能;

④ 駕駛艙打印機(jī)(CPPT): 該設(shè)備主要提供駕駛艙打印功能;

⑤ 電子飛行包(EFB): 該設(shè)備是一種駕駛員飛行助理工具, 用于為駕駛艙、客艙提供各種航行數(shù)據(jù), 以及提供基本飛行信息的計(jì)算(如飛機(jī)性能數(shù)據(jù), 油量計(jì)算等);

⑥ 客艙廣播及內(nèi)話系統(tǒng)(PACIS): 該系統(tǒng)提供了客艙預(yù)錄音廣播、客艙背景音樂廣播、駕駛艙與客艙內(nèi)話通信、客艙乘務(wù)員間內(nèi)話通信等功能, 系統(tǒng)內(nèi)部總線實(shí)現(xiàn)可能不同, 但系統(tǒng)提供以太接口連接到客艙骨干網(wǎng)絡(luò)中;

⑦ 乘客服務(wù)單元(PSCU): 該系統(tǒng)為乘客提供了呼叫乘務(wù)員、點(diǎn)亮閱讀燈等重要的服務(wù)單元.

4.1.2 IFES功能相關(guān)

IFES功能相關(guān)的主要系統(tǒng)/設(shè)備包括:

① 客艙娛樂服務(wù)器(IFE): 該設(shè)備通常為一臺(tái)大容量專用服務(wù)器, 提供音視頻文件存儲(chǔ)、視頻解碼以及請(qǐng)求調(diào)度等功能;

② 乘客娛樂終端: 該類設(shè)備為乘客娛樂的提供顯示界面, 通常由客艙娛樂吊掛設(shè)備、座椅娛樂背掛設(shè)備等組成, 也可能是乘客自有設(shè)備. 乘客娛樂終端能夠配合ECS系統(tǒng)連接到飛機(jī)外部通信網(wǎng)絡(luò), 從而在飛行過程中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上沖浪、話音通話等功能.

4.1.3 ECS功能相關(guān)

ECS功能相關(guān)的主要系統(tǒng)/設(shè)備包括:

① 衛(wèi)星通信設(shè)備(SATCOM): 該設(shè)備一般與Ku波段的衛(wèi)星之間進(jìn)行高容量大傳輸?shù)男l(wèi)星無線通信, 通常使用在國際航班或跨洋飛行;

② 空地互聯(lián)設(shè)備(ATG): 該設(shè)備為飛機(jī)在飛行過程中, 通過高頻、甚高頻等方式, 提供飛機(jī)與基地之間的通信聯(lián)絡(luò);

③ 機(jī)場(chǎng)無線通信單元(AWCU): 該設(shè)備為飛機(jī)在落地后, 建立飛機(jī)與機(jī)場(chǎng)之間的無線通信連接.

4.2 民用飛機(jī)客艙一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案

上一節(jié)介紹了客艙業(yè)務(wù)相關(guān)的組要設(shè)備與系統(tǒng),客艙網(wǎng)絡(luò)則需要將各個(gè)設(shè)備/系統(tǒng)有效的連接在一起,且能夠滿足各種客艙業(yè)務(wù)對(duì)功能、性能、安全性的要求. 本小節(jié)對(duì)客艙一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種參考方案, 如圖2所示.

圖2 飛機(jī)客艙一體化網(wǎng)絡(luò)方案

在圖2方案中, 將飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)劃分為4個(gè)區(qū)域: 飛機(jī)控制域、客艙受信域、外部通信域和乘客娛樂域. 需要指出的是, 飛機(jī)控制域支持的是與飛行操作相關(guān)的功能, 超出了客艙網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持的范圍, 但其中關(guān)鍵的飛行數(shù)據(jù)(如導(dǎo)航信息)需提供給客艙網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用使用.

另外3個(gè)區(qū)域則屬于客艙一體化網(wǎng)絡(luò)的考慮范圍,其中客艙受信域提供了乘客服務(wù)、空乘操作相關(guān)的功能; 外部通信域提供了機(jī)內(nèi)、機(jī)外網(wǎng)絡(luò)互連的功能; 乘客娛樂域提供了乘客通過機(jī)載設(shè)備以及自帶設(shè)備實(shí)現(xiàn)電子娛樂的功能; 這3個(gè)區(qū)域?qū)Π踩缘囊笞宰笙蛴抑饾u降低.

在域與域之間, 以及同一域中各個(gè)設(shè)備之間, 本一體化網(wǎng)絡(luò)方案中設(shè)計(jì)了航電網(wǎng)關(guān)(AGW)、受信域交換機(jī)(ADSM)、受信域路由器(ADRM)、外部通信交換機(jī)(ECSM)幾個(gè)重要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行連接, 下面將對(duì)這幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能分別進(jìn)行描述.

4.2.1 航電網(wǎng)關(guān)(AGW)

飛機(jī)控制域與飛機(jī)飛行相關(guān), 具備嚴(yán)格的安全等級(jí)要求, 不屬于客艙網(wǎng)絡(luò)范圍之內(nèi), 但飛機(jī)控制域的相關(guān)飛行信息需要提供給客艙網(wǎng)絡(luò)使用, 且要求客艙網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)對(duì)飛機(jī)控制域產(chǎn)生影響.

這要求在飛機(jī)控制域和客艙網(wǎng)絡(luò)之間通過航電網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接, 同時(shí)還要求航電網(wǎng)關(guān)能夠:

① 支持多種核心航電系統(tǒng)的接口(ARINC429、AFDX等), 并能夠?qū)⑦@些接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以供客艙網(wǎng)絡(luò)使用;

② 支持建立網(wǎng)絡(luò)隔離規(guī)則, 保證來自低安全等級(jí)的客艙網(wǎng)絡(luò)的訪問在進(jìn)入飛機(jī)控制域后受到有效的控制.

4.2.2 受信域交換機(jī)(ADSM)

受信域交換機(jī)位于客艙受信域, 主要為受信域中各個(gè)功能設(shè)備提供了網(wǎng)絡(luò)接入功能, 從而為整個(gè)客艙受信域提供了相應(yīng)功能. 比如: 文件服務(wù)模塊(FSM)接入到客艙受信域, 提供了文件服務(wù); 而客艙管理計(jì)算機(jī)(CMC)接入到客艙受信域, 提供了客艙系統(tǒng)管理及網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù).

4.2.3 受信域路由器(ADRM)

受信域路由器位于客艙受信域, 對(duì)內(nèi)連接受信域交換接, 對(duì)外連接外部通信域的交換機(jī). 除了連接功能,受信域路由器要求實(shí)現(xiàn)對(duì)客艙受信域的保護(hù), 確保外部通信域進(jìn)入的數(shù)據(jù)不會(huì)影響客艙受信域的業(yè)務(wù)性能和安全性; 這要求受信域路由器能夠:

① 支持防火墻功能, 從外部通信域來的訪問必須經(jīng)過防火墻的過濾以保證信息安全, 且最好能防御來自各種網(wǎng)絡(luò)層次的攻擊;

② 支持路由功能, 便于適用于不同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的接入與擴(kuò)展.

4.2.4 外部通信交換機(jī)(ECSM)

外部通信交換機(jī)位于外部通信域, 被配置成外部通信域的入口, 連接多種外部通信域的設(shè)備; 同時(shí)也被配置成乘客服務(wù)域的入口, 負(fù)責(zé)連接客艙娛樂服務(wù)器(IFE), 客艙娛樂終端, 從而實(shí)現(xiàn)旅客在飛行過程中對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)的訪問. 由于外部通信交換機(jī)連接的網(wǎng)絡(luò)不可控, 以及連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的類型多樣性, 這要求外部通信交換機(jī)能夠:

① 支持虛擬子網(wǎng)管理, 通過劃分不同的虛擬子網(wǎng)(VLAN), 將連接在外部通信域交換機(jī)上的設(shè)備劃分在不同的區(qū)域. 如: 客艙娛樂終端和客艙娛樂服務(wù)器(IFES)可劃分為一個(gè)虛擬子網(wǎng), 衛(wèi)星通訊模塊(SATCOM)處于一個(gè)虛擬子網(wǎng), 機(jī)場(chǎng)無線通信通訊單元(AWCU)處于一個(gè)虛擬子網(wǎng), 空地互聯(lián)設(shè)備(ATG)處于一個(gè)虛擬子網(wǎng);這種VLAN劃分可以有效的控制各個(gè)子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的訪問范圍及訪問途徑, 完善了客艙網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)安全訪問控制的粒度;

② 支持入侵檢測(cè)功能, 能夠辨別和回應(yīng)對(duì)客艙網(wǎng)絡(luò)資源的惡意使用行為, 而發(fā)現(xiàn)一體化客艙網(wǎng)絡(luò)存在的安全隱患和被攻擊的情況并予以限制;

③ 支持QoS功能, 能夠?qū)ν獠客ㄐ拧⒁曨l轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等不同級(jí)別的業(yè)務(wù)進(jìn)行分類管理, 當(dāng)發(fā)生資源擁塞時(shí), 優(yōu)先保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù).

5 民用飛機(jī)客艙一體化網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證

OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件[6]是一款性能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包, 為用戶提供一系列的仿真模型庫, 目前在電信、軍事、航空航天等方面有廣泛運(yùn)用, 可以為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供可靠的依據(jù), 因此本節(jié)使用OPNET對(duì)飛機(jī)客艙一體化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真建模與結(jié)果分析, 以說明本網(wǎng)絡(luò)方案的可行性.

5.1 網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)計(jì)的考察對(duì)象是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能, 即可以通過各個(gè)設(shè)備或鏈路的主要網(wǎng)絡(luò)屬性(時(shí)延、利用率等)進(jìn)行收集以評(píng)估是否當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足典型客艙使用需求.

仿真中應(yīng)覆蓋客艙常見的業(yè)務(wù), 如乘務(wù)員使用的客艙服務(wù)、內(nèi)話通信; 維護(hù)人員常用的文件上傳、文件下載; 以及乘客常用到的上網(wǎng)沖浪、視頻播放等.

仿真設(shè)計(jì)的步驟主要包括: 拓?fù)鋭?chuàng)建、應(yīng)用配置、用戶配置等幾個(gè)方面.

① 仿真拓?fù)?/p>

拓?fù)湓O(shè)置如圖3所示.

圖3 OPNET客艙一體化網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)?/p>

在仿真時(shí), 盡量選擇與實(shí)際設(shè)備的交換能力和鏈路帶寬相近的模型, 如表1所示.

表1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪Ｐ驮O(shè)置

② 應(yīng)用配置

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中, 拓?fù)渲械哪承┚W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都會(huì)作為服務(wù)器[7]提供對(duì)外的應(yīng)用, 相應(yīng)的應(yīng)用配置如表2所示.

表2 客艙應(yīng)用配置

同時(shí), 再創(chuàng)建一條從IFES到Passengers的ip_traffic_flow的需求模型, 并配置其流量屬性為8Mbits/s和30 packets/s(以模擬視頻廣播服務(wù)).

③ 在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中, 拓?fù)渲械哪承┚W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)作為用戶訪問其他節(jié)點(diǎn)提供的應(yīng)用, 相應(yīng)的用戶配置如表3所示.

表3 客艙用戶配置

通過以上的各種配置, 就模擬出了飛機(jī)客艙網(wǎng)絡(luò)使用的典型場(chǎng)景.

5.2 網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果與分析

當(dāng)完成仿真設(shè)計(jì)后, 將該仿真場(chǎng)景運(yùn)行4個(gè)小時(shí),獲取的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行主要結(jié)果如圖4至圖6所示.

圖4 仿真網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延

圖5 仿真網(wǎng)關(guān)(ADRM/AGW)CPU利用率

從以上的仿真運(yùn)行結(jié)果可知, 客艙業(yè)務(wù)典型應(yīng)用在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中運(yùn)行時(shí)的表現(xiàn)為:

① 延時(shí)小: 平均網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不到1 ms;

② 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源消耗少: 兩臺(tái)路由器CPU占用率最大僅為2%;

③ 丟包率低: 兩臺(tái)主要交換設(shè)備均無丟包.

因此說明該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在性能上完全滿足當(dāng)前客艙業(yè)務(wù)要求, 同時(shí)還有充足的余量來應(yīng)對(duì)未來業(yè)務(wù)變化帶來的擴(kuò)展, 很好的證明了該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可行性.

但是隨著客艙業(yè)務(wù)的進(jìn)一步豐富, 尤其是旅客對(duì)視頻點(diǎn)播等個(gè)性化服務(wù)需求的增加, 可以預(yù)計(jì)對(duì)IFES的服務(wù)性能與帶寬要求將是未來客艙網(wǎng)絡(luò)的主要關(guān)注點(diǎn), 應(yīng)在未來的項(xiàng)目中重點(diǎn)關(guān)注.

圖6 仿真交換機(jī)(ADSM/ECSM)丟包率

4.4 民用飛機(jī)客艙一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案特點(diǎn)

由前面章節(jié)的論述可知, 本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備以下特點(diǎn):

① 技術(shù)的成熟性: 在本方案中, 數(shù)據(jù)交換基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議族. 因此, 無論是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離的VLAN技術(shù), 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾的防火墻技術(shù), 還是保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的QoS技術(shù), 保證數(shù)據(jù)安全的加密/認(rèn)證技術(shù), 都有大量的標(biāo)準(zhǔn)支撐和實(shí)踐運(yùn)用, 從而保證了技術(shù)的成熟度;

② 實(shí)施的可行性: 本文使用當(dāng)前業(yè)內(nèi)專用的OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具, 在該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案上進(jìn)行了典型客艙業(yè)務(wù)的仿真實(shí)驗(yàn), 通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該方案能夠滿足當(dāng)前典型客艙業(yè)務(wù)的使用; 并指出用戶視頻娛樂需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬增加的要求非常迫切, 而以太網(wǎng)技術(shù)在日常生活中已證明可以很好的滿足這樣的需求;

③ 產(chǎn)品的支持性: 對(duì)于AGW、ADSM、ADRM等概念設(shè)備, 在航電設(shè)備市場(chǎng)上并不難找到其支持產(chǎn)品,如: Honeywell的CNX-250能支持AGW和ADRM要求的功能; Cobham的JetLAN270能支持ADSM要求的功能.這些設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了產(chǎn)品支持;

④ 配置的靈活性: 通過VLAN的配置和劃分, 或者防火墻規(guī)則的更改, 能夠在不更改設(shè)備物理連接的情況下, 方便的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男薷囊詽M足業(yè)務(wù)需求的更改; 相比傳統(tǒng)的設(shè)備拆卸, 連線更換, 極大的提高了靈活性;

⑤ 擴(kuò)展的良好性: 需要添加新的功能模塊到當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)中時(shí), 僅需根據(jù)該功能安全級(jí)別識(shí)別出其屬于哪個(gè)相關(guān)域, 連接到相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備, 完成相關(guān)的優(yōu)先級(jí)配置、安全性配置即可實(shí)現(xiàn)新設(shè)備的接入與新功能的擴(kuò)充.

6 結(jié)語

從客艙系統(tǒng), 甚至整個(gè)航電系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程來看,形式綜合化、功能模塊化是大的發(fā)展方向; 客艙系統(tǒng)的CCS、IFES、ECS各子系統(tǒng)之間相互協(xié)作、信息共享、設(shè)備復(fù)用、綜合布線以及一體化設(shè)計(jì)和集成也是客艙產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì). 由于以太網(wǎng)絡(luò)在日常領(lǐng)域的大量運(yùn)用, 其在技術(shù)成熟度、網(wǎng)絡(luò)性能、可擴(kuò)展性等方面已經(jīng)得到了廣泛的驗(yàn)證, 因此本文設(shè)計(jì)的基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案迎合了當(dāng)前客艙系統(tǒng)諸多方面的要求, 符合客艙系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì), 但在具體的視頻點(diǎn)播性能、網(wǎng)絡(luò)安全性和網(wǎng)絡(luò)性能實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面還有待進(jìn)一步深入研究與實(shí)踐.

1ARINC 637P1-1-2000 Aeronautical telecommunications network (ATN) implementation provisions, part 1, protocols and services. Aeronautical Radio Incorporated, 2000.

2王延路, 袁炳南, 劉語喬. 民機(jī)試飛空地一體化綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)研究. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2012, 35(15): 110–112,118. [doi: 10.3969/j.issn.1004-373X.2012.15.035]

3Hanka O, Tobeck N, Kuntze N, et al. A resilient and distributed cabin network architecture. Proc. 2014 IEEE/AIAA 33rd Digital Avionics Systems Conference. Colorado Springs, CO, USA. 2014. 1–16.

4ARINC 664P5-2005 Aircraft data network-part 5: Network domain characteristics and interconnection. Riva Road,Annapolis, Maryland: Aeronautical Radio Incorporated, 2005.

5ARINC: Commercial aircraft information security concepts of operation and process framework. Document ARINC Report 811. Aeronautical Radio Incorporated, 2005.

6Sethi AS, Hnatyshin VY. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真OPNET實(shí)用指南.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

7ARINC 763-3-2005 Network server system (NSS). Aeronautical Radio Incorporated, 2005.

Cabin Network Architecture Design for Civil Aircraft Based on Ethernet

SHI Yu-Hang, LI Ming, DENG Zhen
(China Electronics Technology Avionics Co. Ltd., Chengdu 611731, China)

The cabin system is an important part of the civil aircraft avionics system, mainly consisting of the cabin core system, the airborne entertainment system and the external communication system. This paper designs an integrated network architecture to cover all cabin typical business senarios through the analysis of the typical cabin business services, the principle of cabin network design and the common devices in cabin application based on the existing ethernet technology. Then it also states detailed function requirements about important communicated devices in cabin networks,and uses OPNET software to get the simulation result to demonstrate the feasibility and superiority of the integrated network architecture designed in this paper.

civil aircraft; cabin system; network architecture; integrated design; ethernet technique; OPNET

施俞行,黎明,鄧振.基于以太網(wǎng)的民用飛機(jī)客艙網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2017,26(7):43–49. http://www.c-s-a.org.cn/1003-3254/5964.html

2016-11-08; 收到修改稿時(shí)間: 2017-02-15