一種AFDX交換機(jī)的高效檢測方法*

何向棟，白 楊，田 園，賈世偉

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

一種AFDX交換機(jī)的高效檢測方法*

何向棟，白 楊，田 園，賈世偉

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安710065)

航空電子全雙工交換以太網(wǎng)(AFDX)是為航電信息系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而專門制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，具有確定性、雙余度和可靠性等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于新一代航電網(wǎng)絡(luò)。分析了ARINC664Part7中交換機(jī)章節(jié)及對應(yīng)的通信架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)特點，提出一種高效率適合AFDX交換機(jī)的通信測試方法。通過測試與驗證，證明該方法對通信功能的測試正確且效率較高。

AFDX；交換機(jī)；高效率；通信測試

0 引言

航空電子全雙工交換以太網(wǎng)(AFDX)[1]基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合航空電子系統(tǒng)特殊需求對該協(xié)議的部分MAC進(jìn)行適應(yīng)性修改，使其成為具有高速和確定性的網(wǎng)絡(luò)，形成航空以太網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)ARINC 664，其中第7部分重點對AFDX網(wǎng)絡(luò)的各項內(nèi)容進(jìn)行詳述，并且已成功應(yīng)用到空客A380、波音787和A400M等大型飛機(jī)的航電系統(tǒng)中。

AFDX網(wǎng)絡(luò)作為航空數(shù)據(jù)通信的確定性專用網(wǎng)絡(luò)，順利成為航電系統(tǒng)中通信“骨架”，在大中型運輸機(jī)中有很強(qiáng)的適應(yīng)性，相比于傳統(tǒng)機(jī)載數(shù)據(jù)總線，其具備速率高、質(zhì)量小、穩(wěn)定可靠、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)勢，具有很好的應(yīng)用前景。隨著AFDX應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大及外場維修等的特殊要求，本文提出了一種針對AFDX交換機(jī)物理端口的高效率測試方法。

1 AFDX交換機(jī)功能

AFDX交換機(jī)實現(xiàn)的功能有：幀交換、內(nèi)嵌端系統(tǒng)、幀過濾、警管、配置表和監(jiān)控功能，如圖1所示。

圖1 AFDX交換機(jī)功能示意圖

過濾功能：對進(jìn)入交換機(jī)內(nèi)部的幀進(jìn)行完整性檢查，過濾內(nèi)容包括：CRC有效性；目的MAC地址有效性；VL與輸入端口是否匹配；幀長為字節(jié)的整數(shù)倍；幀長小于等于配置表中定義的最大幀長；幀長大于等于配置表中定義的最小幀長。

警管功能：采用基于令牌桶算法的流量管制策略對進(jìn)入交換機(jī)幀進(jìn)行丟棄判定，具體算法見參考文獻(xiàn)[2]。

配置表功能：交換機(jī)虛擬鏈路VL的端口配置及通信規(guī)則配置。

端系統(tǒng)功能：實現(xiàn)交換機(jī)信息配置、網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)加卸載等功能，但不支持規(guī)范定義的雙余度功能。

幀交換功能：將輸入的數(shù)據(jù)幀根據(jù)配置表轉(zhuǎn)發(fā)至輸出端口。

捕獲功能：通過配置映射將交換機(jī)任意物理端口或者虛擬鏈路VL數(shù)據(jù)實時采集并輸出。

交換機(jī)實現(xiàn)技術(shù)可參考文獻(xiàn)[3]，文獻(xiàn)中詳細(xì)分析了AFDX交換功能機(jī)理和工程化實現(xiàn)。

2 AFDX交換機(jī)設(shè)計及現(xiàn)有測試方法

2.1 交換機(jī)設(shè)計

基于ARINC664P7協(xié)議規(guī)范內(nèi)容，AFDX交換機(jī)設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 交換機(jī)設(shè)計框圖

設(shè)計主要由兩大部分組成，分別為：處理器控制電路和交換控制電路。處理器控制電路包括：處理器，負(fù)責(zé)處理內(nèi)嵌端系統(tǒng)、協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)管理等功能；SDRAM，負(fù)責(zé)運行時的程序和數(shù)據(jù)存放；Flash，負(fù)責(zé)Boot、操作系統(tǒng)、應(yīng)用和測試程序的固化存放；CPLD，負(fù)責(zé)上電啟動控制、復(fù)位管理、控制/地址解析等功能。交換機(jī)控制電路包括：DPRAM(tx)，負(fù)責(zé)內(nèi)嵌端系統(tǒng)發(fā)送幀數(shù)據(jù)緩存；DPRAM(rx)，負(fù)責(zé)內(nèi)嵌端系統(tǒng)接收幀數(shù)據(jù)緩存；SSRAM，負(fù)責(zé)各個端口間幀轉(zhuǎn)發(fā)緩存；PHY接口，交換機(jī)物理層接口電路，通過MII接口與FPGA通信；FPGA電路，負(fù)責(zé)實現(xiàn)過濾、警管、幀存儲控制轉(zhuǎn)發(fā)、配置表、捕獲等功能。AFDX交換機(jī)測試即為對上述電路或資源進(jìn)行測試檢查，并測試AFDX通信功能。

2.2 現(xiàn)有測試方法

現(xiàn)有AFDX交換機(jī)的測試方法主要采用集成多端口的專用測試設(shè)備進(jìn)行交換機(jī)功能/性能測試[4-5]，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)有交換機(jī)測試示意圖

圖3中模擬端系統(tǒng)A(或模擬端系統(tǒng)B)可以通過專門編寫特定測試用例來檢驗被測交換機(jī)的路由及轉(zhuǎn)發(fā)等功能，并通過模擬端系統(tǒng)B(或模擬端系統(tǒng)A)來檢驗判定轉(zhuǎn)發(fā)幀是否正確。為模擬大量幀數(shù)據(jù)經(jīng)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)功能，需要專用AFDX網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備模擬多個AFDX通信終端接口，并編排多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，包括：不同BAG帶寬，不同幀長度，不同轉(zhuǎn)發(fā)端口等綜合測試設(shè)計來驗證交換機(jī)在復(fù)雜通信環(huán)境下的功能/性能，同時也對專用網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備提出了較高的要求。

現(xiàn)有測試方法有一個共同特點：測試系統(tǒng)需要外部設(shè)備來產(chǎn)生幀激勵源，并判定結(jié)果。隨著AFDX網(wǎng)絡(luò)的成熟，其功能/性能指標(biāo)已完全能夠滿足設(shè)計需求，并隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加而廣泛應(yīng)用，而現(xiàn)有的測試方法需要大量外部測試節(jié)點作為激勵等，不利于后續(xù)產(chǎn)品檢驗和維護(hù)，為提高AFDX交換機(jī)快速檢測和產(chǎn)品排故診斷，利用AFDX交換機(jī)內(nèi)嵌端系統(tǒng)功能提出一種高效測試方法。

3 高效率通信測試方法

本測試結(jié)合AFDX交換機(jī)內(nèi)嵌端系統(tǒng)功能和IEEE 802.3全雙工通信等技術(shù)特點，設(shè)計高效率通信測試方法。通信測試思路為：利用AFDX交換機(jī)內(nèi)嵌端系統(tǒng)作為AFDX交換機(jī)的測試激勵和判定節(jié)點；利用IEEE 802.3的全雙工特點，設(shè)計自環(huán)通信電纜，即線纜設(shè)計為：TX+與RX+連接、TX-與RX-連接。

測試環(huán)境如圖4所示。從圖中看出該測試驗證環(huán)境相比其他測試環(huán)境簡化很多，僅包括一臺用于顯示的工控機(jī)以及自環(huán)電纜。

圖4 高效測試環(huán)境示意圖

測試數(shù)據(jù)流如圖5所示。依據(jù)圖5的測試數(shù)據(jù)流可測試和驗證交換機(jī)資源和功能，如圖6所示。

根據(jù)圖5和圖6所示，高效率通信測試流程為：

流程0：AFDX交換機(jī)啟動。上電啟動，通過配置控制引導(dǎo)啟動Boot和操作系統(tǒng)。此流程可驗證資源：CPU、Flash、SDRAM、RS232、電源、時鐘、復(fù)位、CPLD、PROM等；驗證功能：交換機(jī)基本啟動功能。

流程1：啟動測試程序。內(nèi)嵌端系統(tǒng)啟動高效率通信測試程序。此流程可驗證資源：CPU、SDRAM、RS232、電源、時鐘、CPLD控制；驗證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)功能。

圖5 測試數(shù)據(jù)流示意圖

圖6 測試數(shù)據(jù)流與相關(guān)資源及功能驗證對應(yīng)圖

流程2：測試幀組建。啟動TCP/IP協(xié)議棧，針對端口X配置對應(yīng)測試幀信息，并編寫測試幀內(nèi)容。此流程可驗證資源：CPU、SDRAM；驗證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)。

流程3：內(nèi)嵌端系統(tǒng)發(fā)送幀緩存。將測試幀放入DPRAM(TX)緩存，并通知FPGA控制。此流程可驗證資源：CPU、SDRAM、DPRAM(TX)；驗證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)。

流程4：幀調(diào)度1。FPGA讀取發(fā)送測試幀，并將測試幀信號寫入轉(zhuǎn)發(fā)控制邏輯進(jìn)行調(diào)度。此流程可驗證資源：FPGA；驗證功能：配置、交換。

流程5：存儲轉(zhuǎn)發(fā)。測試幀緩存。此流程可驗證資源：SSRAM、FPGA；驗證功能：交換。

流程6：幀調(diào)度2。調(diào)度控制讀取幀緩存，并根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)配置進(jìn)行調(diào)度，同時控制MAC進(jìn)入收發(fā)控制。測試幀經(jīng)外部自環(huán)電纜，再次進(jìn)入FPGA。此流程可驗證資源：FPGA、SSRAM；驗證功能：交換。

流程7：收發(fā)控制。對測試幀進(jìn)行收發(fā)控制，并對幀內(nèi)容進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度。此流程可驗證資源：FPGA、PHY等；驗證功能：過濾、警管、配置、交換。

流程8：內(nèi)嵌端系統(tǒng)接收幀緩存。經(jīng)調(diào)度，F(xiàn)PGA將幀寫入DPRAM(RX)緩存。此流程可驗證資源：FPGA、DPRAM(RX)等；驗證功能：交換。

流程9：測試幀驗證。內(nèi)嵌端系統(tǒng)讀取接收幀內(nèi)容，并依據(jù)發(fā)送幀進(jìn)行內(nèi)容核對判斷。此流程可驗證資源：CPU、DPRAM(RX)；驗證功能：內(nèi)嵌端系統(tǒng)。

流程10：循環(huán)測試。對未檢測物理端口進(jìn)行循環(huán)通信測試。

通過上述測試流程分析，該測試方法可對交換機(jī)全部硬件資源和AFDX功能(除捕獲功能)進(jìn)行驗證測試。

4 驗證測試

采用航空工業(yè)計算所貨架產(chǎn)品24端口AFDX交換機(jī)作為被測試對象，自制單端口測試電纜，外部通過RS232接入工控機(jī)超級終端進(jìn)行測試顯示和交互。

結(jié)合AFDX交換機(jī)特點，設(shè)置測試項目如表1所示。

表1 測試項目

通過上述測試用例檢測，得出此檢測方法具有較高的通信測試效率。

在實際應(yīng)用中，對上述測試程序進(jìn)行產(chǎn)品駐留，當(dāng)有測試需求時，只需一根自環(huán)測試電纜，就可以快速判定交換機(jī)診斷狀態(tài)，對后期產(chǎn)品維護(hù)和診斷提供了簡便而高效的方法。

5 結(jié)論

本文通過對AFDX交換機(jī)功能的理解和研究，利用其內(nèi)嵌端系統(tǒng)和IEEE802.3全雙工的技術(shù)特點，提出了一種高效率的自環(huán)通信檢測方法。經(jīng)測試驗證，此測試方法具有簡單、便捷、高效等特點，方便測試人員快速診斷交換機(jī)通信故障，提高測試效率。

[1] ARINC公司.ARINC 664,aircraft data network[S].2002.

[2] 王建宇,王世奎.AFDX交換機(jī)管制功能測試方法的研究與設(shè)計[J].測控技術(shù),2012,31(7): 82-84.

[3] 王綺卉.AFDX核心交換技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].西安：安石油大學(xué)，2010.

[4] 吳海榮,羅慶,陳曉晨.AFDX交換機(jī)測試分析系統(tǒng)[J].飛機(jī)設(shè)計，2014，34(3)：59-62.

[5] 趙永庫,唐來勝,李貞.AFDX網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)研究[J].計算機(jī)測量與控制，2012，20(4)：93-95.

The method of AFDX switch high efficient testing

He Xiangdong,Bai Yang,Tian Yuan,Jia Shiwei

(AVIC Aeronautical Computing Technique Research Institute,Xi’an 710065,China)

Avionics Full Duplex Switched Ethernet(AFDX),an avionics specified Ethernet communication protocol standard,is the new generation aircraft data network,with the feature of strong real-time,redundant and high reliability and so on. By analyzing the characteristics of communication structure in the ARINC 664 Part7,a highly efficient communication test method suitable for AFDX switches is proposed. Through testing and verification,it is proved that the method is correct and efficient in communication function testing.

AFDX; switch; high efficiency; communication testing

國家重點基金項目(31511020102)

TP393.07

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.024

何向棟，白楊，田園，等.一種AFDX交換機(jī)的高效檢測方法J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(24)：84-86，91.

2017-06-28)

何向棟(1985-)，通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：機(jī)載網(wǎng)絡(luò)。E-mail:dongxianghe@163.com。

白楊(1987-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：機(jī)載網(wǎng)絡(luò)。

田園(1985-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：機(jī)載網(wǎng)絡(luò)。