基于AFDX的MIB管理數(shù)據(jù)庫的研究和實現(xiàn)

劉 宇，金 鑫，周治國

（中國電子科技集團公司第三十二研究所，上海 201808）

1 引言

隨著航空電子的快速發(fā)展，在MIL-STD系列、ARINC-429和ARINC-629數(shù)據(jù)通訊方式之后，基于ARINC-664的AFDX網(wǎng)絡憑借吞吐量大、時間確定性高以及與以太網(wǎng)兼容性好等優(yōu)勢，逐漸成為航空電子設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞健FDX是航空用全雙工交換式網(wǎng)絡（Avionics Full Duplex Switched Ethernet）的簡稱，是一個用來定義在航空電子系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換所應遵循的電氣要求和協(xié)議規(guī)范（IEEE802.3和ARINC 664的第7部分）的標準[1]。該標準定義了端系統(tǒng)和交換機在鏈路層、網(wǎng)絡層等網(wǎng)絡體系結構上的功能、性能和互操作性，定義了虛擬鏈路、帶寬分配、冗余管理、幀完整性過濾、流量管制、交換機靜態(tài)路由配置等機制[2]。AFDX在IEEE802.3協(xié)議的基礎上引入了虛擬鏈路的概念，每條虛擬鏈路都有間隔、抖動以及延遲等參數(shù)，保證虛擬鏈路上的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

AFDX網(wǎng)絡管理包括對網(wǎng)絡中交換機、端系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，如圖1所示，管理信息通過SNMP協(xié)議[3]進行交互。SNMP作為一組為實現(xiàn)網(wǎng)絡自動化管理任務而制定的一系列通行標準，被廣泛應用于計算機網(wǎng)絡管理活動中?，F(xiàn)有的AFDX網(wǎng)絡管理也采用SNMP協(xié)議通過AFDX網(wǎng)絡發(fā)送查詢命令以及相應回復，以此來實現(xiàn)對綜合任務處理系統(tǒng)的監(jiān)控與管理。

AFDX交換機是AFDX網(wǎng)絡的核心設備，支持10 BaseT和100 BaseT的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸[4]，幾乎所有的數(shù)據(jù)流都會通過交換機進行傳輸，所以為了維護AFDX網(wǎng)絡的安全，監(jiān)控網(wǎng)絡中每個交換機的數(shù)據(jù)流信息尤為重要，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的流量、錯誤統(tǒng)計需要及時上報，所以在ARINC 664的第7部分中規(guī)定每100 ms更新一次數(shù)據(jù)庫[2]。本文介紹了AFDX交換機中MIB信息管理庫的主要特點和具體內容，分析了MIB的組織架構，給出了MIB系統(tǒng)結構與設計的方法，并在基于自主研發(fā)的AFDX的真實網(wǎng)絡環(huán)境下實現(xiàn)了AFDX交換機的數(shù)據(jù)管理，每10 ms更新一次數(shù)據(jù)庫，達到了實時性的要求。

圖1 AFDX網(wǎng)絡管理的結構圖

2 AFDX交換機的MIB管理數(shù)據(jù)庫

基于AFDX的MIB管理數(shù)據(jù)庫存儲著所有端口和虛擬鏈路VL上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，主要包括基于端口和基于VL的各種數(shù)據(jù)類型的統(tǒng)計值，主要類型如表1所示。

AFDX交換機基于端口的數(shù)據(jù)類型主要指每個端口內MAC層各種狀態(tài)的統(tǒng)計，它能反映交換機每個端口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的工作情況。而基于VL的數(shù)據(jù)類型主要指每條虛擬鏈路各種狀態(tài)的統(tǒng)計，它能反映該VL在交換機中的數(shù)據(jù)處理情況。

各種數(shù)據(jù)類型的統(tǒng)計值隨著AFDX交換機的數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)實時進行變化，然后定時把狀態(tài)值通知給網(wǎng)絡管理主機，網(wǎng)絡管理主機則通過監(jiān)視和分析網(wǎng)絡中所有系統(tǒng)的管理數(shù)據(jù)庫信息，發(fā)現(xiàn)是否有異常信息，及時對整個網(wǎng)絡系統(tǒng)進行修復。

表1 AFDX交換機MIB管理數(shù)據(jù)的主要類型

3 AFDX交換機的MIB引擎結構

根據(jù)AFDX交換機的MIB管理數(shù)據(jù)庫的特點，MIB引擎應包含兩部分功能：基于端口的數(shù)據(jù)信息管理和基于VL的數(shù)據(jù)信息管理。MIB引擎管理的端口共24個，VL共4096條。端口類數(shù)據(jù)信息存儲在寄存器里，而VL類數(shù)據(jù)信息因數(shù)據(jù)量巨大，所以存儲在RAM里。MIB引擎的功能結構如圖2所示。

圖2 AFDX交換機MIB引擎的功能結構圖

基于端口的數(shù)據(jù)信息處理模塊主要負責收集端口類的數(shù)據(jù)信息，存儲在相應的寄存器里，然后根據(jù)基于端口的MIB幀格式組成MIB幀送給MAC層轉發(fā)出去。按照24個端口、每個端口有11種數(shù)據(jù)類型統(tǒng)計，共264個統(tǒng)計值，裝載到一個1404 B的MIB幀內?；诙丝诘腗IB幀格式如表2所示。

表2 基于端口的MIB幀格式

基于VL的數(shù)據(jù)信息處理模塊主要負責收集VL類的數(shù)據(jù)信息，存儲在RAM里，然后根據(jù)基于VL的MIB幀格式組成MIB幀送給MAC層轉發(fā)出去。按照4096條VL、每條VL有6種數(shù)據(jù)類型統(tǒng)計，可根據(jù)single或burst模式，以1條VL為1組或32條VL為1組，裝載到一個76 B或820 B的MIB幀內。Burst模式下基于VL的MIB幀格式如表3所示。

表3 Burst模式下基于VL的MIB幀格式

4 設計與實現(xiàn)

基于端口和VL的數(shù)據(jù)信息處理模塊主要包括更新、數(shù)據(jù)信息儲存單元和MIB幀生成這三部分功能模塊。更新數(shù)據(jù)信息主要來自MAC層的各端口或VL的計數(shù)器，數(shù)據(jù)信息存儲單元由寄存器或RAM實現(xiàn)，而不同類型MIB幀按照表2和表3的格式進行構建。

4.1 基于端口的MIB幀的實現(xiàn)

組成基于端口的MIB幀采用狀態(tài)機來實現(xiàn)，包括16個狀態(tài)：空閑、發(fā)送MIB幀頭0、發(fā)送MIB幀頭1、發(fā)送MIB幀頭2、發(fā)送MIB幀頭3、發(fā)送MIB幀頭4、發(fā)送MIB幀頭5、發(fā)送MIB幀頭6、發(fā)送Port_Status、發(fā)送 TxOctets、發(fā)送 TxDropPkts&RxDropPkts、發(fā)送RxOctets、發(fā)送 RxUnderSizePkts&RxExcessSizeDisc 、發(fā)送RxSymbolErrors&RxJabbers、發(fā)送RxAlignment Errors&RxFcsErrors、發(fā)送RxFragments、等待MAC空閑。這16個狀態(tài)的跳轉如圖3所示。

4.2 基于VL的MIB幀的實現(xiàn)

組成基于VL的MIB幀包括11個狀態(tài)：空閑、等待MAC空閑、發(fā)送MIB幀頭0、發(fā)送MIB幀頭1、發(fā)送MIB幀頭2、發(fā)送MIB幀頭3、發(fā)送MIB幀頭4、發(fā)送MIB幀頭5、發(fā)送MIB統(tǒng)計0、發(fā)送MIB統(tǒng)計1、發(fā)送MIB統(tǒng)計2。這11個狀態(tài)的跳轉如圖4所示。

圖3 基于端口的MIB幀狀態(tài)機跳轉圖

圖4 基于VL的MIB幀狀態(tài)跳轉圖

5 結果分析

在ARM開發(fā)板的VxWorks操作系統(tǒng)下開發(fā)MIB數(shù)據(jù)管理軟件，對來自AFDX交換芯片的MIB幀進行解析。多個端系統(tǒng)與AFDX交換機構成AFDX網(wǎng)絡，端系統(tǒng)通過交換機進行相互通訊，然后通過ARM開發(fā)板上的MIB數(shù)據(jù)管理軟件對交換機上的數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息進行分析。圖5是根據(jù)典型應用環(huán)境搭建的MIB數(shù)據(jù)管理驗證平臺。

通過搭建的MIB數(shù)據(jù)管理驗證平臺模擬了實際應用情況，在測試環(huán)境中模擬了多個端系統(tǒng)共15條VL的數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)測試點不同，每條VL數(shù)據(jù)的功能屬性也不同，基于VL的采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖6所示。

圖6 基于VL的MIB數(shù)據(jù)管理示意圖

在圖6的測試數(shù)據(jù)中，VL0～1是100 Mbps速率下VL過濾丟棄和MAC層丟棄的統(tǒng)計，VL2是警管功能下幀丟棄的統(tǒng)計，VL3～10是不同BAG屬性的幀傳輸?shù)慕y(tǒng)計，VL11～VL14是超時丟棄的統(tǒng)計。

測試結果表明MIB數(shù)據(jù)管理軟件實時監(jiān)視交換機的每個端口及每條VL的統(tǒng)計信息，每10 ms系統(tǒng)就能更新所有端口和VL的信息，遠超過ARINC 664的第7部分中規(guī)定的100 ms更新一次的要求。

6 結論

本文根據(jù)AFDX網(wǎng)絡的主要特點，分析了AFDX網(wǎng)絡的MIB管理數(shù)據(jù)庫的組織架構，提出了適用于AFDX交換機的MIB幀結構和對應的MIB管理數(shù)據(jù)庫的設計方法，最后模擬AFDX網(wǎng)絡的典型工作環(huán)境，測試了MIB數(shù)據(jù)管理功能的正確性。使用MIB幀攜帶管理信息的方法，實現(xiàn)簡單、移植性強，可應用于其他網(wǎng)絡管理中。