AFDX航空通信協(xié)議及其核心技術(shù)分析

中航西安飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司 張涵中

航空電子系統(tǒng)是基于航空通信技術(shù)發(fā)展起來的，在當(dāng)前我國的航空航天行業(yè)中，航空電子系統(tǒng)有著重要的應(yīng)用。AFDX從本質(zhì)上來說是一種交換技術(shù)，在應(yīng)用中能夠滿足航空行業(yè)對可靠性、實時性等方面的要求。本文以AFDX航空通信協(xié)議為主要研究對象，在對AFDX航空通信協(xié)議進行研究之后，著重分析了基于AFDX航空通信協(xié)議及其核心技術(shù)，旨在促進我國航空行業(yè)技術(shù)水平的提高。

AFDX航空通信協(xié)議作為一種先進技術(shù)，主要應(yīng)用于目前大中型民用飛機以及軍用飛機中，通過拓撲網(wǎng)絡(luò)的建立來實現(xiàn)航空通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。AFDX航空通信協(xié)議擁有的技術(shù)優(yōu)勢，使得其能夠在航空領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。基于當(dāng)前我國航空通信行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展要求，對基于AFDX航空通信協(xié)議及其核心技術(shù)進行分析，能夠為我國航空通信行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供借鑒的思路和經(jīng)驗。

1 AFDX航空通信協(xié)議

在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展下，傳統(tǒng)的語音通信已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前各個行業(yè)和領(lǐng)域的通信需求。對于航空航天領(lǐng)域來說，通信系統(tǒng)需要滿足高速數(shù)據(jù)、圖像、多媒體等在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)需求，才能夠更好的促進航空通信領(lǐng)域的發(fā)展。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，現(xiàn)階段各種信息業(yè)務(wù)的傳輸方式已經(jīng)朝著網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)姆较蜣D(zhuǎn)變，AFDX網(wǎng)絡(luò)就是在這種情況下發(fā)展起來的。AFDX網(wǎng)絡(luò)主要由終端系統(tǒng)、AFDX交換機以及航空電子系統(tǒng)三個部分組成，以AFDX網(wǎng)絡(luò)建立和發(fā)展起來的AFDX航空通信協(xié)議，已經(jīng)成為當(dāng)前我國航空行業(yè)應(yīng)用的主要通信系統(tǒng)技術(shù)，對促進航空通信的發(fā)展具有重要的意義。

2 基于AFDX航空通信協(xié)議及其核心技術(shù)的具體分析

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為人們探索世界的未知領(lǐng)域提供了更加簡便的條件。AFDX網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和應(yīng)用，能夠有效解決以往航空通信技術(shù)在實時通信、可靠性等方面的質(zhì)量問題，對促進航空領(lǐng)域的高效發(fā)展起到了重要的作用。在對基于AFDX航空通信協(xié)議及其核心技術(shù)進行分析時，主要可以從以下幾個方面來入手：

2.1 AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

AFDX網(wǎng)絡(luò)是在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上發(fā)展起來的，在實際應(yīng)用中可以劃分為物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層。與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)相比，AFDX網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中不僅能夠滿足數(shù)據(jù)的有序傳輸需求，還能夠通過虛擬鏈路來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行蛐院涂煽啃浴?/p>

具體來說，AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要包括AFDX發(fā)送協(xié)議棧以及AFDX接收協(xié)議棧。AFDX發(fā)送協(xié)議棧主要承擔(dān)著數(shù)據(jù)的發(fā)送功能，利用AFDX發(fā)送協(xié)議棧進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，首先由傳輸層為數(shù)據(jù)添加UDP，含有UDP的數(shù)據(jù)包在進入IP網(wǎng)絡(luò)層之后，依據(jù)虛擬線路來實現(xiàn)對最大幀的判斷，將數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)進行分包處理，并依次為各個分包添加IP報頭、IP校驗和以太網(wǎng)報頭。當(dāng)數(shù)據(jù)包不需要進行分包處理時，則直接為其添加報頭。然后再依據(jù)虛擬鏈路調(diào)度和冗余處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

AFDX接收協(xié)議棧主要承擔(dān)著數(shù)據(jù)的接收功能，再利用AFDX接收協(xié)議棧進行數(shù)據(jù)接收時，首先需要在虛擬鏈路層對數(shù)據(jù)包是否正確進行校驗，依據(jù)檢驗結(jié)果對數(shù)據(jù)包進行完整性檢查或冗余處理。當(dāng)數(shù)據(jù)進入IP層后，在對IP進行檢查之后，需要進行數(shù)據(jù)包的解包處理，并將其發(fā)送到傳輸層，再通過傳輸層的多路分配器，將數(shù)據(jù)發(fā)送到AFDX端口，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。

2.2 AFDX航空通信協(xié)議的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）航空電子子系統(tǒng)設(shè)計

在對AFDX航空通信協(xié)議的硬件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，首先要從航空電子的子系統(tǒng)入手，保證AFDX航空通信協(xié)議輸入前端能夠正確發(fā)揮作用?，F(xiàn)階段，AFDX系統(tǒng)已經(jīng)成為飛機駕駛艙設(shè)計應(yīng)用的主要系統(tǒng)，在對航空電子子系統(tǒng)進行設(shè)計時，最主要的就是要設(shè)計控制器局域網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前應(yīng)用航空領(lǐng)域控制器局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的總線以CAN總線為主，這種現(xiàn)場總線不僅能夠滿足抗干擾、強性能的要求，還能夠滿足航空領(lǐng)域?qū)FDX航空通信協(xié)議性能提出的要求。CAN總線在實際應(yīng)用中，主要通過總控制器模塊eCAN來實現(xiàn)功能，這一模塊擁有的32位結(jié)構(gòu)，能夠在利用內(nèi)部嵌入硬核的方式實現(xiàn)協(xié)議的有效運行，且外部的連線方式也較為簡單，能夠有效保證全局網(wǎng)絡(luò)時間的同步效果。

（2）芯片硬件設(shè)計

芯片是AFDX航空通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)運行的重要依據(jù)。在依據(jù)芯片來對AFDX航空通信協(xié)議進行設(shè)計時，最主要的就是滿足芯片配置電路模塊的功能需求。在對芯片進行選擇時，首先，需要滿足模塊內(nèi)部的DLL向數(shù)字時鐘管理模式的轉(zhuǎn)變需求，提高模塊運行的靈活性。其次，需要滿足擴充系統(tǒng)的邏輯容量、提高系統(tǒng)資源利用率的需求。第三，還需要滿足提升系統(tǒng)信號處理速度的需要。最后，以增加系統(tǒng)的存儲容量為主要目標(biāo)，而由于芯片主要在AFDX航空通信協(xié)議的物理層發(fā)揮作用，因而在對AFDX航空通信協(xié)議進行設(shè)計時，還要從物理層硬件設(shè)計的角度入手，提高對物理層控制芯片選擇工作的重視程度。

2.3 AFDX航空通信協(xié)議的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

AFDX航空通信協(xié)議的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計是應(yīng)用核心技術(shù)較多的部分，在對軟件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，應(yīng)用的AFDX核心技術(shù)主要包括虛擬鏈路、冗余管理兩部分內(nèi)容。而除了應(yīng)用AFDX的核心技術(shù)之外，軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計還要重視完整性檢測模塊的設(shè)計分析。完整性檢測模塊的設(shè)計位于冗余管理之前，以保證數(shù)據(jù)的完整性為主要設(shè)計目標(biāo)，通過驗證完整性檢測模塊是否能夠滿足消除無效幀的功能，達到保證數(shù)據(jù)信息完整性的目的。

2.4 AFDX核心技術(shù)

（1）虛擬鏈路

虛擬鏈路是AFDX航空通信協(xié)議應(yīng)用的主要核心技術(shù)之一，在AFDX航空通信協(xié)議中，虛擬鏈路能夠?qū)FDX協(xié)議進行有效處理。與以往以太網(wǎng)應(yīng)用的CSMA/CD技術(shù)相比，虛擬鏈路重新定義了一條能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息發(fā)送和接收的源地址和目的地址。虛擬鏈路的應(yīng)用，主要可以從最大帶寬分配以及流量規(guī)整與鏈路調(diào)度兩個方面入手。從最大帶寬分配的角度來說，虛擬鏈路的應(yīng)用能夠通過設(shè)定最大可用帶寬，滿足實際帶寬的分時復(fù)用需求。而從流量規(guī)整與鏈路調(diào)度的角度來說，虛擬鏈路的應(yīng)用，不僅能夠通過流量整形來減少突發(fā)流量情況對虛擬鏈路正常運行造成的影響，還能夠?qū)崿F(xiàn)對每條鏈路最大帶寬的限制，進而滿足對AFDX網(wǎng)絡(luò)提出的固定性要求。

（2）冗余管理

冗余管理也是AFDX航空通信協(xié)議主要應(yīng)用的核心技術(shù)之一，該技術(shù)在AFDX航空通信協(xié)議中的應(yīng)用，主要通過建立冗余管理機制來實現(xiàn)。當(dāng)AFDX航空通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收時，虛擬鏈路能夠?qū)?shù)據(jù)添加SN號，再依據(jù)每一條虛擬鏈路的冗余狀態(tài)，將數(shù)據(jù)幀分別發(fā)往2個獨立的網(wǎng)絡(luò)，在接收端接收信息，并利用SN序列號對數(shù)據(jù)幀進行冗余管理。在AFDX航空通信協(xié)議中應(yīng)用冗余管理機制，能夠有效保證發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)可靠性，為航空通信提供保障。

（3）交換機技術(shù)

交換機技術(shù)主要包括兩個方面的內(nèi)容，首先是數(shù)據(jù)的幀過濾功能。交換機的幀過濾功能，能夠在數(shù)據(jù)進入交換機的運行領(lǐng)域之后，對數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)控，并檢驗數(shù)據(jù)是否能夠滿足AFDX航空通信協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準。其次是交換調(diào)度功能。交換機在實際應(yīng)用中，依據(jù)數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)牟煌枨?，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)幀在輸入端口和輸出端口之間的交換調(diào)度。這樣不僅能夠滿足數(shù)據(jù)信息的及時傳遞功能，還能夠適應(yīng)當(dāng)前我國越來越復(fù)雜的航空通信需求。

結(jié)論：綜上所述，AFDX航空通信協(xié)議對保障民用及軍用飛機的正常通信具有重要的作用。基于當(dāng)前不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，在對AFDX航空通信協(xié)議進行設(shè)計時，不僅要關(guān)注軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計對協(xié)議整體性能的影響，還要更加關(guān)注核心技術(shù)在AFDX航空通信協(xié)議中的有效應(yīng)用。充分利用好虛擬鏈路、冗余管理以及交換機技術(shù)，對促進AFDX航空通信協(xié)議應(yīng)用技術(shù)水平的提高具有重要的作用。