AFDX 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計與實現(xiàn)

，，

(1.清華大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083; 2.北京波爾通信技術(shù)股份有限公司，北京 100094)

0 引言

航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)AFDX (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)是基于IEEE 802.3及TCP/IP協(xié)議發(fā)展而來的一種新型航空總線技術(shù)，通過數(shù)據(jù)完整性校驗、網(wǎng)絡(luò)冗余性管理、固定配置表、不同虛擬鏈路傳輸速率控制等方法保證了確定性的傳輸路徑及高可靠性的實時總線傳輸。這些突出的技術(shù)優(yōu)勢使AFDX網(wǎng)絡(luò)已在空客A380、波音B787等大型商用飛機上進(jìn)行了成功應(yīng)用，未來也將一直成為主流的航空總線技術(shù)。隨著航空電子系統(tǒng)越來越多，AFDX網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度日益提高，穩(wěn)定可靠的AFDX網(wǎng)絡(luò)將會顯得十分重要[2-3]。如何對一個復(fù)雜的AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行有效的測試評估將會直接關(guān)系著航空網(wǎng)絡(luò)的順利發(fā)展。

文獻(xiàn)[4-6] 主要從端系統(tǒng)、交換端口、航空子系統(tǒng)等方面對AFDX網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計實現(xiàn)，拓展了AFDX網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思路。

文獻(xiàn)[7-11]分別從終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)、交換機延遲、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控等不同角度對AFDX網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)進(jìn)行了測試驗證，豐富了現(xiàn)有AFDX網(wǎng)絡(luò)的測試手段。

由于現(xiàn)在還沒有形成一個AFDX網(wǎng)絡(luò)的測試標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的采集方案更多偏向于數(shù)據(jù)層面的監(jiān)控分析，對于物理層，尤其是虛擬鏈路實時性方面的分析診斷和評估能力不夠。

基于以上情況，本文通過設(shè)計AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實時監(jiān)控系統(tǒng)重點闡述測試方法、實現(xiàn)方式及結(jié)果驗證。該系統(tǒng)具備較強的數(shù)據(jù)采集，存儲和分析能力，系統(tǒng)中采用的時間同步技術(shù)保障了整個系統(tǒng)時標(biāo)的一致性，可以對大型的AFDX網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，對分析整個網(wǎng)絡(luò)的實時性分析具有重大意義。

1 AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

1.1 AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由端系統(tǒng)(End System)、交換機(Switch)、虛擬鏈路(Virtual Link)組成[1]。AFDX網(wǎng)絡(luò)是一個全雙工異步網(wǎng)絡(luò)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，端系統(tǒng)是為機載電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收提供AFDX網(wǎng)絡(luò)和機載計算機之間的接口，端系統(tǒng)之間通過虛擬鏈路VL進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。每個虛鏈路定義兩個端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換通道，虛鏈路規(guī)定了數(shù)據(jù)交換源端的IP地址、UDP端口和目的終端的IP地址、MAC地址、UDP端口等5個參數(shù)，其中1個源端可對應(yīng)1個或多個目的終端，多條虛擬鏈路共用一條實際物理鏈路，并通過網(wǎng)絡(luò)中交換機進(jìn)行多播交換。虛鏈路通過幀間隙管理，冗余管理，完整性管理等模式提升AFDX總線網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性，通過靜態(tài)配置實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑及傳輸時間的確定性。

1.2 AFDX協(xié)議數(shù)據(jù)幀

AFDX協(xié)議是建立在IEEE802.3通信協(xié)議基礎(chǔ)上的一種實時通信總線，主要使用UDP協(xié)議進(jìn)行通信。AFDX協(xié)議數(shù)據(jù)幀主要包含幀間隔，前導(dǎo)碼(Preamble)，幀起始定界符(SFD)，鏈路層協(xié)議頭(MAC)，網(wǎng)絡(luò)層(IP)協(xié)議頭，應(yīng)用層協(xié)議頭(UDP)，數(shù)據(jù)域，幀序列號(SN)，數(shù)據(jù)幀校驗字(CRC)。

圖1 ARINC 664數(shù)據(jù)包格式

1.3 AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特點

1.3.1 數(shù)據(jù)傳輸實時高效

通過虛擬鏈路和固定帶寬有效保證了AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邔崟r性。

AFDX引入了基于時隙模式的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則，該規(guī)則規(guī)定了單位時間內(nèi)某一個虛擬鏈路上可以傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量。多個虛擬鏈路共用一組物理網(wǎng)絡(luò)。通過引入時隙模式，保障了在網(wǎng)絡(luò)中每個虛擬鏈路的帶寬，也就同時保證了虛擬鏈路的實時性。虛擬鏈路通過兩個參數(shù)保證計算虛擬鏈路的帶寬，BAG和Lmax。BAG表示在某一條虛擬鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀之間的時間間隔，該間隔時間規(guī)定為：1 ms，2 ms，4 ms，8 ms，32 ms，64 ms，128 ms共計7中BAG值。Lmax規(guī)定為每個數(shù)據(jù)幀的最大字節(jié)數(shù)，長度不超過AFDX網(wǎng)絡(luò)最大數(shù)據(jù)幀字節(jié)數(shù)1 518字節(jié)。虛擬鏈路的速度計算公式為：Speed =Lmax/BAG，其中Speed代表每條虛擬鏈路最大傳輸速度。BAG代表數(shù)據(jù)幀的BAG值。BAG和Lmax的數(shù)值在組網(wǎng)時確定。

圖2 虛擬鏈路VL 參數(shù)BAG、Jitter

ARINC 664 協(xié)議要求如下[1]：

虛擬鏈路BAG值為1 ms、2 ms、4 ms、8 ms、16 ms、32 ms、64 ms、128 ms等8個中的1個。

控制抖動Jitter[1]：

注：Nbw=100 Mbps(或10 Mbps)，該參數(shù)值與實際物理網(wǎng)絡(luò)傳輸速度有關(guān)。

1.3.2 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠

AFDX網(wǎng)絡(luò)作為一個確定性的網(wǎng)絡(luò)，主要通過兩個物理交換網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)冗余管理及對源端每條虛擬鏈路接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母叻€(wěn)定性和可靠性。

1.3.2.1 完整性檢查

針對每一個虛擬鏈路接收到的數(shù)據(jù)幀，通過判斷是否連續(xù)進(jìn)行完整性檢查。AFDX協(xié)議規(guī)定[1]：每個虛擬鏈路VL發(fā)送的數(shù)據(jù)幀序號必須連續(xù)，從1到255依次進(jìn)行循環(huán)(循環(huán)后第一個數(shù)據(jù)幀序號為0，循環(huán)模式為0->1->…->255->1->…)。序號為0及在本地復(fù)位邏輯發(fā)生后的第一個接收到的數(shù)據(jù)幀必須被接收。每一個數(shù)據(jù)幀的序列號保障了數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的連續(xù)性，是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控時的一個關(guān)鍵參數(shù)。

1.3.2.2 冗余管理

主要是對每一個虛擬鏈路接收的數(shù)據(jù)包序列號和通道號進(jìn)行管理，將合格的數(shù)據(jù)包存儲后上傳至應(yīng)用層。冗余管理建立在數(shù)據(jù)幀完整性檢查之后，采用時間優(yōu)先原則，兩個通道中首先到達(dá)的數(shù)據(jù)包被接收存儲，另一個被丟棄。如果某時刻接收到的兩個數(shù)據(jù)幀時間差超過既定的值，則下一幀需要被接收。通過以上方法及規(guī)則實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冗余管理。

2 AFDX 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 AFDX網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)組成

由圖5所示，AFDX網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主要由3部分組成：AFDX網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備、AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚設(shè)備、 AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析設(shè)備。

圖5 AFDX 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

采集設(shè)備和匯聚設(shè)備之間使用速率為5 Gbps的光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。匯聚設(shè)備和數(shù)據(jù)分析設(shè)備通過萬兆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)幀時標(biāo)標(biāo)注，采集數(shù)據(jù)上傳和故障隔離的工作。

2.1.2 數(shù)據(jù)匯聚設(shè)備

數(shù)據(jù)匯聚設(shè)備主要負(fù)責(zé)所有采集設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲，以及對所有采集設(shè)備進(jìn)行授時工作。

數(shù)據(jù)匯聚設(shè)備通過光纖和每個采集設(shè)備進(jìn)行通信，時間同步信息也通過光纖進(jìn)行傳遞。

2.1.3 數(shù)據(jù)分析設(shè)備

數(shù)據(jù)分析設(shè)備使用軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，評估整個AFDX網(wǎng)絡(luò)的性能。主要分析項目有：

1)數(shù)據(jù)幀監(jiān)控：對ADFX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?？梢詫榷ㄗ侄芜M(jìn)行分析，也可以對指定字段進(jìn)行提取分析；

2)虛擬鏈路特性：對每個虛擬鏈路的完整性參數(shù)BAG和Jitter分析；

3)交換機性能：通過每個數(shù)據(jù)幀通過交換機的時間，分析交換機對每個虛擬鏈路的交換時間；

4)狀態(tài)統(tǒng)計：統(tǒng)計每個終端，交換機以及虛擬鏈路的狀態(tài)信息。狀態(tài)信息主要有幀校驗錯誤數(shù)，數(shù)據(jù)幀錯誤狀態(tài)，物理鏈路的線速度，最大速度，最小速度；虛擬鏈路的當(dāng)前速率，最大速率，最小速率等。

2.2 數(shù)據(jù)采集流程

2.2.1 數(shù)據(jù)采集方案

如圖6所示本方案中采集設(shè)備使用并聯(lián)方式通過旁路物理信號將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)旁路到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行采集，與傳統(tǒng)的串聯(lián)采集相比，該采集方案并不會對通信雙方造成影響。

圖6 AFDX數(shù)據(jù)采集方案

2.2.2 數(shù)據(jù)時標(biāo)標(biāo)注

實時性是AFDX網(wǎng)絡(luò)的一個重要特性。其中數(shù)據(jù)傳輸時間，虛擬鏈路的BAG和Jitter是體現(xiàn)實時性的重要參數(shù)。交換機評測的一個重要指標(biāo)就是交換機的數(shù)據(jù)交換延時。由此可見時間參數(shù)對于分析AFDX網(wǎng)絡(luò)的重要性。所以數(shù)據(jù)采集設(shè)備會對每個數(shù)據(jù)幀進(jìn)行時標(biāo)標(biāo)注。時標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)來自于數(shù)據(jù)匯聚設(shè)備。時標(biāo)是一個64位10 ns精度的時標(biāo)。對于每一個數(shù)據(jù)幀采集設(shè)備都必須對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行時標(biāo)標(biāo)注。

圖7 AFDX 數(shù)據(jù)幀時標(biāo)標(biāo)注

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)主要使用串聯(lián)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，也即將監(jiān)控設(shè)備串聯(lián)到網(wǎng)絡(luò)中，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一級設(shè)備。這樣做有兩個缺點：一是人為增加了網(wǎng)絡(luò)延時，二是因為引入采集設(shè)備，增強了網(wǎng)絡(luò)信號，會影響實際網(wǎng)絡(luò)的測試。

本方案采用并聯(lián)采集的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)，該技術(shù)通過旁路物理信號的方式實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集。該采集方式克服了直接旁路數(shù)據(jù)造成物理層PHY通信交互錯誤問題，同時也實現(xiàn)了無延時直接捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的功能。

3.2 時標(biāo)同步技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時標(biāo)的重要性已經(jīng)在前面章節(jié)闡述。時標(biāo)同步技術(shù)的最大難點在于時標(biāo)授時方式和時標(biāo)系統(tǒng)精度控制。

傳統(tǒng)時標(biāo)授時方式主要是通過IRIG-B的方式進(jìn)行授時，授時周期為1 s。授時精度不高，且每個授時周期內(nèi)都需要對時標(biāo)進(jìn)行修正。另外IRIG-B設(shè)備成本較高，且需要對網(wǎng)絡(luò)中的每個采集設(shè)備都需要配置一臺，對于多臺設(shè)備進(jìn)行授時極不便利。

本文的時標(biāo)同步技術(shù)實現(xiàn)方式是通過數(shù)據(jù)匯聚設(shè)備將時間是信息下發(fā)到每個采集設(shè)備，所有采集設(shè)備使用來自于數(shù)據(jù)匯聚設(shè)備的時間信息對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行標(biāo)注。授時精度將有很大提高。

4 監(jiān)控方案驗證

4.1 數(shù)據(jù)幀監(jiān)控

圖8所示為AFDX網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分析設(shè)備中分析AFDX數(shù)據(jù)幀的過程，分析設(shè)備通過分析每個數(shù)據(jù)幀的格式，將數(shù)據(jù)幀的時標(biāo)信息，關(guān)鍵信息，以及錯誤狀態(tài)信息提取到索引信息欄。同時在第二欄對數(shù)據(jù)幀內(nèi)容進(jìn)行了詳盡的解析。

圖8 數(shù)據(jù)幀監(jiān)控圖

4.2 BAG、Jitter 和完整性

BAG值和Jitter值是保障每個虛擬鏈路實時性的關(guān)鍵參數(shù)，所以在對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控分析過程中，對于每個虛擬鏈路的數(shù)據(jù)幀的BAG值和Jitter進(jìn)行分析可以有效地判斷當(dāng)前虛擬鏈路的穩(wěn)定性，進(jìn)而判斷端系統(tǒng)的性能和交換機的數(shù)據(jù)時延穩(wěn)定性。

完整性管理參數(shù)是虛擬鏈路數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵參數(shù)，該參數(shù)有效地保障了虛擬鏈路上傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)幀之間的連續(xù)性，也即保證了數(shù)據(jù)幀的完整性，該參數(shù)與BAG一起分析有利于更好地評估每個虛擬鏈路的狀態(tài)。

圖9 BAG Jitter和完整性參數(shù)監(jiān)控圖

4.3 狀態(tài)監(jiān)控

4.3.1 鏈路狀態(tài)監(jiān)控

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控主要目的是通過對數(shù)據(jù)的監(jiān)控輔助查看整個網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)，評估網(wǎng)絡(luò)性能。主要監(jiān)控的狀態(tài)信息有幀校驗錯誤數(shù)，數(shù)據(jù)幀錯誤狀態(tài)，物理鏈路的線速度，最大速度，最小速度；虛擬鏈路的當(dāng)前速率，最大速率，最小速率等。

通過圖10中對鏈路狀態(tài)的統(tǒng)計分析我們可以直觀地查看網(wǎng)絡(luò)中鏈路的狀態(tài)信息，可以對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)評估提供了極大的幫助。

圖10 鏈路狀態(tài)統(tǒng)計

4.3.2 數(shù)據(jù)幀傳輸時間監(jiān)控

如圖11所示，AFDX數(shù)據(jù)幀經(jīng)過每個采集設(shè)備的時間都進(jìn)行標(biāo)注。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行時間標(biāo)注，我們可以算得每個數(shù)據(jù)幀經(jīng)過交換機的數(shù)據(jù)延時。通過分析每個數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時間，可以很好地評估交換機的延時特性。

圖11 數(shù)據(jù)幀傳輸過程時標(biāo)監(jiān)控

5 結(jié)論

AFDX總線在國產(chǎn)大飛機項目C919中的成功應(yīng)用，使得AFDX總線得到行業(yè)的廣泛認(rèn)可。如何對一個成熟的AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行有效的評估，是目前業(yè)內(nèi)的一個重要課題。本文基于并聯(lián)數(shù)據(jù)采集技術(shù)提出的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)控方案為AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)控提供了較好的測試手段，可以有效地對AFDX網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時監(jiān)控和記錄，通過對記錄數(shù)據(jù)的分析達(dá)到評估網(wǎng)絡(luò)的目的。通過實驗發(fā)現(xiàn)，該方案可以有效地對AFDX網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行評估，豐富了后期AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試方法。