AFDX端系统协议软件设计与实现

AFDX端系统协议软件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现 刘 芸1， 王红春1， 王 兵2 (1．中航工业西安航空计算技术研究所，西安 710068; 2．西安应用光学研究所，西安 710065) 摘 要:网络作为航电系统的核心部分，其性能直接影响航电系统。AFDX 网络是新一代航空电子系统的传输网络 技术，具有高速、确定性和稳定性的特点。在深入研究 AFDX 网络协议的基础上，结合航电网络的实际应用，根据 AFDX端系统关于冗余管理、完整性检测和 VL隔离的特点，提出了一种 AFDX端系统协议软件的设计方法。该方法 通过采样、队列和 SAP 三类端口实现了 AFDX标准数据的发送和接收功能，支持 10 ( Mb·s － 1 ) /100 ( Mb·s － 1 ) 的数 据传输，并采用了 VL管理、冗余管理和完整性检测方法，有效提高了数据传输的确定性和稳定性。多次的功能和性 能测试表明，该软件设计方法实现了 ARINC664 P7 协议规定的 AFDX 端系统协议栈功能，具有良好的正确性和 可靠性。 关键词:航空电子系统; AFDX; 端系统; VL; 技术延时 中图分类号:V243;TN915 文献 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 码:A 文章编号:1671 － 637X(2012)11 － 0071 － 06 Design and Implementation of AFDX End System Software LIU Yun1 WANG Hongchun1， WANG Bing2 (1． Aeronautical Computing Technique Research Institute AVIC Xi'an 710068 China; 2． Xi'an Institute of Applied Optics Xi'an 710065 China ) Abstract:The network's performance may affect the avionic system directly as the key part of the later． Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX)is a new aircraft data network which has the characteristics of high-speed real-time and redundancy． According to the characteristics of AFDX end system in redundancy management integrity checking and Virtual Link(VL)isolation a method for develop the AFDX End System protocol software was proposed according to avionics network application． The software implemented AFDX data transmitting and receiving functions through three types of port including sampling queuing and SAP port which supported data transmission on speed of 10 (Mb· s －1) /100 (Mb· s －1)． Furthermore  VL management redundancy management and integrity checking were adopted to enhance the determinacy and reliability of data transmission． Extensive function tests and performance tests illustrated that the software can realize the end system function specified in ARINC664 P7 which has fine determinacy and reliability． Key words:avionic system;AFDX;end system;Virtual Link(VL) ;technical delay 0 引言 航空电子系统［1］是飞机的重要组成部分，现代信 息技术、微电子技术的高速发展使航空电子设备的智 能化程度提高，规模扩大，各设备之间的信息共享程度 也越来越高。航电通信网络［2］实现机载电子设备之间 的互联通信功能，需要传输各类命令、状态数据、大 收稿日期:2011 － 10 － 23 修回日期:2011 － 11 － 29 基金项目:航空科学基金项目(20101931005) 作者简介:刘 芸(1984 —) ，女，陕西宝鸡人，硕士， 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师，研究方 向为机载网络通信技术。 量的中间结果以及各类传感器实时监控数据。这就对 航电通信技术提出了更高的要求传输带宽高、网络延 时确定、网络传输可靠。 传统的航电通信技术 ARINC429 和 1553B［2］，传输 速率分别为 100 kb /s和 1 Mb /s，只能实现点对点或共 享总线通信方式，已不能满足现代航电系统规模扩大 以及传输信息种类增多后对互联高速、分布的数据传 输要求。商用的总线型以太网［3］采用 CSMA /CD 方式 共享网络带宽，虽然传输速率较高，但难以保证数据传 输的确定性，尤其是在网络上多个端口同时通信时，由 于网络拥挤，传输性能急剧下降。在这种情况下，航空 标准化机构———ARINC 于 2005 年定制了 AFDX 网络 第 19 卷 第 11 期 2012 年 11 月 电 光 与 控 制 Electronics Optics ＆ Control Vol． 19 No． 11 Nov． 2012 标准［4］(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX) ， 该标准由工业标准以太网经过适用性改进形成，支持 10 (Mb·s －1)/100 (Mb·s －1)可配置的数据传输速 率，具有更高的确定性、可靠性，能够满足现代航电系 统对网络传输的技术要求。国际上，Rockwell Collins 公司和 Thales公司已研制出 AFDX 网络产品，并成功 应用到 A350、A380、A400M、C-17 以及波音公司的 B787 等机型中［5］。目前国内对 AFDX 技术还处于理 论研究阶段，为开发具有我国自主知识产权的新一代 航电网络平台，就需要深入研究该技术并开发相关软 硬件产品。 本文在深入研究 AFDX 标准的基础上， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 AFDX协议的体系结构及保证数据传输的“确定性”和 “可靠性”机制，提出了一种 AFDX 端系统协议软件的 设计方法，该方法实现了 AFDX 协议规定的端系统功 能，具有确定性好、稳定性高的特点，能够满足实际应 用的技术需求，并为 AFDX 端系统产品的研发提 供基础。 1 AFDX网络 AFDX网络［4］作为新一代航空电子网络传输技 术，具有组网规模大和灵活性强的特点，适用于大中型 飞机的航空电子系统互联。 1． 1 网络简介 AFDX网络结构［4］为可拓展的星型拓扑结构，由 端系统、交换机和传输链路组成，每个交换机允许连接 若干个端系统，多个交换机可以互联组成更大的网络。 AFDX 交换机是 AFDX 网络的核心，通过基于虚 链路(Virtual Link，VL)的数据转发机制，实现了网络 中各个设备之间的数据传输。相比于普通交换机， AFDX交换机具有过滤功能、故障隔离和静态功能等 特点。AFDX 端系统［4］是 AFDX 网络的重要组成部 分，应用于航电系统［6］AFDX 网络的每个设备中，为网 络中的不同设备提供与 AFDX 交换机连接的统一接 口，实现 AFDX网络中各设备之间安全可靠的数据传 输功能，具有全双工、带宽高、确定、可靠等特点。 AFDX网络“确定型网络”的特性主要由端系统实 现［4］。图 1 所示为 AFDX 网络应用的一个实例，图中 多个具有冗余端口的 AFDX 端系统，与两个互为冗余 的 AFDX交换机连接，构成双余度的 AFDX航电网络， 实现网络中多个航电设备之间可靠稳定的数据通信。 该冗余机制可以有效避免单条链路失效引起的通 信错误。 图 1 AFDX网络结构 Fig． 1 AFDX network structure 1． 2 网络确定性 AFDX网络的确定性通过虚链路机制来实现［5］。 VL是一个端系统到一个或多个端系统的单向逻辑通 路，该机制将一条物理通路划分为多个互相隔离的虚 拟通路，提供各部件之间具有固定带宽的逻辑隔离，保 证了传输过程中每条虚链路的带宽不受其他试图占用 带宽的虚链路影响。基于 VL 的带宽分配和流量控制 机制保证了 AFDX网络数据传输的确定性。 对每条 VL，通过定义带宽分配间隔(Bandwidth Alignment Gap，BAG)和最大帧长度 Lmax，为数据传输分 配固定的带宽(BandWidth = Lmax /GBA)。其中，GBA为同 一条 VL上相邻两帧之间的最小时间间隔，计算公式 为:GBA = 2 k ms(k = 0，1，…，7)。 流量控制机制保证了数据传输的确定性，该功能 由 BAG和抖动实现，VL的最大抖动 J服从 J≤ 40 μs + Σ i∈{VL集合} (20 B + Lmax)× 8 b /B N J≤ 500 μ { s (1) 式中:Lmax为最大数据帧长度，单位为 B;N 为传输带 宽，单位为 b /s。 AFDX网络的数据传输还具有固定的技术延时， ARINC664 P7 标准规定数据帧的传输技术延时小于 150 μs加帧延时，即满足 L tec ＜ 150 μs + D (2) 式中:L tec为技术延时(单位 μs) ;D 为数据帧延时(单 位 μs)。 1． 3 网络的可靠性 AFDX网络的可靠性［3］通过完整性检测、数据 CRC校验和冗余管理来实现。 完整性检测功能是保证通信中数据帧的顺序正确 且完整，并丢弃无效帧，该功能通过检测数据帧的序列 号是否连续来实现。发送端在要发送的数据帧中加入 27 第 19 卷电 光 与 控 制 一个 SN号，SN号以 1 为步长逐个递增，相邻两个帧的 序列号是连续的;接收端接收数据时，依据 SN 号判断 收到的帧是否有效，并构造一个有序的帧流。完整性 检测机制可有效避免数据顺序混乱而导致的通信 错误。 数据 CRC校验功能保证数据帧内容的完整性，对 无效帧进行丢弃处理。该功能计算整个帧数据的校验 和，并与数据帧尾部的标准校验和数据进行比较，就可 以检测出该数据帧内容是否正确。 冗余管理是指数据以 VL 为基础在两个独立的网 络中通信，该机制可以有效抵御 AFDX 网络系统因部 分连接线路故障、交换机单点故障所引起的通信失效， 保证了航空电子系统任务间数据通信的安全性和可靠 性，其原理如图 2 所示。 图 2 AFDX冗余网络 Fig． 2 AFDX redundant network 在数据发送过程中，冗余管理负责将需要发送的 数据帧复制成相同的两个，发送到两个网络中;具有冗 余管理功能的目的端系统接收数据时采用“先到先有 效”的策略［6］，从不同网络收到的数据帧中选择一路正 确的数据提交上层协议处理。 2 系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 AFDX端系统的主要功能是为分区软件提供安全 可靠的数据传输。ARINC664 P7 协议规定的端系统通 信协议结构［4］如图 3 所示。 AFDX 端系统模块在具体的方案设计中，基于分 层设计的思想，按功能将其划分为 4 层:MAC 层、IP 协 议层、UDP协议层以及主机服务接口层。具体的层次 结构及其对应的实现方法如图 4 所示。 MAC层实现链路虚通道管理［7 － 8］(VL 管理)和冗 余管理(RM)功能。VL 管理机制负责将每个 MAC 对 应的物理链路划分为多个独立的逻辑虚链路。冗余管 理实现 MAC层数据帧的冗余处理功能，发送数据时， RM负责将数据通过两个冗余的端口发送到两个不同 的网络;接收数据时，RM 从通过两个端口收到的不同 网络的两个数据中，选择一个正确的数据提交给上层 处理，该功能由硬件和 FPGA逻辑部分实现。 IP协议层［3］提供无连接的数据报传输机制，对数 据进行“尽力传递”，主要实现数据的 IP封装和分片功 能，并采用完整性检测方法来保证数据的完整性。IP 封装负责对数据添加 IP首部和尾部组成标准的 IP 数 据包;分片功能实现了数据的片划分、片重组、分片控 制功能，使长度大于 AFDX数据包最大帧长 1518 字节 的 IP数据包也能进行传输。 图 3 端系统协议层次结构 Fig． 3 End system protocol structure UDP协议层［3］建立在 IP协议之上，提供无连接的 数据报传输，实现用户数据报文协议。为用户提供 3 37第 11 期 刘 芸等: AFDX端系统协议软件设计与实现 类协议端口采样、队列、SAP，通过端口机制保证了具 有相同 IP地址的不同进程的数据通信。IP 层和 UDP 层功能由驱动软件实现。 图 4 ES通信层次结构 Fig． 4 ES communication structure 3 软件设计 AFDX端系统协议软件在设计［9］中，遵循模块化、 开放式的思想，基于 IP /UDP协议实现了 ARINC664 P7 规定的 3 类端口的数据传输功能［10］。该软件支持 3 类 端口的 AFDX标准数据传输，并提供应用接口，可以不 用修改软件内部结构，通过接口方便灵活地控制数据 传输过程，实现特定数据的发送和接收功能。3 类端 口包括采样、队列、SAP 端口，其中，AFDX 采样和队列 端口与 ARINC653 协议［11］规定的采样和队列端口对 应，用来进行 AFDX 网络内的数据通信;服务访问点 (Service Access Point，SAP)用来进行 TFTP文件传输和 AFDX与非 AFDX系统之间的通信。 AFDX端系统协议软件由初始化、加载配置表和 数据通信这 3 个功能模块来实现。 3． 1 初始化 AFDX端系统软件的初始化模块实现硬件资源的 打开、配置功能以及寄存器配置和存储空间的分配 功能。 待配置的寄存器包括 MAC 层和链路层芯片，配置 方法为:按照相应的硬件手册在配置寄存器中写入特定 的值，使该芯片能够正常工作。由于芯片地址已映射到 系统内存，所有对寄存器的操作就成了对内存空间的操 作。读寄存器的操作为 Data_value = * (unsigned int * ) (REG_ Base_Addr + offset);写寄存器的操作为* (un- signed int * )(REG_Base_Addr + offset)= Data_value。 根据系统应用需求，存储空间分为控制命令区和 数据区。控制命令区的存储内容为各个控制寄存器的 控制参数，如每个 VL 的 BAG、SkewMax、Jitter 值等;数 据区为端口的发送和接收数据缓冲区，用于存储各个 端口的数据内容及其标志信息。这里按照端系统的配 置表，为每个端口分配特定大小和深度的数据缓冲区。 3． 2 加载配置表 加载配置表模块在设计中为用户提供接口，使用 户能够按需求创建端系统配置表，并将其加载到端系 统的控制命令区，从而控制数据的发送和接收过程。 较之于配置表固定的软件设计，该方法更加灵活，便于 用户根据不同的需求，实现数据传输功能。 创建端系统配置表的软件实现为定义端系统、通 信端口、VL的控制参数，并按照实际需求对结构体中 的各个成员赋值。对象的结构体应该涵盖其所有的属 性和参数，例如端口的结构体必须包含端口的 IP 地 址、UDP号、方向、缓冲区深度、UDP 消息长度等信息， VL的结构体中包含 VL的方向、BAG、Jittter等信息。 加载配置表软件将配置表的信息写入端系统特定 的控制区域。通过循环查找的方式，将配置表中端系 统、端口和 VL 的全部配置，写入相应的控制命令区。 在数据传输过程中，通过这些实现定义的配置参数，就 能够控制数据的传输速率、传输 VL、传输目的。 3． 3 数据通信 数据通信功能基于 UDP /IP 通信协议［4］，该软件模 块实现以 3类端口(采样、队列、SAP)为基础的数据发送 和接收功能，并采用了 VL 管理、完整性检测、数据 CRC 校验方法，有效提高了数据传输的确定性和稳定性。 软件的数据发送单元负责将数据通过端口发送到 链路层 VL缓冲区。 数据发送的软件设计方法为:主机发送数据时， UDP层软件将要发送的数据构造成一个 UDP数据报， 存储在 UDP端口的发送缓存中，并更新发送缓冲区的 读写指针，该层支持 SAP、采样和队列 3 类端口的数据 发送。IP层软件的功能通过创建发送任务来实现，该 任务以查询或中断的方式运行，当检测到 UDP 的端口 发送缓冲区有数据要发送时，将 UDP 数据报划分为一 个或多个 IP数据报，并添加 IP 首部校验和、数据 CRC 校验以及 SN 号，提交给指定的硬件链路 VL 发送，如 果没有则不做任何操作。通过该数据发送机制，主机 应用就可以调用 3 类端口的数据发送函数，实现 AFDX 端系统的数据发送功能。具体的数据发送过程如图 5 所示。 47 第 19 卷电 光 与 控 制 图 5 AFDX端系统协议软件数据发送流程 Fig． 5 Data transmission flow of AFDX end system protocol software 软件的数据接收单元负责将数据从链路层 VL 缓 冲区接收到应用层，提交给对应的应用程序。 数据接收的软件设计方法为:IP 协议层软件负责 从 MAC层接收数据，通过创建接收任务来实现，该任 务以查询或中断的方式运行，当检测到 MAC 层的 VL 缓冲区收到数据时，就接收该数据并检查其 SN 号、 CRC校验和分片标志。如果 SN 号正确、CRC 校验正 确且分片标志有效，将数据报根据分片标志进行重构 提交给 UDP层，即解析出数据的 IP 目的地址和 UDP 目的地址，并将其拷贝到对应 UDP 端口的接收缓冲区 中，如果 SN号、CRC校验值或 SN 号任何一项有误，就 对该数据做丢弃处理;如果 MAC层没有收到数据则不 做任何操作。UDP层软件负责接收 UDP数据报，通过 比较端口的读写指针检测端口是否有新数据，如果有 新数据，就将 UDP数据报从端口接收缓冲区中拷贝出 来，提交给上面的应用层软件，并更新 UDP 端口接收 缓冲区的读写指针;否则返回“端口无新数据”标志。 通过该接收机制，主机应用就可以调用 3 类端口的数 据接收函数来实现 AFDX端系统的数据接收功能。具 体的数据接收过程如图 6 所示。 图 6 AFDX端系统协议软件数据接收流程 Fig． 6 Data reception flow of AFDX end system protocol software 4 测试结果分析 AFDX 端系统协议软件的测试工作以 ARINC664 P7 协议为基础，基于国际权威机构德国 AIM 公司的端 系统测试平台进行，该端系统协议软件通过了其全部 测试项。这证明该软件实现了 ARINC664 P7 协议规定 的端系统功能，具有良好的确定性和可靠性，满足航电 系统实际应用的技术需求。 4． 1 技术延时 ARINC664 P7 协议严格规定了 AFDX 端系统的数 据传输技术延时范围。 端系统技术延时测试方法为:通过应用层构造测 试用例，连续发送和接收不同长度(1518 B、1000 B、 500 B、64 B)、不同个数(10、50、500)的数据帧序列，多 次测试并观察测试结果，将第 2、8、20、100、200、400 帧 的传输延时记录于表 1 中。测试结果的最大值和最小 值均满足理论要求，表明数据帧传输延时的实际值小 于式(2)规定的理论值，该端系统协议软件满足协议 规定的传输技术延时要求。 57第 11 期 刘 芸等: AFDX端系统协议软件设计与实现 表 1 AFDX端系统数据传输技术延时 Table 1 Data transmission technology latency of AFDX end system μs 数据长度 /B 帧序号 2 8 20 100 200 400 1518 64 72 75 92 59 84 1000 65 76 69 66 78 74 500 72 67 75 66 63 71 64 69 70 65 68 74 58 4． 2 线速传输 ARINC664 P7 协议规定 AFDX端系统支持数据的 线速传输，即数据帧能够以最小的帧间隔 0． 96 μs 正 确传输。 测试方法为:在应用层以全速传输不同长度、不同 个数(N)的帧序列，测量 VL 上帧间隔，并记录帧间隔 达到 0． 96 μs 的数据帧个数(Nv) ，计算该计数与整体 的比率 P。当帧序列的个数为 N 时，第 1 个帧为起始 帧，从第 2 个帧开始才能测量帧间隔，即该序列只有 N － 1个帧间隔，即 P的计算式为 P = Nv /(N － 1)× 100% (3) 多次测量并记录测试结果，该结果表明，100%的 测试数据帧帧间隔达到 0． 96 μs，端系统支持协议规定 的数据线速传输功能。 5 结束语 本文介绍了 AFDX 端系统的整体结构，深入分析 AFDX“确定性”和“可靠性”的数据传输机制，提出了 一个可行的 AFDX端系统协议软件设计方法。该方法 模块化的设计思想、分层的体系架构，以及开放应用接 口的理念，增加了软件的易扩展性和灵活性。充分的 测试表明，该软件设计方法具有良好的确定性和可靠 性，满足具体应用的需求，填补了国内 AFDX网络技术 的空白，对我国研发具有自主知识产权、并适用于现代 航电系统的 AFDX网络平台具有重要意义。 参考文献 ［1］ 伊恩·莫伊尔．民用航空电子系统［M］．范秋丽，译．北 京:航空工业出版社，2009． ［2］ 支超有．机载数据总线技术及其应用［M］．北京:国防 工业出版社，2009． ［3］ STEVENS W R． TCP /IP 详解［M］．范建华，译．北京:机 械工业出版社，2000． ［4］ ARINC664P7． Aircraft data networks part 7:Avionics Full Duplex switched ethernet(AFDX)network［S］． ARINC Airlines Electronic Engineering Committee 2005． ［5］ 吴建鲁，杨福彪，刘煜，等． AFDX 技术特点及在舰载武 器系统中的应用分析［J］． 指挥控制与仿真，2010，32 (4) :112-115． ［6］ 李哲，田泽，张荣华． AFDX 网络中 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