一种航电系统AFDX 网络管理技术的研究与实现

王纯委， 郝玉锴， 杨军祥， 杨煜坤， 李成文， 杨 涛

(1．中航工业西安航空计算技术研究所，西安 710065; 2．西安电子科技大学通信工程学院，西安 710065)

0 引言

航空电子全双工交换式以太网(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX)是一种全双工、高数据率、双冗余的网络，相比于传统的以传递命令和控制信息为主的机载总线，具有更高的可靠性、抗恶劣环境适应性和确定的实时性，并克服了布线复杂、重量过重、维护及改型困难等缺点，成为目前主流航空电子网络互连的基础。AFDX 在组网规模和灵活性上的优势很大程度上提高了航空计算机网络的通信性能，便于航电系统的扩展和维护［1］，是飞机机载网络的一种较理想选择。

针对规模庞大的航电系统网络，对其有效的管理是航电系统正常工作的基本保证，本文提出了一种适用于大型飞机的综合航电系统中央处理机的双机备份余度互联的架构，并对此架构下网络管理进行了需求分析、架构设计和软件实现，完成之后的网络管理功能作为重要的信息来源，直接服务于飞机的中央维护系统。

1 一种基于AFDX 总线的航电系统模型

开放式、模块化、综合化系统是当今航空电子领域的发展趋势，在综合化航电系统架构下，常见的机载网络有FC 网络和AFDX 网络等［2］，其中，AFDX 网络是一种利用了IEEE802．3 以太网标准以及相关传输协议的特殊交换式以太网，为星型拓扑结构。AFDX 网络由端系统、交换机和物理链路组成，可以为航空电子系统提供安全、可靠的数据传输服务。参照当代先进民用飞机综合航电系统的设计思路，本文以AFDX 作为系统主干通信网络，建立了一个级联式双冗余的飞机航电系统架构模型，包括两个互为余度的中央处理机柜，以及通过高可靠AFDX 网络进行连接的其他分系统，这里所指的其他分系统广义上也可包含非航电系统，例如液压系统，环控系统等。系统架构如图1 所示。

图1 级联式双机备份架构航电系统模型Fig．1 Module of redundant interconnection of the two-unit backup integrate avionics system

中央处理系统包括两台互为余度/备份的机柜，每台机柜中包含若干块电源模块、通用处理模块、数据处理模块、图形生成模块、交换机模块等。这些模块之间通过AFDX 网络以交换机为中心呈星型拓扑结构。对于交换机模块，交换机A 与A'，交换机B 与B'，各自互为余度，分别接到其他功能模块的AFDX 端系统A 端口和B 端口上。同一机柜中的交换机设计为级联关系，所以两个机柜中的任何两个模块都可以通过交换机交互数据。这种连接方法可以很大程度上促使数据的共享和提高网络的可靠性。

在上述模型中，交换机的星型级联允许网络的规模不断扩大，外围节点数量持续增加，尽管AFDX 网络采用虚拟链路VL 技术、速率约束、流量管制和静态路由等机制，但合理的网络行为仍依赖于严格的系统层面设计，以及运行时的监控［3］，对AFDX 网络有效的管理是航电系统正常工作的基本保证。

2 网络管理的需求及规划

2．1 TCP/IP 网络管理

网络管理在本质上是一个监视和控制的过程，其目的是尽可能地保证网络的正常运行［4］，基于TCP/IP的网络管理通常包含网络管理端(manager)进程和网络代理端(agent)进程两个角色。管理进程和代理进程之间的通信可以有两种方式:一种是管理进程向代理进程发出请求，询问或者按要求改变一个具体的参数值;另一种是代理进程主动向管理进程报告某个重要的事件发生［5］。除了管理端和代理端之外，网络管理模型还包含3 个重要组成部分:1)管理信息库(Management Information Base，MIB)包含所有代理进程的所有可以被查询和修改的参数［6］;2)管理信息结构(Structure of Management Information，SMI)是关于MIB的一套公用的结构和表示符号［7］;3)简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol，SNMP)是管理进程和代理进程之间的通信协议［8］。

2．2 AFDX 网络管理需求

AFDX 网络管理是指对AFDX 网络中的终端进行管理，是飞机航电系统正常工作的基本保证，与TCP/IP 协议的网络管理类似，AFDX 网络管理也分为管理端和代理端两种角色，采用SNMP 协议进行相互之间通信，其对应机柜里所有连接到交换机的模块(端系统)以及交换机模块本身进行管理，并完成网络拓扑中所有节点的状态查询、信息上报及故障管理。网络管理主要包括构型管理、故障管理、配置管理等。

2．2．1 构型管理

构型管理包括各模块的上下网查询以及管理模块管理权的切换。上下网查询指管理端可以主动查询各端系统的在线状况，如果端系统出现故障，网络管理软件将该端系统设置为离线状态。管理模块管理权的切换则指主管理模块故障时，从管理模块接管管理权。

2．2．2 故障管理

管理端每隔一段时间通过特定命令依次查询网络中一个设备(交换机或端系统)的故障信息，端系统和交换机通过特定命令响应网管的查询指令，将故障信息反馈给网络管理机。网管收到设备返回的故障信息后，将故障信息整理并上报飞机中央维护系统。

2．2．3 配置管理

网络管理应用软件负责向维护系统上报自身和交换机的软硬件配置管理信息。

2．3 AFDX 网络管理的规划

AFDX 网络管理软件使用管理信息(MIB)库在各模块间交互信息，按照管理端与代理端分为两部分，其中，管理端在2 个通用处理模块上运行，代理端在交换机模块、数据处理模块、图像生成模块以及其他与交换机相连的模块上运行。管理端和代理端软件都基于VxWorks653 操作系统平台而设计，以分区形式运行。

针对上述航电系统架构模型抽象出的AFDX 网络管理拓扑结构如图2 所示。

图2 AFDX 网络管理拓扑模型Fig．2 Topology model of AFDX network manage

AFDX 网络下SNMP 协议栈的位置跟TCP/IP 下的SNMP 协议类似，不同的是AFDX 网络中SNMP 协议使用的是传输层的SAP(服务访问点)端口进行通讯。AFDX 通过虚链路实现了带宽资源的有效分配和应用隔离。虚链路可理解为一个端系统到另一个或多个端系统间的逻辑路径，为单向连接，多条虚拟链路可以共用一条物理链路［9］。虚链路之间的通信方式有采样、队列以及SAP 3 种，AFDX 网络下SNMP 协议的通讯，就是基于SAP 端口来实现的［10］。图3 所示为AFDX 网络管理端上SNMP/MIB 在AFDX 网络中的协议栈的位置。

图3 SNMP/MIB 在AFDX 网络中的协议栈Fig．3 SNMP/MIB protocol stack location

代理端的MIB 库是所有代理进程包含的、并且能够被管理进程进行查询和设置的信息的集合。在AFDX网络中，所有端系统和交换机中都具有MIB 库。MIB 库为树形结构图，树上的每个结点在拥有一个对象标识的同时还有一个文字名［11］，例如标识“1．4．5．1”就和文字名“ESID”相对应。在SNMP 的API 实现时，可以通过标识符或者文字名进行查询。MIB 库的结构如表1 所示。

表1 MIB 库的结构Table 1 MIB structure

管理进程和代理进程之间的信息交互由SNMP 协议定义，SNMP v2 定义了7 种报文操作［12］:1)get-request操作，从代理进程处提取一个或多个参数值;2)getnext-request 操作，从代理进程处提取一个或多个参数的下一个参数值;3)set-request 操作，设置代理进程的一个或多个参数值;4)get-response 操作，返回的一个或多个参数值，这个操作是由代理进程发出的，是前面3 种操作的响应操作;5)trap 操作，代理进程主动发出的报文，通知管理进程有某些事情发生;6)get-bulk-request操作，从代理进程读取大块数据;7)inform-request 操作，一个管理进程向另一个管理进程发送信息。

3 网络管理的应用软件设计

网络管理应用软件主要利用SNMP 协议发起查询以及对查询到的数据进行处理，分别对构型管理、故障管理、状态管理的软件设计进行描述。

3．1 构型管理

构型管理包括对AFDX 设备的构型管理和对ARINC429 设备的构型管理。

3．1．1 AFDX 设备的构型管理

网络管理应用软件每隔500 ms 查询网络中的所有终端，采用get-request 命令提取各端系统代理进程中的EquipmentOnline 参数，网络管理软件根据get-request 命令的执行情况和返回的EquipmentOnline 参数的值判断该设备的在线状态。如果get-request 命令连续3 个周期未得到端系统代理进程响应，则说明该端系统出现故障，网络管理软件应将该端系统设置为离线状态;如果get-request 命令响应成功，网络管理软件还要判断返回的EquipmentOnline 参数，如果连续3 次获取到的该参数均为0，则说明端系统宿主机应用软件故障，该端系统应设置为离线状态;否则说明端系统宿主机至少有一个应用软件/分区正常，该端系统应设置为在线状态。端系统代理进程对网络管理软件的get-request 命令采用get-response 操作进行响应，端系统代理进程执行完get-response 操作后，同时将MIB 库中的EquipmentOnline 参数清零。

AFDX 设备的构型管理流程如图4 所示。

图4 AFDX 设备的构型管理流程图Fig．4 Flow of AFDX end system construction management

3．1．2 ARINC429 设备的构型管理

ARINC429 设备的构型管理由远程数据采集器进行收集并接受网管的统一管理，远程数据采集器收集下端ARINC429 设备的在线信息状态，并将其存放在MIB 库中表示在线状态的参数EquipmentOnline 中，该参数为整型变量，长度4 Byte，第31 位表示远程数据采集器的在线状态信息，其他位按照相应的对应关系表示下端ARINC429 设备的在线状态信息。网络管理应用软件收集远程数据采集器的在线状态信息的方式与AFDX 设备相同。

ARINC429 设备构型管理的流程如图5 所示。

图5 ARINC429 设备的构型管理流程图Fig．5 Flow of ARINC429 equipment construction management

3．2 故障管理

故障管理包括网管软件对自身的软硬件故障和交换机的软硬件故障进行的管理。

3．2．1 交换机的故障管理

交换机的故障包括通信错误演变成的故障和自检测发现的故障。当交换机的故障状态发生改变时(正常变为故障或故障变为正常)，交换机的代理进程应通过Trap 操作将状态上报给网络管理进程，Trap 上报的基本信息单元为两个32 位的信号，一个基本信息单元表示一个故障信息(包括故障编码和故障发生时间)，一个Trap 操作可以上报多个故障信息。

3．2．2 自身的故障管理

网络管理应用软件自身的软硬件故障由系统代号、分系统代号、位置信息和故障名称编码等构成。其中，编码的故障包括自身内部故障，AFDX 通信故障或失效，电子盘故障或失效等。

3．2．3 故障信息上报

故障状态改变，即故障发生或消失时，网络管理应用软件向上级维护系统上报故障信息，内容包括:

1)故障信息编码;

2)故障次数(故障第几次发生或消失);

3)故障状态(存在、不存在);

4)故障类型，故障首次发生时置为硬故障，首次消失时即将故障类型修改为间歇故障，该故障状态再次发生改变时维持间歇故障类型不变;

5)状态改变时间(时、分、秒)。

3．3 配置管理

网络管理应用软件负责向维护系统上报自身和交换机的软硬件配置管理信息。网管接收配置数据请求，并发送自身和交换机的硬件部件号、软件版本号和配置表信息。处于工作状态的网络管理端通过get-request 命令获取交换机的配置信息，将其信息整理之后与自身信息一起上报给维护系统，而处于备份状态的管理端则只上报自身配置管理信息。在此过程中，如发生管理权转换，配置信息上报模块维持原有的分配状态不变，直至本次上报操作完成。

4 测试与验证

在完成软硬件设计实现之后，分别在单元级、模块级和系统级对该AFDX 网络管理系统进行测试，其中，系统级测试使用了整个航电系统地面测试环境，逐一对所有代理端设备的构型管理(在线和离线状态)、故障管理(模拟故障注入)和配置管理(配置信息上报)等进行了测试，结果表明，该AFDX 网络管理系统稳定可靠并且已成功应用于飞机航电系统。

5 结束语

本文介绍了一种采用AFDX 为主干网络的级联式双中央处理机备份互联的航电系统架构模型，在此模型的基础上，进行了AFDX 网络管理需求分析，提取到其构型管理、故障管理、配置管理等关键需求并且进行了设计规划，在VxWorks653 操作系统下实现了该网络管理应用软件的全部功能并在充分测试后成功应用。

［1］ 周强，熊华钢．新一代民机航空电子互连技术发展［J］．电光与控制，2009，16(4):1-6． (ZHOU Q，XIONG H G．Development of the new generation civil avionic interconnection technology［J］．Electronics Optics ＆ Control，2009，16(4):1-6．)

［2］ 杜宏伟，马捷中． 航空电子全双工交换式以太网及其关键技术研究［J］． 测控技术，2008，27(12):65-67．(DU H W，MA J Z． Research on avionics full duplex switched Ethernet and its key technology［J］． Measurement ＆ Control Technology，2008，27(12):65-67．)

［3］ 顾伟青． 航空电子系统发展面临的挑战与自主创新［J］．航空制造技术，2008(23):68-71．(GU W Q．Challenge and self-dependent innovation for avionics development［J］． Aeronautical Manufacturing Technology，2008(23):68-71．)

［4］ 马睿，刘源，秦前清．基于SNMP 协议的网络管理系统的设计［J］． 微机发展，2004，14(9):1-3． (MA R，LIU Y，QIN Q Q．Design of network management system based on SNMP［J］．Microcomputer Development，2004，14(9):1-3．)

［5］ 李明江．SNMP 简单网络管理协议［M］． 北京:电子工业出版社，2007． (LI M J． Simple network management protocol［M］．Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2007．)

［6］ IETF．RFC1213．Management information base for network management of TCP/IP-based internets:MIB-II［S］．1991．

［7］ IETF． RFC1155 Structure and identification of management information［S］．［S．l．］:IETF，1990．

［8］ IETF． RFC1157 A Simple Network Management Protocol(SNMP)［S］．［S．l．］:IETF，1990．

［9］ SAE． ARINC 664 Aircraft data network，Part 2:Ethernet physical and data link layer specification［S］．［S． l．］:ARINC，2002．

［10］ SAE．ARINC 664 Aircraft data network，Part 7:deterministic networks［S］．［S．l．］:ARINC，2003．

［11］ 王莉莉，何锋，李峭，等．基于策略的AFDX 网络管理的设计与分析［J］．计算机工程与设计，2012，33(2):421-424．(WANG L L，HE F，LI Q，et al． Analysis of novel policy-based network management in AFDX networks［J］． Computer Engineering and Design，2012，33(2):421-424．)

［12］ STALLINGS W． SNMP and SNMPv2:the infrastructure for network management ［J］． Communications Magazine，1998，36(3):37-45．