新一代总线技术AFDX在箭载测量系统设计中的应用研究

王 丹 万端华 李 薇 路 娟 王 宁

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

新一代总线技术AFDX在箭载测量系统设计中的应用研究

王 丹 万端华 李 薇 路 娟 王 宁

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

传统的箭载测量系统数据传输由点到点的电缆完成，存在布线复杂、占用空间大、质量大、通信速率低等方面的不足，为此提出将新一代总线AFDX应用于箭载测量系统的设计思路。介绍了新一代基于以太网的总线技术AFDX，研究、比较了其技术特点和关键技术，并对基于AFDX的箭载测量系统数据综合网络拓扑结构进行了设计，为设计更高可靠性、更快通信速率、更强灵活性的箭载测量系统提供参考依据。

AFDX 关键技术 测量系统

1 引 言

传统的箭载测量系统数据传输由点到点电缆完成[1]，在箭上设备不断增多的情况下，电缆在火箭上布线复杂、占用空间大、质量大，已成为运载火箭设计中的瓶颈之一。用共享式多路传输数据总线在设备间传递信息是解决问题的有效手段。

目前，我国运载火箭测量系统数据通信使用的总线主要是RS 422总线、CAN总线和1553B总线等，这些总线协议具有可靠性高、通信质量稳定等特点，在新一代运载火箭测量系统设计中也得到了广泛应用。但是，这些协议只具有最高10Mbps的数据传输率，且通常只适用于自身具有数据处理能力的重要设备之间的数据传输。基于商业计算机工业取得的巨大成就，将商业计算机通信模型应用于箭载测量系统数据综合设计中已成为不可避免的趋势。与目前先进的网络互连技术的发展相契合，箭载测量系统数据综合的形式呈现出由较低速率的总线向宽带网络发展的动向。在以太网的基础上充分应用商用现成技术和开放式标准，不但可以借鉴成熟技术，获得数量庞大的第三方厂商的技术支持，还可以缩短开发周期，降低研发成本，提高测量系统通信速率，以满足未来测量系统对信息传输和信息管理的更高需求。

本文对新一代基于以太网的总线技术AFDX进行了介绍，研究了其技术特点和关键技术，并对基于AFDX的箭载测量系统设计思路和方法进行了探索和研究。

2 AFDX总线介绍

AFDX全称为航空电子全双工交换式以太网(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX)，它是为在航空子系统之间进行数据交换而定义的一种协议(IEEE 802.3和ARINC 664Part7)标准，是基于ARINC429和1553B基础之上的一种总线通信协议规范(ARINC664)[2]。

AFDX具有拓展的网络拓扑，它的拓扑结构为星型。AFDX网络主要由端系统、AFDX交换机以及传输链路组成，如图1所示。

端系统是构成AFDX网络的一种重要网络元件，它嵌入在每个航空电子子系统中，将子系统与AFDX网络连接起来，负责消息的发送和接收。交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。相比于商用以太网交换机，AFDX交换机具备了过滤功能、交换功能、故障隔离以及静态路由等特点。每个端系统分别与AFDX交换机相连，每台交换机能连接24个端系统，形成接入交换网络；AFDX交换机之间通过背板总线连接，形成骨干交换网络。每个子系统采用全双工方式用2对双绞线直接连接在交换机上，一对用来发送(TX)，一对用来接收(RX)。

3 AFDX技术特点

3.1开放式系统结构

AFDX系统结构对接口、服务和支持形式等采用充分定义的、广泛使用的、公众支持的非专利规范，以完成系统功能的物理和逻辑实现，只需要做很小的更改就能在很广泛的系统范围内合理地使用。国际标准化组织定义了开放式系统互连参考模型(OSI)，OSI将通信系统分成7个功能层，每一层执行一定的功能，这样把网络要执行的全部功能分解到相互独立、容易处理的若干层之中，并且每层的改变，不会引起其他层的改变。任意两个系统只要遵守此基准模型和相关标准协议就可以互连。生产厂家、管理配置、技术水平、复杂程度不同的系统只要遵守OSI分层模型协议，两个信息处理系统都可以互连，进行通信。AFDX是一种开放式系统结构，满足开放式系统互连参考模型的要求。

3.2资源共享

AFDX采用交换机技术，端系统与交换机相连，就能与其它端系统进行数据交换，电缆资源共享，使系统电缆数量减少，重量减轻。另外，在一个综合处理设备中，各个不同的模块共享一个端系统，通过端系统与外界交换数据。

3.3分区技术

AFDX的“分区”技术表现为将带宽分配给通信通道，AFDX一个数据源对应一个通信通道，即虚拟链路，一个端系统可支持多条虚拟链路，这些虚拟链路集中在一条物理链路上，共享网络带宽。虚拟链路按照带宽分配间隔进行传输，不会引起碰撞。

3.4有保障的服务(GuaranteedService)

AFDX网络提供的服务是有保障的服务，主要表现在它的确定性和可靠性上。AFDX的确定性主要表现在网络的最大传输延迟控制上，AFDX虚拟链路都有带宽分配间隔和最大的帧尺寸，传输过程中引起的抖动有一定的范围限制，是可控的。在这种机制保障下，AFDX帧可按一定的顺序、无碰撞地进行传输，AFDX帧端到端的延迟是可控的。AFDX网络引入了余度的概念，帧可以同时在两条独立的路径上传输，接收端系统只接收先到达的有效帧，所以，AFDX网络具有较高的可靠性。

3.5网络结构灵活、可扩展性强

AFDX网络拓扑结构为星型网络，一个交换机最多具有24个端口，交换机之间可以级联，扩大数目，一个终端的接入或拔出不会引起其他终端软件的更改。另外，AFDX可以分区域构成若干个局域网，每个局域网由功能相近的设备连接构成，各个局域网之间可通过交换机级联来连接，这种连接方式也适合系统的分阶段开发[3]。

表1为AFDX总线与目前测量系统广泛使用的RS 422、CAN和1553B总线特性比较。

表1 AFDX、RS 422、CAN、1553B总线的特性比较

4 AFDX关键技术

AFDX网络为了实现确定性采用虚拟链路(VL)技术，将物理路径划分为一条条的逻辑链路，定义每条VL的抖动和时延，约束每段网路的抖动和时延就可以确定端到端的抖动和时延。在网络中的每台交换机和端系统中都固化一张配置表文件，网络工作后端系统按照发送配置表的要求将数据发送到AFDX网络中，一帧数据进入交换机接收端口后，交换机根据该帧的虚拟链路号(VLID)查找转发表，然后进行过滤，过滤通过后再进行警管操作，最后由调度控制将该帧转发到相应的输出端口。

由此，AFDX总线技术采用的关键技术有端系统的虚拟链路调度技术、端系统的余度容错技术、交换机的信息完整性处理技术、交换机的交换与调度技术。

4.1端系统的关键技术

4.1.1 虚拟链路调度技术

4.1.1.1 AFDX端系统模块支持4096条虚拟链路的接收和128条虚拟链路的发送。虚拟链路号取0～65 535，一条虚拟链路与一条虚拟链路号一一对应。

4.1.1.2 每条虚拟链路支持4条子虚拟链路。AFDX端系统虚拟链路调度的核心是对虚拟链路和子虚拟链路的通信调度。

4.1.1.3 AFDX端系统设计中，采用双端口存储器存放数据帧，为每条虚拟链路分配10个缓冲单元。为每条虚拟链路设计1个空闲队列，反映这10个缓冲单元的状态，初始化时10个缓冲单元都在空闲队列中。为每条虚拟链路设计4个子虚拟链路队列，用于存放各个子虚拟链路所使用的缓冲单元号。CPU需要发送帧时，首先读空闲队列来申请缓冲单元，根据读出的缓冲单元向其中写入需要发送帧的数据，再将缓冲单元号填写到子虚拟链路队列中。子虚拟链路调度时，查询各个子虚拟链路队列，一旦子虚拟链路队列非空则表明有帧准备好，可以申请进行虚拟链路的调度发送。虚拟链路的调度采用轮询调度的方式。虚拟链路调度器逐个查询各个虚拟链路的状态，如果该虚拟链路有帧准备好，而且控制带宽计时器给出有效指示，则可以发送。此时，从该虚拟链路的子虚拟链路对应的非空队列中的缓冲单元读出发送帧数据，并通过MAC发送出去，完成一帧的发送。

4.1.2 余度容错技术

AFDX端系统采用双余度互为备份的方法，避免因部分设备故障、连接故障引起的通信中断或通信出错，提高系统的可靠性。同时，双余度网络也可以作为单独的两个网络，提高网络通信的带宽。

4.1.2.1 发送操作的余度控制

每个VL都配置1个发送控制寄存器，其中使用两位标识来选择发送的网络端口。帧从UDP/IP提交到余度控制单元时，首先将位于帧数据末尾CRC之前的一个字节作为帧序列号，取值0～255。端系统复位后发送第一帧序列号为0，随后累加1直到255，下一帧从1开始，再循环取1～255。

经过序列号处理过的帧，根据发送网络选择进行判断，使用端口A发送、端口B发送，或者两个端口同时发送。如果设置为两个端口同时发送，则通过监控两个MAC的状态来保证两个端口发出帧的时间一致性。

4.1.2.2 接收操作的余度控制

两个网络端口分别进行接收帧处理，将接收到的帧依次存储在接收缓冲中，并且进行完整性检测，除检测CRC外，还检测帧序列号。序列号应在上次收到帧的序列号基础上累加，序列号相同则表示该帧已经接收过为重复帧。序列号为0的帧必须接收，表明是发送方复位后发送的第一帧。其他帧序列号在1～255之间，且帧序列号是上次接收帧序列号加1。

通过完整性检测的两个网络端口的帧还要进行接收余度管理。比较两个帧的序号来进行接收余度管理，按照“先有效先赢”的策略进行取舍，将先有效的帧提交给协议栈进行处理。

4.2交换机的关键技术

4.2.1 信息完整性处理技术

组成AFDX网络的端系统和交换机都要采取完整性方法来确保帧传输的完整性。AFDX交换机的完整性检测是过滤帧的各种错误，对过滤正确的帧进行基于虚拟链路的流量管制操作。

4.2.1.1 错误帧的过滤

一帧数据通过交换机MAC的CRC校验后，还要根据虚拟链路号来查询交换机的配置表，对发送到交换机输入端口的帧作检测：虚拟链路与输入端口匹配性、字节对齐检测、目的地址有效性、帧长在配置表中定义的范围内。

在帧的过滤过程中可以对上述错误作并行检测来降低帧在交换机中转发的低延时性。如果上述检测正确，则代表该帧正常，可以存储在接收DPRAM中供后续流量管制处理；如果检测错误，则舍弃该帧，并且计入信息管理库。

4.2.1.2 基于帧VL的流量管制

流量管制是为保证每个虚拟链路不超过为其分配的带宽，通过基于虚拟链路的带宽计数管理来实现。每个虚拟链路的带宽和抖动在固化的配置表中都有确定的要求，使用漏斗算法对基于虚拟链路的帧进行流量管制，该算法支持4096条虚拟链路的流量管制，通过每条虚拟链路的管制信用量与参考信用量比较实现。

4.2.2 交换与调度技术

4.2.2.1 AFDX交换机的共享存储交换

为实现端口间的无阻塞交换，存储器的总线带宽应2*24倍加速，满足共享存储式交换结构的吞吐量要求的总线带宽至少为4.8Gbit/s。同时为避免信息的丢失，在MAC接收端增加内部缓存，接收缓存的设计可以存放两个最长帧，两个单元交替工作。在输出端，为实现高低优先级帧数据输出，每个端口需要两个高低优先级队列，所以24端口交换机就需要48个输出缓存队列。

4.2.2.2 AFDX交换机的路由调度策略

针对AFDX交换机的共享存储交换模式，采用队列调度方法，分为接收调度和发送调度，以实现快速交换。为防止交换机24个输入缓存队列溢出并且减少接收帧的延时，接收调度需要将存储在接收缓存中的帧快速地转发到发送队列中。由于经过交换机的帧的长度是可变的，在设计中采用轮询调度即依次对24个端口进行调度，轮询调度可以保证经过过滤和流量管制的帧根据转发表快速高效地转发到输出共享缓存队列中。

发送调度对保存在共享缓存队列中的转发帧进行调度。如果基于虚拟链路的帧的优先级相同，那么轮询调度会有序地把帧转发出交换机；如果在配置表中设置和定义两个级别的帧——高优先级和低优先级，交换机先调度高优先级的帧，再调度低优先级的帧，并且为防止低优先级的帧永远发送不出去，正在传输的低优先级的帧不能被高优先级帧终止传输。因此，每个输出端口队列相当于采用“静态优先级”调度相互独立的方法，从而满足交换机对时延的要求[4]。

5 基于AFDX总线技术的测量系统设计

通过对箭载测量数据综合网络功能的分析，并结合系统层次划分，综合考虑扩展性、可靠性、同步能力等因素，箭载测量数据综合网络拓扑结构设计如图2所示。交换机上分布着若干端口，采编终端及部分传感器作为终端直接挂接在交换机上，终端之间通过交换机隔离，相对独立，可以减小相互间的干扰。数据综合终端作为实现数据综合的核心设备，对其进行备份，并挂接在两个不同的交换机上。

终端与交换机之间通过全双工链路进行连接，交换机之间亦采用全双工的连接方式。为保证系统可靠性，可对系统进行冗余，即通过对必要设备(终端、交换机或链路)的备份保证信息的可靠传输。冗余按照余度不同分为二余度、三余度、四余度等，按照冗余的部位不同有基本链路冗余、全网络冗余。常用的冗余方式有双环冗余和全网络冗余，分析表明全网冗余能够有效提高系统的可靠度，且对链路可靠性的变化不敏感[5]。

经过实验室搭建的小规模系统验证，基于AFDX总线的测量系统数据传输速率能够达到100Mbps，同步性好，同时误码率满足低于10-6的指标。

6 结束语

综上所述，AFDX总线具有完整的协议结构，具有高实时性、高确定性和高可靠性的特点。该总线技术已被成功应用于多个航空型号，是目前流行的航空总线标准。经分析，可用于箭载测量系统数据综合设计。在后续工作中，应加紧AFDX协议和设计标准的制定。

[1] 李邦复.遥测系统(上册)[M].宇航出版社,1987.10.

[2] AEEC. ARINC 664 Aircraft Data Network (Part 7)[S].Airlines Electronic Engineering Committee, 2005.

[3] 赵永库,李贞,唐来胜.AFDX网络协议研究[J].计算机测量与控制,2012,20(1):10.

[4] 施太平,娄莉,田泽.AFDX协议及关键技术的实现[J].测控技术,2012,31(10):82～84.

[5] 万端华,蓝鲲.网络技术在箭载测量数据综合技术中的应用研究[J].遥测遥控,2012,33(6):50～51.

ResearchoftheApplicationofNewNetworkTechnologyAFDXinDesignofLaunchVehicleMeasurementSystem

WANG Dan WAN Duan-hua LI Wei LU Juan WANG Ning

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076，China)

Cables from one point to another point were used to transmit signals in traditional launch vehicle measurement system, which had disadvantages in terms of complex thread, large space, heavy quality, low speed of communication and so on. The application of new network technology AFDX in design of launch vehicle measurement system is presented as an idea to solve the problems. The new network technology AFDX based on Ethernet is introduced，while its characteristics and key technologies are researched and compared with other network technologies. The topology of data integration is explored for launch vehicle measurement system based on AFDX, which may provide basis for constructing a launch vehicle measurement system with higher dependability, flexibility and speed of communication.

AFDX Key technology Measurement system

2017-01-09，

2017-03-31

王丹(1982-)，女，高级工程师，主要研究方向：运载火箭测量系统总体设计。

1000-7202(2017) 04-0049-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.11

V443

A