AFDX總線協議規範

1、概述

2、 AFDX簡介

3、AFDX的在數據傳輸性能的改進

3.1 AFDX以太網幀格式

3.2 AFDX以太網冗餘備份

3.3 虛擬連接

3.4 數據交換處理

4、航空計算機網絡係統組成設計

4.1 航空子係統

4.2 AFDX終端係統

4.3 AFDX互聯網

5、 基於AFDX航空計算機網絡的性能分析

6、總結

針對大型客機飛行關鍵項目和乘客娛樂等設施的複雜航空電子係統的不斷增加，需要大量增加飛機上的航空總線的帶寬、提高服務質量等問題，介紹了一種采用航空電子全雙工通信以太網交換（AFDX）的解決方案。該方案是基於商業以太網標準，采用目前已被廣泛接受的IEEE802.3/IP/UDP協議，並增加了特殊的功能來保證帶寬和服務質量，實現了低成本的快速開發。該方案還可以簡化布線，減輕飛機重量，易於航空電子子係統的維護升級等。

隨著飛行關鍵項目和乘客娛樂等設施的複雜航空電子係統的不斷增加，需要大量增加飛機上的數據總線的帶寬，傳統的航空總線如ARINC429等傳輸帶寬隻有100KHZ,遠遠不能滿足要求，而ARINC629因價格昂貴，使飛機製造商的難以接受；因此需要以最小的代價和實現成本進行快速開發。

雖然IEEE802.3以太網提供高速和低成本的總線，並具有廣泛商業的用途；但是它不能提供航空電子係統所需的魯棒性，主要原因是IEEE802.3以太網是半雙工模式的以太網，這種以太網存在的問題是：當多台主機被同時連接到同一個通訊媒介（如同軸電纜等），並且沒有中心協調機製，這就有可能出現兩台主機同時傳輸數據的情況，這時就會出現傳輸“衝突”，因此需要主機能檢測到衝突，當衝突發生時，每個主機要對它們的數據進行重傳。很明顯，仍然可能再次出現在同一時間傳輸的情況，因此又會再次出現“衝突”。由於沒有中央控製的以太網，理論上可能出現數據包不斷重複的傳輸“衝突”，這就意味著在試圖傳輸單個數據包時，有可能出現無限製的衝突鏈，從而使這個包可能永遠無法成功傳輸。由此可見，在半雙工模式，很可能出現因為衝突而導致了大量的數據包傳輸延遲。因此，無法作為應用於要求實時性高、可靠性高和帶寬大的新一代航空總線。新一代航空總線需要一個這樣的體係結構：這個結構就是讓最大量的時間被用來把一係列數據包傳遞到一個已知的目的地，這意味著要擺脫係統的衝突。

為此，波音和空客公司通過已經實現商業用途的以太網技術來建立下一代航空數據總線，這項研究促使航空電子全雙工通信以太網（AFDX）交換機的誕生。AFDX是基於IEEE802.3以太網通訊技術來實現的，但是增加了特殊的功能來保證帶寬和服務質量。

航空電子全雙工通信以太網交換（AFDX) 是一個基於標準定義的電子和協議規範（IEEE802.3和ARINC 664 Part7）用來航空子係統之間進行數據交換。空客公司開始致力於定義一個具有魯棒性的下一代航空數據交換網絡（ADN）用於A380，AFDX應用於這種特殊的網絡，適用於ARINC664總線。它提供一個高達24個終端係統的星形拓撲來連接從一個交換機橋接到其它的交換機內部網絡。這個穩定性的網絡允許連接冗餘（雙物理連接）來保證帶寬和服務質量。AFDX還允許連接到其它的標準總線如ARINC429或者MIL-STD-1553等到網絡，並且允許通過網關和路由與其他的適應ARINC-664但非確定的網絡進行通訊。AFDX地址沒有采用IEEE802.3以太網標準，而是采用電信標準的異步傳輸模式的概念，這種對以太網標準的擴展使得在確定的網絡中保證帶寬和服務質量成為可能。

AFDX數據包幀格式與IEEE802.3以太網的幀格式基本相同，AFDX幀格式如圖所示，目標地址和源端地址包含著終端的MAC地址，事實上IP地址信息包含在IP結構模塊中。UCP結構區別應用端口，AFDX信息有效載荷為17到1471數據。虛擬路徑是通過1字節的序列號接來提供，它在以太網幀協議的校驗和之前，範圍可以是從1到255，當到達255後翻轉到1，序列號0是保留對終端係統的複位。

AFDX網絡地址是基於終端的MAC地址，ARINC664沒有特別的規則來分配MAC地址，這個任務留給係統管理者來完成，但必須遵從IEEE802.3說明的本地管理規範。例如：在波音飛機的應用中，16位全部都可以用來設置的；而在空客的應用中，隻有低12位被用到，而高4位均被置零。源端地址必須唯一，源端地址包含用來區別兩個連接的冗餘網絡的MAC地址，目標地址是一個多播地址，包含16位的虛擬連接標識符。

圖2 AFDX以太網幀協議格式

為避免可能因交換機某一網絡出現故障而無法正常通訊，在AFDX係統中有兩個獨立的交換網絡（如圖所示）——A網絡和B網絡，每個包通過終端係統同時發送到這兩個網絡，因此正常情況下每個終端係統將會收到兩個包，終端係統通過數據包的序列號來區別數據包來自A網絡還是B網絡，並檢查數據包的幀校驗序列來決定是否采用還是丟棄該幀。通過對數據進行冗餘管理，就可以很好的保證數據包安全準確地傳輸到目的地，也就是提高了服務質量。

圖3 AFDX網絡冗餘連接

AFDX網絡的核心是虛擬連接（virtual link）。每個虛擬連接建立了一個從源終端係統到多個目標終端係統的無方向的邏輯部分，每一個虛擬連接都分配一定的帶寬配額，虛擬連接的數量是由一個完整的係統來定義的。創建虛擬連接的總帶寬不能超過網絡最大的可用帶寬。對於不太重要的通訊網絡，AFDX允許建立子虛擬連接（sub-VLs），雖然帶寬對虛擬連接是有保證的，但對子虛擬連接是沒有保證的。

如圖所示：當源端係統（1）把一個（VLID）= 100的虛擬連接識別碼的以太網幀發送到以太網中，AFDX交換機把這個以太網幀轉發到指定目標終端係統（2和3），終端係統（2和3）能同時收到來自終端係統1的以太網幀。也就是說多個虛擬連接能同時接收來自同一個終端係統的信息，並且每個虛擬連接也可以從一個或多個通信端口獲取信息。

通過AFDX可以確定數據包發送和接收的時間，從而消除半雙工可能出現的傳輸衝突。如下圖1所示：每個航空子係統如自動駕駛、抬頭顯示等直接連接到由兩組雙絞線組成的全雙工交換機。其中一組雙絞線是用來傳輸，另一組雙絞線是用來接收，交換機能夠同時對發送和接收的數據包進行緩衝。

圖1、

AFDX交換機的接收和發送緩衝區裏麵都能夠根據先入先出的原則存儲大量的對輸入/輸出數據包。I/O處理單元（CPU）把數據報從輸入的接收緩衝區轉移到輸出傳輸緩衝區，通過檢查下一行接收緩衝區到達的數據包，來決定他的目標地址（虛擬連接標誌），並查找轉發列表來決定從哪個發送緩衝區來接收這個數據包。通過存儲總線和傳輸（FIFO）順序，將數據包拷貝到該發送緩衝區，通過發送緩衝區把數據發送到航空子係統或其它交換機中。這種涉及到存儲轉發體係結構的全雙工交換機排除了半雙工以太網遇到的問題，簡單的說就是消除了衝突。

如圖1所示，一個AFDX係統由以下部分組成

圖4、AFDX係統組成

傳統飛機上的航空子係統如飛行控製計算機、全球定位係統、壓力疲勞監視係統等等，航空電子計算機係統為航空子係統提供一個計算環境，每個航空計算機係統包含嵌入式終端係統，並把航空子係統連接到一個AFDX互聯網。

在航空子係統和AFDX互聯網之間提供一個“接口”。每個航空子係統的終端係統接口保證與其他航空子係統進行安全可靠的數據交換。這個接口為各種航空子係統提供了應用編程接口（API），使他們能夠通過一個簡單的接口進行會話。

一個全雙工交換以太網，通常由一個以太網交換機把以太網幀數據傳輸到合適的目的地。AFDX互聯網的以太網交換技術是一個有別於傳統的單工的ARINC429 、點到點的技術和MIL—STD—1553總線技術。在AFDX的航空網絡係統中（如圖4）所示，兩個終端係統提供分別為3個航空子係統一個通訊接口，第三個終端係統為應用網關提供了接口；同時它也為其他航空子係統之間提供通訊通道和擴展IP網絡，專門用來進行數據的下載和登陸。

首先我們簡單通過帶寬、通信模式、終端數量等，對各種不同類型的總線進行對比如下表所示：

通過我們可以通過框圖對各種總線的價格進行比較，我們可以看到，與傳統的總線相比，AFDX由以下優勢：

（1）有保證的服務質量：與傳統的以太網相比，AFDX的延時時間短，服務質量更高。

（2）AFDX的傳輸速率高：帶寬100MHZ，遠遠高於其他的類型的航空總線。

（3）AFDX網絡的魯棒性高：AFDX的雙冗餘備份網絡可以在某一個網絡出現故障時，仍能正常通訊。

（4）簡化走線難度：以往的航空總線係統中所有的設備之間必須通過雙絞線相連，才能正常通訊；而使用AFDX，如圖4所示，每個端點不需要單獨連接到內部平台，每個終端隻要與交換機直接相連，而不管網絡內部平台有多少個端點，這樣就在很大程度上減少走線，因此也可以減輕飛機的重量。

（5）終端子係統數量不受限製：如在ARINC429，一個發送源端最多隻能有20個接收者，在MIL-STD-1553總線，一個BC最多隻能連接32個RT;而AFDX，從網絡內部平台連接的航空子係統的數量隻跟交換機端口的數量有關，很容易滿足增加子係統的需求。

（6）成本低：它通過已經實現商業用途的以太網技術進行開發，在很大程度上縮短了開發周期，和生產成本。

通過對AFDX的協議進行分析和比較，證明采用AFDX的航空計算機網絡，可以提供更大更穩定的傳輸帶寬，改善數據傳輸的服務質量（QoS）。同時使用AFDX還可以減少航空計算機網絡間的布線，從而減輕了飛機的重量；此外，基於AFDX的網絡拓撲非常靈活，可以很容易對飛機的子係統進行更新和增加，這樣就可以很方便對飛機進行升級和維護，對我國大飛機的計算機網絡的設計具有一定的參考價值