机载总线之-AFDX.pdf

1、NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 授课 提纲 AFDX交换机 4 AFDX概述 1 AFDX网络 协议 2 AFDX端系统 3 AFDX应用 5 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 概述 1.概述 新一代航空电子系统的 通信业务已经从传统 的数据 、 话音 通信扩展为高速数据 、 图像 、 多媒体等多种业务 ， 传统的以 ARINC 429或 Mil-STD-1553总线构架的信息传输网络不足以达到如此高的带宽和速率等 要求 。 航空 电子系统对信息传输网络的综合化 、 可扩展性 、 带宽 、 传输实时性、 可靠

2、性等的要求越来越 高 。 20世纪 90年代 末期 ， 为了 满足民用航空电子系统对具有稳定性能和更高数据率的 需求 ， 同时 ， 确保 系统兼容性 、 发挥商用现货 (COTS)硬件优势 、 减少设计开发成本 、 缩短研制 周期 ， 研究 人员开始基于 IEEE 802.3以太网技术研制新一代机载航空 数据网络 ， ARINC664应运而生 。 AFDX概述 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 概述 1.概述 Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX)是为航空电子系统中子系统间的数据交换而定义的电气特性的

3、标准协议 (IEEE802.3和ARINC664， 第七部分 )。 ARINC 664是由工业标准以太网经过适应性改进而成 的 ， 其 适应性改进主要针对抵抗大中型飞机上相对恶劣环境 、 提高系统可靠性 、 保证信息传输实时性等方面 。 该技术使用 IP寻址技术和传输协议 (TCP/UDP)的IEEE 802.3网络 。 随着 2005年 4月 27日欧洲空中客车公司 (Air-bus)的 A380在法国图卢兹进行首次 飞行 ， 以及 2007年 10月首架 A380交付 新加坡航空公司 ， 标志 着AFDX在大型飞机中得以成功 应用 。 AFDX概述 NORTHWESTERN POLYTEC

4、HNICAL UNIVERSITY 概述 1.概述 AFDX 第一次 在大型航空电子系统上实现了由传统的分立式电缆连接或共享介质的总线构架信息传输网络向交换式网络的 转变 ， 率先 在大中型航空电子系统中扩大了互连信息传输网络的 规模 。 AFDX有效 提高了信息 带宽 ， 从而 加强了航空电子系统的综合化 程度 ，克服 了传统航空电子系统布线 复杂 、 维护 、 改型困难的缺点 。 AFDX是 ARINC 429的速率千倍以上 。 AFDX之所以成为如此具有吸引力的技术 ， 是因为它建立在较为成熟而又不断提高的以太网基础上 。 它对以太网技术进行了改进 ， 提高了网络性能 ， 减少了通信延时

5、 ， 并保证通信网络具有延迟可确定性 。 AFDX概述 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 概述 2.AFDX AFDX是由工业标准的以太网通信协议经过适应性改进形成 的 ， 具有 相对更高的可靠性 、 对恶劣环境更强的适应性和更高的实时 性 ， 其 传输速率可以达到 100 Mbit/s。 目前 已经应用于先进的大型客机项目 (A380、 B787以及 A400M军用运输机 )。 AFDX属于分布式 体系结构 ， 其 成本低 、 扩展性好 、 技术完备等显著特点决定其将成为构筑新一代大型民航和空中作战飞机航空电子系统的基础 。 AFDX概述 NORTH

6、WESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 概述 2.AFDX AFDX具有更高的可靠性 、 抗恶劣环境适应性和确定的实时性 ， 使互连的规模 、 信息带宽 、 综合化程度 、 可扩展性 ， 以及冗余配置的灵活性等方面上升到航空电子综合化的层次 。 AFDX经过适用性改进形成 的 ， 采用 网络交换机来替代传统以太网中的集线器 、 网桥和 路由器 ， 克服 了传统以太网由于传输链路共享造成的信道 冲突 。 交换机 基于帧交换技术为源端和目的端之间提供一个直接快速的点到点连接 ， 为每一个端口提供独占的网络带宽 ， 突破了传统以太网共享带宽的限制 ， 使得每个站点的实际带宽

7、大大提高 。 AFDX概述 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 概述 3.AFDX网络结构 AFDX是一个特殊的定制 网络 ， AFDX系统的组成： AFDX概述 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 概述 3.AFDX网络结构 AFDX网络系统组成 ： 航空 电子综合计算机子系统：机载的传统航空电子子系统如飞行控制 计算机等 ， 通过 综合计算机来整合各类航空电子 子系统 ， 并 为各类航空电子子系统提供一个计算和 AFDX端口的 环境 。 AFDX终端系统 (AFDX End System)：提供每一个航空电子综

8、合计算机与 AFDX网络交换机的 连接方式 。 通过 AFDX端口 ， 实现 各航空电子子系统间数据的安全 、 可靠传输 。 AFDX网络交换机：实现内部全双工网络数据的 交换 ， 它 的主要功能是构建一个机载内部 网络 ， 并 把相关数据信息及时地传送到不同的航空电子子系统或设备中 。 AFDX概述 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 概述 3.AFDX网络结构 AFDX系统由嵌入在航空电子功能系统的 端系统 ， 用于 数据交互的 交换机和 通信链路 构成 。 每个 端系统唯一地接入到某一交换机的 端口 ， 端系统 与交换机之间形成星型 拓扑 ， 交换

9、机 之间的拓扑可根据具体应用灵活配置 。 AFDX每个站点对应于交换机的一个端口 ， 各端口之间同时形成多个数据通道 ， 它们之间的数据输出和输入不必竞争底层的传输信道 ， 摆脱了CSMA/CD模式 。 交换机用存储转发方式工作 ， 在系统中只会出现点对点的链接 ， 不会出现碰撞 。 通过优先权机制来安排数据包在交换机中的发送顺序 。 AFDX概述 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 概述 3.AFDX网络结构 与 ARINC429、 ARINC629相比 ， AFDX系统节点规模有更大 提高 ， 可 支持 1024个端系统 。 在消息传输 上 ， 可

10、支持端到端 、 组播和广播消息 。 由于在以太网的基础 上 ， 增加 了 “ 确定性网络 ” 的实时性能保证机制和冗余管理的可靠性机制等 措施 ， 使得 AFDX能够满足航空电子的要求 。 AFDX在 A380和波音 787的成功应用促使航空电子系统进入新的高度综合化的 时代 ， 欧美 著名厂商掌握着 AFDX关键技术并已实现 AFDX网络交换机和端系统 。 我国 目前正处于大力发展大中型飞机的关键 时期 ， 深入 研究 AFDX对我国航空电子系统的发展及自主研究具有极其深远的意义 。 AFDX概述 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 概述 AFDX概述

11、 终 端 设 备交 换 机交 换 机终 端 设 备终 端 设 备网 关I n t e r n e t交 换 机交 换 机终 端 系 统A F D X I n t e r c o n n e c tNORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 授课 提纲 AFDX交换机 4 AFDX概述 1 AFDX网络 协议 2 AFDX端系统 3 AFDX应用 5 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 1.ARINC 664 在 ARINC 664的第 7部分定义了 AFDX数据总线 ， 允许其它总线标准(ARINC 42

12、9、 MIL-STD-1553B)映射到网络中 ， 以便 与 AFDX的 通讯 。 主要特点如下 ： 网络轮廓 ， 在配置表中为各终端节点所定义的参数在启动时装入到交换机中 ； 全双工 ， 物理层的连接介质是两个双绞线对 ， 一对用于接收 ， 另一对用于发送 ； 交换式网络 ， 网络连接采用星型拓扑结构 ， 每个交换机最多连接 24个终端节点 ， 交换机可以级连以实现更大规模的网络 ； 模型 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 1.ARINC 664 主要 特点如下 ： 确定性 ， 网络仿照点对点的网络 ， 通过使用虚链接保证带宽 ；

13、冗余 ， 双重的网络提供了更高的可靠性 ； 性能 ， 网络传输速率可选择 100Mbps或者 400Mbps， 缺省是100Mbps； 模型 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 2.半双工 局域以太网 半双工 局域以太网中 ， 多个节点通过同轴电缆互连在一起 ， 网络中没有中心节点 。 在这种结构方式中 ， 由于没有冗余设计 ， 线路的故障可能导致终端节点与交换机之间或者是终端节点之间无法正常通讯 ， 导致网络瘫痪 。 当有两个节点 “ 同时 ” 传输信息时会发生 “ 碰撞 ” ， 这时就需要一个节点能够检测传输碰撞 ， 当发生碰撞时

14、， 传输节点就重新发送数据 。 显然， 它们有可能同时重新发送 ， 并且可能再次发生碰撞 。 为了避免这种现象 ， 每个节点根据重新发送数据的时间间隔选择随机的传输时间 ， 如果再次发生碰撞 ， 传输节点计算机重新选择前一次时间间隔的一倍为随机传输时间 ， 依次类推 。 该方法通常称为二进制指数策略 。 模型 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 2.半双工 局域以太网 在 系统 中 ， 由于没有中央控制计算机 ， 尽管应用二进制指数的策略 ， 理论上 ， 信息包重复传输中的碰撞是不可避免的 ， 这意味着传输单个信息包时 ， 可能遇到无限

15、的碰撞 ， 从而导致信息包无法成功传输出去 。 模型 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 3.全 双工 交换式 以太网 在 半双工的模式中 ， 由于碰撞导致非常大的延迟 ， 这种情况在航空电子数据网络系统中是不可接受的 。 因此 ， 在 AFDX的实现结构中 ， 要求每个信息包到达目的节点的最大时间是已知的 ， 这实际上是摆脱了系统碰撞的限制 ， 其实现方法就是采用全双工交换以太网 。 在全双工切换以太网中 ， 为了消除碰撞 ， 以及消除信息包从发送者到接收者的不确定时间 。 首先是要消除了半双工以太网中发生的碰撞 。 交换机中的 Rx

16、和 Tx的缓冲区可以按照 FIFO (First-In First-Out)存储多输入 /多输出的信息 包 。 模型 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 3.全 双工 交换式 以太网 由于 这种全双工的交换结构消除半双工以太网中可能遇到的碰撞 。 理论上 ， Rx和 Tx缓冲区可能会溢出 ， 但如果航空电子系统所需要的缓冲区的大小合适 ， 就可以避免溢出 。 虽然全双工切换的以太网可以避免碰撞 ， 但交换机中信息包的阻塞却是不可避免 。 这种交换机 结构中 ， 也可能会导致抖动 ， 它主要是由一个信息包等待另一个信息包传输的随机延迟而引

17、起的 ， 这就要求由端点系统和交换机而引起的抖动必须得到控制 ， 以便所有的航空电子系统的通讯确定性得到保证 。 AFDX提供了可连接到 交换机的 星型拓扑结构 ， 该交换机又可以级连到网络中其它交换机 ， 它是一种确定性的网络 ， 允许连接上的冗余 (物理上双 连 接 )， 以保证带宽和服务保障 。 模型 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 3.全 双工 交换式 以太网 模型 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 3.全 双工 交换式 以太网 实现 方法是在网络系统中设置全双工交

18、换机， 作为 数据信息交换中心枢纽，每个航空电子系统、自动驾驶仪、平显等直接连接到全双工的交换机，该交换机包括两个线对，一对用于发送 (Tx)，一对用于接收 (Rx)，交换机具有用于发送和接收的信息包的缓冲区 。 模型 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 4.AFDX协议与 OSI模型 网络协议 O S I参 考模 型工 程 任 务 组( I E T F i n t e r n e t )标 准I E EE标 准简 单 网 络管 理 协 议( S N M P )文 件 传输 协 议( T F T P )A F D X ( A R I N

19、 C 6 6 4 P a r t 7 )应 用 层表 达 层会 话 层传 输 层网 络 层链 路 层 / M A C物 理 层T C P / U D P 格 式I P 路 由 选 择I E E E 8 0 2 3( 以 太 网 )简 单 网 络管 理 协 议( S N M P )文 件 传输 协 议( T F T P )A R I N C 6 5 3标 准U D P 格 式T C P 格 式 可 选 择A F D X 专 有 功 能I E E E 8 0 2 . 3 以 太 网媒 介 接 入 控 制A R I N C 6 6 4 标 准NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UN

20、IVERSITY AFDX网络协议 4.AFDX协议与 OSI模型 图中描述 了 AFDX协议与涉及的 OSI模型 、 IEEE以太网标准间的关系 。 从图中可以看出 ， AFDX是基于商业以太网 标准 ， 采用 IEEE802. 3/IP/UDP协议的大部分 内容 ， 并 根据航空电子系统集成的实际情况进行了优化的 通信协议 ， 是用于 航空电子设备集成的系统通信接口协议 。 AFDX协议按照层次 划分 ， 可以 分为传输层 、 网络层 、 链路 (MAC)层和物理层 4层 。 整个 AFDX协议栈主要作用是有效 、 及时地封装处理接口端的发送和接收数据 。 AFDX的信息流程包含在链路层中

21、 。 当在 AFDX端口间传送信息时 ， 牵涉 到发送端口 、 AFDX交换机和接收端口的协同 工作 ， 并 配置合理的 地址 ， 使 信息到达需要到达的端口 。 模型 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 5.信息处理流程 信息处理流程 AFDX VL NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 5.信息处理流程 信息处理流程 M P o r t 1A F D X端 系 统1P o r t 2P o r t 3A F D X网 络 交 换 机1 0 0 M1 0 0 M1 0 0 MP

22、o r t 5 MA F D X端 系 统 2P o r t 6 MA F D X端 系 统 3综 合 航 电 系 统 1 综 合 航 电 系 统 2综 合 航 电 系 统 3AFDX信息处理流程 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 5.信息处理流程 M信息被航空电子子系统送入端口 1， 在 AFDX端口 1进行规定的 封装 ，形成 以太网 帧格式； 通过 虚拟链接地址 100发送到 AFDX交换机 中； 通过 AFDX交换机的前向队列表的 配置 ， 把 M信息传送到 AFDX接收端口2； 在 AFDX接收端口 2对 M信息进行解包 处

23、理 ， 最终 把 M信息送入需要的航空电子子系统中 。 信息处理流程 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 5.信息处理流程 AFDX网络交换机采用虚拟链接 ID号来选择预定的路由 。 因此 ， 虚拟链接使信息包从源头送到固定的目的地 。 从图可以看出：从 源端系统 1发送一个带有虚拟链接 ID号的以太网帧信息到 AFDX网络 ， 通过 AFDX交换机转送到预先设定好目的地址的端系统 5和 6。 信息处理流程 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY AFDX网络协议 6.协议 基础 物理 及链路层：以太

24、网协议 （ IEEE 802.3 标准 ） 物理 介质 ， 用于传输计算机之间的以太网 信号； 介质访问控制 规则；以太帧由 一组标准比特位构成 ， 用于传输 数据； 网络层： IP协议 数据都以 IP数据报格式传输 ， 对 IP提供不可靠 (unreliable)、 无连接(connectionless） 的数据报传送服务 。 传输层： UDP协议 UDP是一个简单的面向数据报的传输层协议：进程的每个输出操作都正好产生一个 UDP数据 包 ， 并组装成一份待发送的 IP数据包 。 UDP是面向非连接的协议 ， 它不与对方建立连接 ， 而是直接就把数据包发送过去 。 端系统 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY 授课 提纲 AFDX交换机 4 AFDX概述 1 AFDX网络 协议 2 AFDX端系统 3 AFDX应用 5