王純委， 郝玉鍇， 楊軍祥， 楊煜坤， 李成文， 楊 濤

(1．中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，西安 710065; 2．西安電子科技大學通信工程學院，西安 710065)

0 引言

航空電子全雙工交換式以太網(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX)是一種全雙工、高數據率、雙冗余的網絡，相比于傳統(tǒng)的以傳遞命令和控制信息為主的機載總線，具有更高的可靠性、抗惡劣環(huán)境適應性和確定的實時性，并克服了布線復雜、重量過重、維護及改型困難等缺點，成為目前主流航空電子網絡互連的基礎。AFDX 在組網規(guī)模和靈活性上的優(yōu)勢很大程度上提高了航空計算機網絡的通信性能，便于航電系統(tǒng)的擴展和維護［1］，是飛機機載網絡的一種較理想選擇。

針對規(guī)模龐大的航電系統(tǒng)網絡，對其有效的管理是航電系統(tǒng)正常工作的基本保證，本文提出了一種適用于大型飛機的綜合航電系統(tǒng)中央處理機的雙機備份余度互聯的架構，并對此架構下網絡管理進行了需求分析、架構設計和軟件實現，完成之后的網絡管理功能作為重要的信息來源，直接服務于飛機的中央維護系統(tǒng)。

1 一種基于AFDX 總線的航電系統(tǒng)模型

開放式、模塊化、綜合化系統(tǒng)是當今航空電子領域的發(fā)展趨勢，在綜合化航電系統(tǒng)架構下，常見的機載網絡有FC 網絡和AFDX 網絡等［2］，其中，AFDX 網絡是一種利用了IEEE802．3 以太網標準以及相關傳輸協議的特殊交換式以太網，為星型拓撲結構。AFDX 網絡由端系統(tǒng)、交換機和物理鏈路組成，可以為航空電子系統(tǒng)提供安全、可靠的數據傳輸服務。參照當代先進民用飛機綜合航電系統(tǒng)的設計思路，本文以AFDX 作為系統(tǒng)主干通信網絡，建立了一個級聯式雙冗余的飛機航電系統(tǒng)架構模型，包括兩個互為余度的中央處理機柜，以及通過高可靠AFDX 網絡進行連接的其他分系統(tǒng)，這里所指的其他分系統(tǒng)廣義上也可包含非航電系統(tǒng)，例如液壓系統(tǒng)，環(huán)控系統(tǒng)等。系統(tǒng)架構如圖1 所示。

圖1 級聯式雙機備份架構航電系統(tǒng)模型Fig．1 Module of redundant interconnection of the two-unit backup integrate avionics system

中央處理系統(tǒng)包括兩臺互為余度/備份的機柜，每臺機柜中包含若干塊電源模塊、通用處理模塊、數據處理模塊、圖形生成模塊、交換機模塊等。這些模塊之間通過AFDX 網絡以交換機為中心呈星型拓撲結構。對于交換機模塊，交換機A 與A'，交換機B 與B'，各自互為余度，分別接到其他功能模塊的AFDX 端系統(tǒng)A 端口和B 端口上。同一機柜中的交換機設計為級聯關系，所以兩個機柜中的任何兩個模塊都可以通過交換機交互數據。這種連接方法可以很大程度上促使數據的共享和提高網絡的可靠性。

在上述模型中，交換機的星型級聯允許網絡的規(guī)模不斷擴大，外圍節(jié)點數量持續(xù)增加，盡管AFDX 網絡采用虛擬鏈路VL 技術、速率約束、流量管制和靜態(tài)路由等機制，但合理的網絡行為仍依賴于嚴格的系統(tǒng)層面設計，以及運行時的監(jiān)控［3］，對AFDX 網絡有效的管理是航電系統(tǒng)正常工作的基本保證。

2 網絡管理的需求及規(guī)劃

2．1 TCP/IP 網絡管理

網絡管理在本質上是一個監(jiān)視和控制的過程，其目的是盡可能地保證網絡的正常運行［4］，基于TCP/IP的網絡管理通常包含網絡管理端(manager)進程和網絡代理端(agent)進程兩個角色。管理進程和代理進程之間的通信可以有兩種方式:一種是管理進程向代理進程發(fā)出請求，詢問或者按要求改變一個具體的參數值;另一種是代理進程主動向管理進程報告某個重要的事件發(fā)生［5］。除了管理端和代理端之外，網絡管理模型還包含3 個重要組成部分:1)管理信息庫(Management Information Base，MIB)包含所有代理進程的所有可以被查詢和修改的參數［6］;2)管理信息結構(Structure of Management Information，SMI)是關于MIB的一套公用的結構和表示符號［7］;3)簡單網絡管理協議(Simple Network Management Protocol，SNMP)是管理進程和代理進程之間的通信協議［8］。

2．2 AFDX 網絡管理需求

AFDX 網絡管理是指對AFDX 網絡中的終端進行管理，是飛機航電系統(tǒng)正常工作的基本保證，與TCP/IP 協議的網絡管理類似，AFDX 網絡管理也分為管理端和代理端兩種角色，采用SNMP 協議進行相互之間通信，其對應機柜里所有連接到交換機的模塊(端系統(tǒng))以及交換機模塊本身進行管理，并完成網絡拓撲中所有節(jié)點的狀態(tài)查詢、信息上報及故障管理。網絡管理主要包括構型管理、故障管理、配置管理等。

2．2．1 構型管理

構型管理包括各模塊的上下網查詢以及管理模塊管理權的切換。上下網查詢指管理端可以主動查詢各端系統(tǒng)的在線狀況，如果端系統(tǒng)出現故障，網絡管理軟件將該端系統(tǒng)設置為離線狀態(tài)。管理模塊管理權的切換則指主管理模塊故障時，從管理模塊接管管理權。

2．2．2 故障管理

管理端每隔一段時間通過特定命令依次查詢網絡中一個設備(交換機或端系統(tǒng))的故障信息，端系統(tǒng)和交換機通過特定命令響應網管的查詢指令，將故障信息反饋給網絡管理機。網管收到設備返回的故障信息后，將故障信息整理并上報飛機中央維護系統(tǒng)。

2．2．3 配置管理

網絡管理應用軟件負責向維護系統(tǒng)上報自身和交換機的軟硬件配置管理信息。

2．3 AFDX 網絡管理的規(guī)劃

AFDX 網絡管理軟件使用管理信息(MIB)庫在各模塊間交互信息，按照管理端與代理端分為兩部分，其中，管理端在2 個通用處理模塊上運行，代理端在交換機模塊、數據處理模塊、圖像生成模塊以及其他與交換機相連的模塊上運行。管理端和代理端軟件都基于VxWorks653 操作系統(tǒng)平臺而設計，以分區(qū)形式運行。

針對上述航電系統(tǒng)架構模型抽象出的AFDX 網絡管理拓撲結構如圖2 所示。

圖2 AFDX 網絡管理拓撲模型Fig．2 Topology model of AFDX network manage

AFDX 網絡下SNMP 協議棧的位置跟TCP/IP 下的SNMP 協議類似，不同的是AFDX 網絡中SNMP 協議使用的是傳輸層的SAP(服務訪問點)端口進行通訊。AFDX 通過虛鏈路實現了帶寬資源的有效分配和應用隔離。虛鏈路可理解為一個端系統(tǒng)到另一個或多個端系統(tǒng)間的邏輯路徑，為單向連接，多條虛擬鏈路可以共用一條物理鏈路［9］。虛鏈路之間的通信方式有采樣、隊列以及SAP 3 種，AFDX 網絡下SNMP 協議的通訊，就是基于SAP 端口來實現的［10］。圖3 所示為AFDX 網絡管理端上SNMP/MIB 在AFDX 網絡中的協議棧的位置。

圖3 SNMP/MIB 在AFDX 網絡中的協議棧Fig．3 SNMP/MIB protocol stack location

代理端的MIB 庫是所有代理進程包含的、并且能夠被管理進程進行查詢和設置的信息的集合。在AFDX網絡中，所有端系統(tǒng)和交換機中都具有MIB 庫。MIB 庫為樹形結構圖，樹上的每個結點在擁有一個對象標識的同時還有一個文字名［11］，例如標識“1．4．5．1”就和文字名“ESID”相對應。在SNMP 的API 實現時，可以通過標識符或者文字名進行查詢。MIB 庫的結構如表1 所示。

表1 MIB 庫的結構Table 1 MIB structure

管理進程和代理進程之間的信息交互由SNMP 協議定義，SNMP v2 定義了7 種報文操作［12］:1)get-request操作，從代理進程處提取一個或多個參數值;2)getnext-request 操作，從代理進程處提取一個或多個參數的下一個參數值;3)set-request 操作，設置代理進程的一個或多個參數值;4)get-response 操作，返回的一個或多個參數值，這個操作是由代理進程發(fā)出的，是前面3 種操作的響應操作;5)trap 操作，代理進程主動發(fā)出的報文，通知管理進程有某些事情發(fā)生;6)get-bulk-request操作，從代理進程讀取大塊數據;7)inform-request 操作，一個管理進程向另一個管理進程發(fā)送信息。

3 網絡管理的應用軟件設計

網絡管理應用軟件主要利用SNMP 協議發(fā)起查詢以及對查詢到的數據進行處理，分別對構型管理、故障管理、狀態(tài)管理的軟件設計進行描述。

3．1 構型管理

構型管理包括對AFDX 設備的構型管理和對ARINC429 設備的構型管理。

3．1．1 AFDX 設備的構型管理

網絡管理應用軟件每隔500 ms 查詢網絡中的所有終端，采用get-request 命令提取各端系統(tǒng)代理進程中的EquipmentOnline 參數，網絡管理軟件根據get-request 命令的執(zhí)行情況和返回的EquipmentOnline 參數的值判斷該設備的在線狀態(tài)。如果get-request 命令連續(xù)3 個周期未得到端系統(tǒng)代理進程響應，則說明該端系統(tǒng)出現故障，網絡管理軟件應將該端系統(tǒng)設置為離線狀態(tài);如果get-request 命令響應成功，網絡管理軟件還要判斷返回的EquipmentOnline 參數，如果連續(xù)3 次獲取到的該參數均為0，則說明端系統(tǒng)宿主機應用軟件故障，該端系統(tǒng)應設置為離線狀態(tài);否則說明端系統(tǒng)宿主機至少有一個應用軟件/分區(qū)正常，該端系統(tǒng)應設置為在線狀態(tài)。端系統(tǒng)代理進程對網絡管理軟件的get-request 命令采用get-response 操作進行響應，端系統(tǒng)代理進程執(zhí)行完get-response 操作后，同時將MIB 庫中的EquipmentOnline 參數清零。

AFDX 設備的構型管理流程如圖4 所示。

圖4 AFDX 設備的構型管理流程圖Fig．4 Flow of AFDX end system construction management

3．1．2 ARINC429 設備的構型管理

ARINC429 設備的構型管理由遠程數據采集器進行收集并接受網管的統(tǒng)一管理，遠程數據采集器收集下端ARINC429 設備的在線信息狀態(tài)，并將其存放在MIB 庫中表示在線狀態(tài)的參數EquipmentOnline 中，該參數為整型變量，長度4 Byte，第31 位表示遠程數據采集器的在線狀態(tài)信息，其他位按照相應的對應關系表示下端ARINC429 設備的在線狀態(tài)信息。網絡管理應用軟件收集遠程數據采集器的在線狀態(tài)信息的方式與AFDX 設備相同。

ARINC429 設備構型管理的流程如圖5 所示。

圖5 ARINC429 設備的構型管理流程圖Fig．5 Flow of ARINC429 equipment construction management

3．2 故障管理

故障管理包括網管軟件對自身的軟硬件故障和交換機的軟硬件故障進行的管理。

3．2．1 交換機的故障管理

交換機的故障包括通信錯誤演變成的故障和自檢測發(fā)現的故障。當交換機的故障狀態(tài)發(fā)生改變時(正常變?yōu)楣收匣蚬收献優(yōu)檎?，交換機的代理進程應通過Trap 操作將狀態(tài)上報給網絡管理進程，Trap 上報的基本信息單元為兩個32 位的信號，一個基本信息單元表示一個故障信息(包括故障編碼和故障發(fā)生時間)，一個Trap 操作可以上報多個故障信息。

3．2．2 自身的故障管理

網絡管理應用軟件自身的軟硬件故障由系統(tǒng)代號、分系統(tǒng)代號、位置信息和故障名稱編碼等構成。其中，編碼的故障包括自身內部故障，AFDX 通信故障或失效，電子盤故障或失效等。

3．2．3 故障信息上報

故障狀態(tài)改變，即故障發(fā)生或消失時，網絡管理應用軟件向上級維護系統(tǒng)上報故障信息，內容包括:

1)故障信息編碼;

2)故障次數(故障第幾次發(fā)生或消失);

3)故障狀態(tài)(存在、不存在);

4)故障類型，故障首次發(fā)生時置為硬故障，首次消失時即將故障類型修改為間歇故障，該故障狀態(tài)再次發(fā)生改變時維持間歇故障類型不變;

5)狀態(tài)改變時間(時、分、秒)。

3．3 配置管理

網絡管理應用軟件負責向維護系統(tǒng)上報自身和交換機的軟硬件配置管理信息。網管接收配置數據請求，并發(fā)送自身和交換機的硬件部件號、軟件版本號和配置表信息。處于工作狀態(tài)的網絡管理端通過get-request 命令獲取交換機的配置信息，將其信息整理之后與自身信息一起上報給維護系統(tǒng)，而處于備份狀態(tài)的管理端則只上報自身配置管理信息。在此過程中，如發(fā)生管理權轉換，配置信息上報模塊維持原有的分配狀態(tài)不變，直至本次上報操作完成。

4 測試與驗證

在完成軟硬件設計實現之后，分別在單元級、模塊級和系統(tǒng)級對該AFDX 網絡管理系統(tǒng)進行測試，其中，系統(tǒng)級測試使用了整個航電系統(tǒng)地面測試環(huán)境，逐一對所有代理端設備的構型管理(在線和離線狀態(tài))、故障管理(模擬故障注入)和配置管理(配置信息上報)等進行了測試，結果表明，該AFDX 網絡管理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠并且已成功應用于飛機航電系統(tǒng)。

5 結束語

本文介紹了一種采用AFDX 為主干網絡的級聯式雙中央處理機備份互聯的航電系統(tǒng)架構模型，在此模型的基礎上，進行了AFDX 網絡管理需求分析，提取到其構型管理、故障管理、配置管理等關鍵需求并且進行了設計規(guī)劃，在VxWorks653 操作系統(tǒng)下實現了該網絡管理應用軟件的全部功能并在充分測試后成功應用。

［1］ 周強，熊華鋼．新一代民機航空電子互連技術發(fā)展［J］．電光與控制，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］ 杜宏偉，馬捷中． 航空電子全雙工交換式以太網及其關鍵技術研究［J］． 測控技術，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］ 顧偉青． 航空電子系統(tǒng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與自主創(chuàng)新［J］．航空制造技術，2008(23):68-71．(GU W Q．Challenge and self-dependent innovation for avionics development［J］． Aeronautical Manufacturing Technology，2008(23):68-71．)

［4］ 馬睿，劉源，秦前清．基于SNMP 協議的網絡管理系統(tǒng)的設計［J］． 微機發(fā)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 簡單網絡管理協議［M］． 北京:電子工業(yè)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，何鋒，李峭，等．基于策略的AFDX 網絡管理的設計與分析［J］．計算機工程與設計，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．