楊　峰，洪元佳，夏　杰，張　佩

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

AFDX網絡技術綜述*

楊峰1，2，洪元佳3，夏杰3，張佩3

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

航空全雙工交換式以太網(AFDX)在傳統(tǒng)以太網的基礎上采用商用現成技術(COTS)和開放式標準，是一種滿足大中型飛機綜合化航空電子系統(tǒng)互聯通信的星型網絡，成為下一代航空數據網絡的最佳選擇。AFDX網絡利用魯棒的、成熟的、高速商用標準以太網 IEEE802.3通信原理和網絡結構，在通信協議、拓撲結構上采用全雙工、雙余度、帶寬固定分配、虛鏈路、余度管理和完整性檢查等措施，使之滿足航空電子系統(tǒng)對高帶寬、低延遲、高安全性、高可靠性、強實時性和確定性的通信服務要求。在深入理解AFDX網絡背景的基礎上，詳細分析了AFDX網絡的拓撲結構、工作原理及網絡特性，進一步說明了AFDX網絡未來的發(fā)展趨勢，為后續(xù)的AFDX網絡研究與工程應用奠定了基礎。

AFDX；確定性；可靠性；實時性

0　引言

機載總線網絡技術發(fā)展至今，傳輸方式從孤立的單一傳輸發(fā)展到共享互聯的網絡化，傳輸速度從原來的Kb/s發(fā)展到 Mb/s乃至Gb/s，為航電系統(tǒng)的升級換代提供了強有力的保證，推動了航空電子系統(tǒng)結構的進化。AFDX網絡以其高實時、高安全、高可靠和低延時的特點，滿足航電系統(tǒng)對健壯性、兼容性和可擴展性的要求，成為目前機載領域較先進的航空電子系統(tǒng)總線網絡［1-2］。

AFDX網絡由端系統(tǒng)(End System，ES)、交換機(Switch)、鏈路(Link)組成，采用雙冗余星型拓撲結構，終端之間通過虛鏈路交換數據［3］，虛鏈路(Virtual Link，VL)定義了一條消息的源地址和目的地址，其中源地址只有一個，每一個虛鏈路都有自己的帶寬。虛鏈路是AFDX網絡的通信基礎，在系統(tǒng)中端系統(tǒng)通過虛鏈路進行數據幀的交換。

AFDX網絡采用全雙工交換機、異步傳輸模式等方法來減少總線競爭，通過靜態(tài)配置以達到確定性要求。全雙工交換機作為網絡核心，具有發(fā)送和接收數據的緩沖區(qū)，可以滿足所有端口線速轉發(fā)［4］；端系統(tǒng)提供航空電子設備與AFDX網絡之間的“接口”，該“接口”向航空電子設備提供“應用程序接口”，同時提供基于虛鏈路的發(fā)送帶寬控制，以保證各設備之間不同通信通道之間的隔離。

從圖1可以看出機載總線結構的發(fā)展歷程，最初的總線 ARINC429為網狀形式，傳輸速率只有 100 Kb/s，發(fā)展到總線型的ARINC629傳輸速率有所提高，達到2 Mb/s，而近年來快速發(fā)展的 ARINC664為星型結構，實現了100 Mb/s的傳輸速率，是早期ARINC429總線的1 000倍［5］。

圖1　機載數據總線的速率與結構

AFDX網絡完全符合ARINC664 Part7協議，采用的星型拓撲結構使得設備之間的互聯更加方便，提高了網絡的可擴展性。同時AFDX網絡的虛擬鏈路、流量警管、BAG、抖動、冗余管理和完整性檢查等核心技術提高了網絡的通信性能，增強了系統(tǒng)的確定性和可靠性，目前已經廣泛應用于空中客車A400M大型運輸機和波音787寬體客機中，成為新一代大型客機高速機載網絡標準［6］。

1　AFDX網絡介紹

AFDX網絡是從商用以太網的基礎上發(fā)展而來的。目前廣泛使用的商用以太網是基于交換機動態(tài)路由進行數據包轉發(fā)的，數據在傳輸的過程中的傳輸路徑是根據網絡實時情況而動態(tài)進行確定的，數據包在重復傳輸中會由于碰撞而導致延遲，故其存在數據延遲不可測、數據信息丟失的現象，而這種情況在對數據的實時性、可靠性、安全性要求比較高的航空電子數據網絡系統(tǒng)中是不可接受的［7］。AFDX網絡在商用以太網的基礎上增加了以下特性以適應航空電子系統(tǒng)的需求：

(1)物理層和數據鏈路層采用IEEE802.3協議以充分利用貨架產品的優(yōu)勢；

(2)采用虛鏈路進行帶寬預分配以對網絡傳輸性能進行優(yōu)化，引進BAG和Jitter以確保網絡時延的可測性；

(3)采用預先設定的傳輸路徑進行數據的傳輸；

(4)采用星型的網絡拓撲結構，交換機之間可以進行級聯以增強網絡的可擴展性；

(5)采用雙冗余的“熱備份”，增加冗余管理和完整性校驗機制以保證數據的可靠性。

1.1AFDX網絡拓撲結構

AFDX網絡的拓撲結構僅采用傳統(tǒng)以太網拓撲結構中的星型拓撲，其他結構(如總線型結構、環(huán)形結構)因傳輸效率、可能造成沖突等原因不能使用［6］。同時，AFDX網絡采用雙冗余機制，故形成了如圖2所示的雙冗余星型拓撲結構，其中ES代表端系統(tǒng)，相同位置不同顏色的交換機互為熱備份。

圖2　AFDX網絡拓撲結構

在標準AFDX網絡拓撲圖中，所有鏈路采用熱備份機制，即所有交換機都有另一個與它數據相同（數據僅MAC源地址中網絡號字段不同），每個終端系統(tǒng)與兩臺互為熱備份的交換機相連，構成雙冗余網絡，交換機之間通過級聯以擴展網絡規(guī)模。由此可以避免由于鏈路或者交換機故障所導致的網絡癱瘓，同時互為備份的鏈路層亦可以保證數據的可靠性。

1.2AFDX網絡工作原理

AFDX網絡在航空系統(tǒng)的互聯示意圖如圖3所示，通過交換機的警管、過濾機制和端系統(tǒng)的定時發(fā)送機制避免數據堵塞和沖突，提高通信質量和安全性，對數據傳輸帶寬進行限制，保證通信的帶寬和隔離；通過靜態(tài)配置保證系統(tǒng)傳輸的確定性；通過傳輸路徑的熱備份保證系統(tǒng)的可靠性。

圖3　AFDX互聯示意圖

AFDX網絡系統(tǒng)的工作原理如圖4所示的實線框內部，根據圖4的傳輸過程，AFDX網絡系統(tǒng)的工作原理可以分為以下過程：

(1)當指令從飛行員發(fā)起并經過各種處理后，指令下發(fā)到端系統(tǒng)，這里端系統(tǒng)收到的是實際數據內容。

(2)經過端系統(tǒng)的處理，加上 AFDX網絡特有控制信息，如IP頭部、UDP頭部、SN號、CRC校驗等內容，將數據封裝成完整AFDX數據幀，通過端系統(tǒng)的A、B雙冗余端口發(fā)送出去，數據幀到達交換機的端口。

(3)交換機收到數據幀后按照用戶提前配置好的數據傳輸路徑進行數據幀的轉發(fā)，在交換機的內部，數據幀需要經過過濾、警管、調度、交換等各個關卡，在通過了各個關卡之后，符合網絡要求的數據幀被轉發(fā)出來，從指定端口發(fā)送到目的端系統(tǒng)上。

圖4　AFDX網絡系統(tǒng)工作原理

(4)接收的端系統(tǒng)收到交換機轉發(fā)出來的幀后，首先判斷幀的正確性和完整性，然后對數據幀進行協議解析處理，將傳輸時加上AFDX網絡特有控制信息逐一分層拆除，取出真正的數據內容，提交給網絡系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)。子系統(tǒng)經過各種對應（如解密、運算）的處理后，回饋信息給飛行員，完成一次操作。

1.3AFDX網絡特點與優(yōu)點

AFDX網絡是基于商業(yè)以太網的以交換機為核心的實時網絡協議，其以商業(yè)以太網的組網形式和通信協議為基礎，結合航空電子應用的特殊環(huán)境對確定性、可靠性、實時性和安全性方面的需求，ARINC公司負責制定了ARINC 664航空數據網絡標準。憑借虛鏈路技術和雙冗余管理實現了航空電子應用需求，同時能夠兼顧既有的航電設備。AFDX網絡已成為新一代航空電子系統(tǒng)數據網絡標準。

AFDX網絡特點主要有：基于以太網基礎；利用COTS技術，使用開放式的系統(tǒng)；星型拓撲網絡；余度容錯網絡；可靠性網絡；高實時性網絡；高傳輸速率網絡；確定性網絡；可維護性網絡；提供區(qū)分數據類型的服務；采用航空電子專用的通信協議［7］。

AFDX網絡優(yōu)點有：便于航空子系統(tǒng)的擴展和維護；提高航空計算網絡的通信性能；數據傳送有確定的端到端延遲，能夠保證數據的實時性要求；布線簡單，采用星型拓撲而非點對點結構；網絡規(guī)模大，通過交換機的級聯可增加多個網絡設備；全雙工模式，帶寬可達 100MHz，為429總線的1 000倍；安全性高，采用雙冗余機制確保消息可靠到達；可靠性高，使用靜態(tài)配置轉發(fā)表、流量整形和實時調度機制來保證數據傳輸的確定性。

2　AFDX網絡發(fā)展現狀

AFDX網絡是當前國際上先進大中型飛機的主干網絡之一，具有很好的發(fā)展前景，尤其是其采用COTS技術，使得成本相對FC、1394等具有很大優(yōu)勢。國外對AFDX的應用已經非常成熟，形成完整的應用、測試、驗證解決方案，AIM、TechSAT等公司均提供高性能的端系統(tǒng)、交換機和網絡測試平臺和仿真設備，為AFDX網絡的系統(tǒng)測試、可靠性分析提供有力支持。

國內AFDX網絡的應用也逐漸增多，AFDX網絡已開始在部分飛機上驗證、應用，測試設備也逐漸完善，目前已自主研發(fā)出網絡節(jié)點監(jiān)控設備、TAP分析設備、便攜式維護管理終端，完成 AFDX網絡綜合實驗，并通過了原理試驗、協議符合性測試、電氣特性測試、網絡應用測試、C型件和S型件試驗、機上地面等試驗，驗證充分。但由于國內AFDX網絡應用正處于初期階段，應用規(guī)模不大，測試設備的發(fā)展比較滯后，相比國外還有一定差距，暫時還沒有全面的、精確度較高的交換機和網絡測試平臺。隨著AFDX網絡應用日趨成熟，測試設備的研發(fā)步入正軌，可以預見未來國內AFDX網絡可以實現完全自主保障。

3　AFDX網絡發(fā)展趨勢

機載的發(fā)展如同商業(yè)和工業(yè)網絡發(fā)展一樣，一直向著高可靠、高速率、強實時、綜合化方向發(fā)展，以太網作為成功的商業(yè)網絡解決方案，自然成為各領域研究的重點課題，時間觸發(fā)協議(Time Trigger Protocol，TTP)由 TTTech公司提出，經過十多年的研究和實踐，其在商業(yè)領域的應用已經非常成熟，其采用分布式系統(tǒng)結構，提高了數據通信的時間確定性。TTP自身已經證明了其適用于綜合模塊化航空電子體系結構。

時間觸發(fā)以太網（Time Trigger Ethernet，TTE）是 TTTech公司針對航空/航天領域等特殊應用而研發(fā)的一種高性能、強實時以太網，物理層完全兼容標準以太網IEEE802.3，支持雙冗余，同時可以提供微秒級的時鐘同步，通信速率可達1 Gb/s?，F已被確定為波音B787、空中客車 A380等其他先進飛機的航空電子系統(tǒng)的通信解決方案［8］。

TTE網絡向下兼容AFDX網絡，提供的流量區(qū)分服務可以保證AFDX網絡接入的獨立性和完整性，降低當前網絡設備的升級成本。與AFDX網絡相比，TTE具有更快的速度、更遠的傳輸距離、更低的網絡延遲以及更靈活的通信管理方案，而且TTE網絡自身具有較高精度的時間同步能力，使其成為一種非常有潛力的未來工業(yè)和機載網絡解決方案。

4　結束語

AFDX網絡是目前較為先進的航空電子網絡技術之一，不僅可以滿足航空對高傳輸速率、健壯性和兼容性要求，而且還可以滿足新一代航電數據通信的高速、高實時和高可靠傳輸。本文在AFDX網絡的發(fā)展背景的基礎上，通過分析 AFDX網絡的拓撲結構、工作原理以及網絡特性，對 AFDX網絡進行了研究，對后續(xù) AFDX網絡協議研究、芯片研制、應用解決方案以及AFDX網絡的系統(tǒng)設計具有重要的參考價值。

［1］趙永庫，李貞，唐來勝.AFDX網絡協議研究［J］.計算機測量與控制，2011，19(12)：3137-3139，3142.

［2］任向隆，馬捷中.航空電子全雙工交換式以太網終端系統(tǒng)研究［J］.計算機測量與控制，2009，17(5)：924-926.

［3］丁勇飛.機載航空總線系統(tǒng)發(fā)展評述［J］.航空電子技術，2003，34(2).

［4］王紅春，何鋒.民用飛機高速航電系統(tǒng)AFDX網絡設計與分析［J］.計算機工程與設計，2011(32)：3633-3636.

［5］Developing AFDX solution［Z］.Actel Corporation，2005.

［6］石改輝，張原.下一代航空數據網路體系結構研究［J］.電子工程，2006(4).

［7］趙國斌.航空電子全雙共交換式以太網分析［J］.中國制造業(yè)信息化，2011，40(21).

［8］王僑鳳，張曉林.基于AFDX的關鍵技術介紹及通信網絡的設計［J］.遙測遙控，2011(9)：68-72.

Summary of AFDX network technology

Yang Feng1，2，Hong Yuanjia3，Xia Jie3，Zhang Pei3
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.,LTD,Xi′an 710068，China)

Aviation full duplex switched Ethernet(AFDX)uses commercial off-the-shelf(COTS)technology and open standards which on the basis of the traditional Ethernet,it is a kind of large and medium-sized aircraft integrated avionics system of interconnected communication star network,and becoming the best choice for the next generation of aviation data network.AFDX network makes use of robust,mature,high-speed commercial IEEE802.3 Ethernet standard communication principle and network structure which uses key technology such as full duplex,double redundancy fixed bandwidth allocation,virtual link,the redundancy management and integrity check in order to satisfy the avionics systems for high-bandwidth,low-latency,high-security,high-reliability,strong real time,deterministic communications service requirements.This paper further understands AFDX network background,analyzes the AFDX network topological structure,working principle and network features in detail,and illustrates the further development trend of AFDX network.All of this paper′s research is important for subsequent AFDX network research and engineering applications.

AFDX；certainly；reliability；real-time

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.001

航空科學基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-02-26）

楊峰（1980-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：集成電路設計及驗證，嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

洪元佳（1990-），男，大專，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

夏杰（1985-），男，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)硬件設計與開發(fā)。

張佩（1985-），女，碩士，工程師，主要研究方向：應用軟件開發(fā)。

中文引用格式：楊峰，洪元佳，夏杰，等.AFDX網絡技術綜述［J］.電子技術應用，2016，42(4)：4-6，10.

英文引用格式：Yang Feng，Hong Yuanjia，Xia Jie，et al.Summary of AFDX network technology［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：4-6，10.