0 引言

    隨著高性能飛機的快速發展和空域環境的日益復雜,飛機對航空電子系統的要求越來越多,航空電子全雙工交換式以太網(AFDX)作為一種實時性、可靠性、確定性的全雙工交換式網絡^[1]，已成為新型航空總線技術的首選。

    基于AFDX網絡的廣泛應用，在航空電子系統的產品研制、生產、交付驗收、裝機調試及使用維護的各個階段，采用AFDX網絡仿真系統對網絡中的關鍵設備進行功能、性能檢測，是航空電子系統通信正常、工作可靠的重要保證^[2]。

    本文是在協議分析、標準研究、需求理解、芯片研制及應用解決方案的基礎上，突破系列關鍵技術，提出了一種AFDX網絡仿真系統的設計方案，詳細說明了AFDX網絡仿真系統的架構設計、組成部分及配套應用部分，建立了配置、加載、監控、管理等完整的網絡拓撲，形成系列的應用解決方案。下面將對AFDX網絡仿真系統進行詳細說明。

1 系統功能

    AFDX地面仿真系統用于在地面環境下對AFDX網絡進行仿真測試，通過設計驗證環境用例對AFDX系統傳輸特性進行分析。由AFDX仿真測試設備搭建的AFDX網絡測試系統可以對AFDX網絡相關產品進行測試，主要包括系統功能測試、系統可靠性測試以及系統性能測試。測試的方法及主要內容如表1所示。

2 系統設計

    AFDX仿真系統充分展示了AFDX網絡系統的拓撲組成、網絡配置、數據加載、網絡管理及網絡監控等核心功能，是典型的AFDX系統模型，下面將對網絡系統的各部分功能進行詳細介紹。

2.1 網絡搭建

    本文提出的AFDX網絡仿真系統在對ARINC664 Part7協議理解的基礎上，充分考慮AFDX網絡的負載、性能、功能等技術指標，進行AFDX網絡仿真系統的原型設計，系統采用星型拓撲結構，典型的AFDX網絡仿真系統由2臺交換機、4個嵌入式端系統、2個PC端系統、1個監控卡、1個TAP卡和1個仿真測試卡組成，如圖1所示。

    仿真系統的搭建操作步驟如下：(1)根據網絡拓撲結構構建網絡系統，如圖1所示；(2)通過AFDX網絡配置工具規劃整個網絡配置，形成各組成部分的配置表；(3)通過ARINC615A數據加卸載工具將配置表加載到網絡的各個設備中，各設備按照配置表進行工作；(4)通過網絡管理工具對整個網絡進行管理，實時監控網絡運行狀態；(5)可通過AFDX網絡監控卡和AFDX數據分析儀對網絡數據進行監控、分析、測試，完成整個網絡的運行。

    AFDX網絡仿真系統應用中各個設備的主要特點及功能如表2所示。

2.2 網絡配置

    AFDX網絡是一種確定性網絡，要求端到端的時延是固定可測的，這就要求數據的傳輸路徑在網絡初始化時就已經固定^[3]。在AFDX網絡中，使用配置表來描述AFDX網絡中的確定性路徑和信息。

    ARINC664 標準沒有給出端系統配置文件的具體內容，但是給出了端系統各層接口的映射方式，這樣構成了消息每個幀中層對層對等通信的標識方式：UDP源端口+IP源地址+MAC目的地址(VL標識)+IP目的地址+UDP目的端口。這5個標識部分稱為一個“五元組”，一個五元組標識了一條VL的尋址路徑^[3]。配置表在網絡正常運行前需要加載或固化在各個終端系統或者交換機中，由各終端系統和交換機按照約定好的格式對配置表進行解析，并按照解析出的配置對自身進行初始化配置、端口、虛擬鏈路設定，然后進入正常工作模式。

    由于配置表文件操縱比較繁瑣，簡單的人工配置方式通常費時費力，而其格式相對固定，故產生了專用于網絡配置表生成的工具——AFDX網絡配置工具。利用圖形化界面的AFDX網絡配置工具，用戶只需要填寫簡單的對話框，即可生成符合特定格式的網絡配置表。AFDX配置工具的功能模塊如圖2所示。

2.3 網絡加載

    網絡初始化時，需要通過數據加載器將AFDX網絡配置工具生成的配置表文件分發到各終端。在網絡運行時，需要將各終端的數據下載下來進行分析，對各終端的軟件進行數據加載和數據卸載操作，以實現定時維護和更新，因此數據加卸載是AFDX網絡必須完成的功能。

    為了對航空電子系統中的數據加載和卸載細節進行描述以統一接口，使各個廠商都可以生產出兼容的設備，產生了專門針對航空系統的用于規定數據加卸載規范的ARINC615A協議^[4-5]。ARINC615A采用以太網中的TFTP協議作為數據進行傳輸時的協議，并規定了數據加載和卸載時的通信協議文件和可加載數據的包格式。

    如圖3所示，本設計方案中采用的AFDX數據加載器是一款兼容ARINC614A協議的數據加載設備，在Windows平臺基于AFDX網絡與以太網總線實現ARINC615A-2與ARINC665-3協議，實現圖形用戶界面進行配置管理與功能調用。數據加載主要實現5種操作：Find操作、信息操作、上傳操作、操作者定義下載和介質定義下載操作。

2.4 網絡監控

    網絡監控是通過監控設備對AFDX網絡仿真系統進行實時數據監控，網絡數據的監控對于地面試驗和機上排故非常重要，傳統的數據捕獲方法是使用數據分路器TAP將某條鏈路上數據捕獲到監控設備上，這種檢測方法獲得的數據能真實地反映鏈路上的數據傳輸情況，同時不影響被監控的終端與其他終端。另AFDX網絡交換機包含捕獲端口，網絡中的所有數據都要經由交換機進行路由轉發，可同過捕獲口捕獲交換機端口的輸入或者輸出數據^[6-7]。

    本設計方案采用的網絡監控器包括AFDX數據分析儀（TAP卡）和監控卡，AFDX數據分析儀可以對AFDX網絡仿真系統進行實時數據監控，為用戶提供直觀的界面，以方便有效地觀測網絡中的所有數據，并對數據進行統計和分析。由于AFDX網絡數據鏈路多，而數據分析儀中的TAP數量有限，因此，只能檢測有限的數據鏈路。監控卡作為數據監控設備，在不影響網絡數據正常轉發的前提下，可連接交換機的捕獲口，存儲交換機的捕獲數據，方便進行分析研究。

2.5 網絡管理

    在AFDX網絡仿真系統中的網絡管理指的是監測、控制交換機和端系統的使用情況，以便有效地運行網絡。SNMP網絡管理包括管理端、代理端以及管理端和代理端維護的管理信息庫（MIB）^[8]。

    如AFDX網絡仿真系統應用圖1所示，SNMP網絡管理器運行管理端進程，而被管理對象為4個航空子系統以及兩臺交換機中運行的代理端進程。SNMP網絡管理器通過SNMP協議規定的6種操作隨時或者設定周期來監控航空子系統和交換機。

    所有向被管理設備發送的請求命令都是從管理端發出的，代理端接收到此命令后會解碼出相應的被查詢對象的OID值，訪問相關的MIB信息庫，最后組包向管理端返回get響應消息。如果被管理對象發生了嚴重的故障后也可以主動向管理端發送Trap報警信息，便于及時排除故障。同時，管理端還可以利用set請求對某些MIB節點參數設置門限值，如復位交換機或者端系統、改變交換端口的幀轉發速率等。

3 系統驗證

    AFDX網絡仿真系統已通過功能、性能測試、協議符合性測試、系統應用驗證，驗證結果表明該系統能夠滿足地面仿真測試的功能要求，數據監控、分析界面如圖4所示。

4 總結

    結合不同型號、不同應用系統及地面測試設備等對AFDX網絡研制的技術需求，本文提出了一種AFDX網絡仿真系統的設計方案，介紹了AFDX網絡仿真系統的功能，詳細說明了網絡仿真系統的拓撲結構以及網絡的配置、加載、監控、管理等系統組成。

    本文所提出的AFDX網絡仿真系統應用設計方案已經成功運用在實際工程中，功能、性能穩定可靠，具有自主知識產權，實現了我國大飛機AFDX網絡技術的自主保障、自主發展，為形成從協議標準、產品開發、系統設計到系統綜合驗證等完整的AFDX網絡總線技術體系和產品體系打下了堅實的基礎。

參考文獻

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