0 引言

    機載總線網絡技術發展至今，傳輸方式從孤立的單一傳輸發展到共享互聯的網絡化，傳輸速度從原來的Kb/s發展到Mb/s乃至Gb/s，為航電系統的升級換代提供了強有力的保證，推動了航空電子系統結構的進化。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總線網絡^[1-2]。

    AFDX網絡由端系統(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，在系統中端系統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，具有發送和接收數據的緩沖區，可以滿足所有端口線速轉發^[4]；端系統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展歷程，最初的總線ARINC429為網狀形式，傳輸速率只有100 Kb/s，發展到總線型的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]。

    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展而來的。目前廣泛使用的商用以太網是基于交換機動態路由進行數據包轉發的，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。

1.1 AFDX網絡拓撲結構

    AFDX網絡的拓撲結構僅采用傳統以太網拓撲結構中的星型拓撲，其他結構(如總線型結構、環形結構)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，相同位置不同顏色的交換機互為熱備份。

    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。

1.2 AFDX網絡工作原理

    AFDX網絡在航空系統的互聯示意圖如圖3所示，通過交換機的警管、過濾機制和端系統的定時發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；通過靜態配置保證系統傳輸的確定性；通過傳輸路徑的熱備份保證系統的可靠性。

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

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

    (2)經過端系統的處理，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，通過端系統的A、B雙冗余端口發送出去，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，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出來，從指定端口發送到目的端系統上。

    (4)接收的端系統收到交換機轉發出來的幀后，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，提交給網絡系統的各個子系統。子系統經過各種對應（如解密、運算）的處理后，回饋信息給飛行員，完成一次操作。

1.3 AFDX網絡特點與優點

    AFDX網絡是基于商業以太網的以交換機為核心的實時網絡協議，其以商業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；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網絡優點有：便于航空子系統的擴展和維護；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100 MHz，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，使用靜態配置轉發表、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、交換機和網絡測試平臺和仿真設備，為AFDX網絡的系統測試、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，目前已自主研發出網絡節點監控設備、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，應用規模不大，測試設備的發展比較滯后，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網絡發展趨勢

    機載的發展如同商業和工業網絡發展一樣，一直向著高可靠、高速率、強實時、綜合化方向發展，以太網作為成功的商業網絡解決方案，自然成為各領域研究的重點課題，時間觸發協議(Time Trigger Protocol，TTP)由TTTech公司提出，經過十多年的研究和實踐，其在商業領域的應用已經非常成熟，其采用分布式系統結構，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。現已被確定為波音B787、空中客車 A380等其他先進飛機的航空電子系統的通信解決方案^[8]。

    TTE網絡向下兼容AFDX網絡，提供的流量區分服務可以保證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網絡的系統設計具有重要的參考價值。

參考文獻

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