搜索
NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY授课提纲AFDX交换机4AFDX概述1AFDX网络协议2AFDX端系统3AFDX应用5NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY概述1.概述①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ARINC429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。②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、可靠性等的要求越来越高。③20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IEEE802.3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NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY概述1.概述④AvionicsFullDuplexSwitchedEthernet(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标准协议(IEEE802.3和ARINC664，第七部分)。⑤ARINC664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IEEE802.3网络。⑥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NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY概述1.概述⑦AFDX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。⑧AFDX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。⑨AFDX是ARINC429的速率千倍以上。⑩AFDX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，并保证通信网络具有延迟可确定性。——AFDX概述NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY概述2.AFDX①AFDX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100Mbit/s。②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)。③AFDX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NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY概述2.AFDX④AFDX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。⑤AFDX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。⑥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大大提高。——AFDX概述NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY概述3.AFDX网络结构①AFDX是一个特殊的定制网络，AFDX系统的组成：——AFDX概述NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY概述3.AFDX网络结构②AFDX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(AFDXEndSystem)：提供每一个航空电子综合计算机与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NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY概述3.AFDX网络结构③AFDX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。④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，交换机之间的拓扑可根据具体应用灵活配置。⑤AFDX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。⑥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NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY概述3.AFDX网络结构⑦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，可支持端到端、组播和广播消息。⑧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。⑨AFDX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。⑩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NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY概述——AFDX概述终端设备交换机交换机终端设备终端设备网关Internet交换机交换机终端系统AFDXInterconnectNORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY授课提纲AFDX交换机4AFDX概述1AFDX网络协议2AFDX端系统3AFDX应用5NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYAFDX网络协议1.ARINC664①在ARINC664的第7部分定义了AFDX数据总线，允许其它总线标准(ARINC429、MIL-STD-1553B)映射到网络中，以便与AFDX的通讯。②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NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYAFDX网络协议1.ARINC664③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；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NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYAFDX网络协议2.半双工局域以太网①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。②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。③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，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NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYAFDX网络协议2.半双工局域以太网④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，可能遇到无限的碰撞，从而导致信息包无法成功传输出去。——模型NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYAFDX网络协议3.全双工交换式以太网①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。②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。③交换机中的Rx和Tx的缓冲区可以按照FIFO(First-InFirst-Out)存储多输入/多输出的信息包。——模型NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYAFDX网络协议3.全双工交换式以太网④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。⑤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。⑥AFDX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NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYAFDX网络协议3.全双工交换式以太网——模型NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYAFDX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NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYAFDX网络协议4.AFDX协议与OSI模型——网络协议OSI参考模型工程任务组(IETFinternet)标准IEEE标准简单网络管理协议(SNMP)文件传输协议(TFTP)AFDX(ARINC664Part7)应用层表达层会话层传输层网络层链路层/MAC物理层TCP/UDP格式IP路由选择IEEE8023(以太网)简单网络管理协议(SNMP)文件传输协议(TFTP)ARINC653标准UDP格式TCP格式可选择AFDX专有功能IEEE802.3以太网媒介接入控制ARINC664标准NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYAFDX网络协议4.AFDX协议与OSI模型①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。②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