AFDX网络仿真系统设计与研究

索高华1，刘红红1，王 治2，3，孙海洋1

(1.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安710068；2.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安710068；

3.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安710068)

摘 要：AFDX协议以及航空总线布局的复杂性使得建立一套完整的地面仿真测试系统尤为重要，良好的网络仿真系统可对网络的关键部件进行物理仿真、地面测试，大大缩短了网络的建设周期，降低了系统的维护成本。介绍了一种AFDX网络仿真系统的设计方案，建立了以端系统、交换机为核心，以仿真、监控、加载、管理系列AFDX网络设备为辅助的AFDX网络仿真测试系统，并详细说明了各个组成部分，用户可通过本平台对AFDX网络通信机制、原理以及应用进行评估和理解，运用仿真监控功能透彻理解AFDX网络设备的数据流、运行方式和工作原理，方便进行问题定位及故障排除。

中图分类号：V243.1

文献标识码：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.005

中文引用格式：索高华，刘红红，王治，等. AFDX网络仿真系统设计与研究[J].电子技术应用，2016，42(4)：18-21.

英文引用格式：Suo Gaohua，Liu Honghong，Wang Zhi，et al. Design and research of AFDX network simulation system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(4)：18-21.

0 引言

随着高性能飞机的快速发展和空域环境的日益复杂,飞机对航空电子系统的要求越来越多,航空电子全双工交换式以太网(AFDX)作为一种实时性、可靠性、确定性的全双工交换式网络^[1]，已成为新型航空总线技术的首选。

基于AFDX网络的广泛应用，在航空电子系统的产品研制、生产、交付验收、装机调试及使用维护的各个阶段，采用AFDX网络仿真系统对网络中的关键设备进行功能、性能检测，是航空电子系统通信正常、工作可靠的重要保证^[2]。

本文是在协议分析、标准研究、需求理解、芯片研制及应用解决方案的基础上，突破系列关键技术，提出了一种AFDX网络仿真系统的设计方案，详细说明了AFDX网络仿真系统的架构设计、组成部分及配套应用部分，建立了配置、加载、监控、管理等完整的网络拓扑，形成系列的应用解决方案。下面将对AFDX网络仿真系统进行详细说明。

1 系统功能

AFDX地面仿真系统用于在地面环境下对AFDX网络进行仿真测试，通过设计验证环境用例对AFDX系统传输特性进行分析。由AFDX仿真测试设备搭建的AFDX网络测试系统可以对AFDX网络相关产品进行测试，主要包括系统功能测试、系统可靠性测试以及系统性能测试。测试的方法及主要内容如表1所示。

2 系统设计

AFDX仿真系统充分展示了AFDX网络系统的拓扑组成、网络配置、数据加载、网络管理及网络监控等核心功能，是典型的AFDX系统模型，下面将对网络系统的各部分功能进行详细介绍。

2.1 网络搭建

本文提出的AFDX网络仿真系统在对ARINC664 Part7协议理解的基础上，充分考虑AFDX网络的负载、性能、功能等技术指标，进行AFDX网络仿真系统的原型设计，系统采用星型拓扑结构，典型的AFDX网络仿真系统由2台交换机、4个嵌入式端系统、2个PC端系统、1个监控卡、1个TAP卡和1个仿真测试卡组成，如图1所示。

仿真系统的搭建操作步骤如下：(1)根据网络拓扑结构构建网络系统，如图1所示；(2)通过AFDX网络配置工具规划整个网络配置，形成各组成部分的配置表；(3)通过ARINC615A数据加卸载工具将配置表加载到网络的各个设备中，各设备按照配置表进行工作；(4)通过网络管理工具对整个网络进行管理，实时监控网络运行状态；(5)可通过AFDX网络监控卡和AFDX数据分析仪对网络数据进行监控、分析、测试，完成整个网络的运行。

AFDX网络仿真系统应用中各个设备的主要特点及功能如表2所示。

2.2 网络配置

AFDX网络是一种确定性网络，要求端到端的时延是固定可测的，这就要求数据的传输路径在网络初始化时就已经固定^[3]。在AFDX网络中，使用配置表来描述AFDX网络中的确定性路径和信息。

ARINC664 标准没有给出端系统配置文件的具体内容，但是给出了端系统各层接口的映射方式，这样构成了消息每个帧中层对层对等通信的标识方式：UDP源端口+IP源地址+MAC目的地址(VL标识)+IP目的地址+UDP目的端口。这5个标识部分称为一个“五元组”，一个五元组标识了一条VL的寻址路径^[3]。配置表在网络正常运行前需要加载或固化在各个终端系统或者交换机中，由各终端系统和交换机按照约定好的格式对配置表进行解析，并按照解析出的配置对自身进行初始化配置、端口、虚拟链路设定，然后进入正常工作模式。

由于配置表文件操纵比较繁琐，简单的人工配置方式通常费时费力，而其格式相对固定，故产生了专用于网络配置表生成的工具——AFDX网络配置工具。利用图形化界面的AFDX网络配置工具，用户只需要填写简单的对话框，即可生成符合特定格式的网络配置表。AFDX配置工具的功能模块如图2所示。

2.3 网络加载

网络初始化时，需要通过数据加载器将AFDX网络配置工具生成的配置表文件分发到各终端。在网络运行时，需要将各终端的数据下载下来进行分析，对各终端的软件进行数据加载和数据卸载操作，以实现定时维护和更新，因此数据加卸载是AFDX网络必须完成的功能。

为了对航空电子系统中的数据加载和卸载细节进行描述以统一接口，使各个厂商都可以生产出兼容的设备，产生了专门针对航空系统的用于规定数据加卸载规范的ARINC615A协议^[4-5]。ARINC615A采用以太网中的TFTP协议作为数据进行传输时的协议，并规定了数据加载和卸载时的通信协议文件和可加载数据的包格式。

如图3所示，本设计方案中采用的AFDX数据加载器是一款兼容ARINC614A协议的数据加载设备，在Windows平台基于AFDX网络与以太网总线实现ARINC615A-2与ARINC665-3协议，实现图形用户界面进行配置管理与功能调用。数据加载主要实现5种操作：Find操作、信息操作、上传操作、操作者定义下载和介质定义下载操作。

2.4 网络监控

网络监控是通过监控设备对AFDX网络仿真系统进行实时数据监控，网络数据的监控对于地面试验和机上排故非常重要，传统的数据捕获方法是使用数据分路器TAP将某条链路上数据捕获到监控设备上，这种检测方法获得的数据能真实地反映链路上的数据传输情况，同时不影响被监控的终端与其他终端。另AFDX网络交换机包含捕获端口，网络中的所有数据都要经由交换机进行路由转发，可同过捕获口捕获交换机端口的输入或者输出数据^[6-7]。

本设计方案采用的网络监控器包括AFDX数据分析仪（TAP卡）和监控卡，AFDX数据分析仪可以对AFDX网络仿真系统进行实时数据监控，为用户提供直观的界面，以方便有效地观测网络中的所有数据，并对数据进行统计和分析。由于AFDX网络数据链路多，而数据分析仪中的TAP数量有限，因此，只能检测有限的数据链路。监控卡作为数据监控设备，在不影响网络数据正常转发的前提下，可连接交换机的捕获口，存储交换机的捕获数据，方便进行分析研究。

2.5 网络管理

在AFDX网络仿真系统中的网络管理指的是监测、控制交换机和端系统的使用情况，以便有效地运行网络。SNMP网络管理包括管理端、代理端以及管理端和代理端维护的管理信息库（MIB）^[8]。

如AFDX网络仿真系统应用图1所示，SNMP网络管理器运行管理端进程，而被管理对象为4个航空子系统以及两台交换机中运行的代理端进程。SNMP网络管理器通过SNMP协议规定的6种操作随时或者设定周期来监控航空子系统和交换机。

所有向被管理设备发送的请求命令都是从管理端发出的，代理端接收到此命令后会解码出相应的被查询对象的OID值，访问相关的MIB信息库，最后组包向管理端返回get响应消息。如果被管理对象发生了严重的故障后也可以主动向管理端发送Trap报警信息，便于及时排除故障。同时，管理端还可以利用set请求对某些MIB节点参数设置门限值，如复位交换机或者端系统、改变交换端口的帧转发速率等。

3 系统验证

AFDX网络仿真系统已通过功能、性能测试、协议符合性测试、系统应用验证，验证结果表明该系统能够满足地面仿真测试的功能要求，数据监控、分析界面如图4所示。

4 总结

结合不同型号、不同应用系统及地面测试设备等对AFDX网络研制的技术需求，本文提出了一种AFDX网络仿真系统的设计方案，介绍了AFDX网络仿真系统的功能，详细说明了网络仿真系统的拓扑结构以及网络的配置、加载、监控、管理等系统组成。

本文所提出的AFDX网络仿真系统应用设计方案已经成功运用在实际工程中，功能、性能稳定可靠，具有自主知识产权，实现了我国大飞机AFDX网络技术的自主保障、自主发展，为形成从协议标准、产品开发、系统设计到系统综合验证等完整的AFDX网络总线技术体系和产品体系打下了坚实的基础。

参考文献

[1] ARINC664．Aircraft data network－Part7：deterministic networks[S]．ARINC，2003．

[2] 王锦，张奕楠，熊华钢．AFDX的分布式仿真[J]．电光与控制，2008，15(8)：76－80．

[3] 赵永库，唐来胜．AFDX网络应用关键技术分析与研究[J]．测控技术，2013，32(4)：86－89．

[4] Airlines electronic engineering committee.ARINC 615A：Software data loader using Ethernet interface[S]．Aeronautical Radio，INC，2002．

[5] 刘智武，陈长胜，王红春.基于AFDX的跨总线ARINC615协议软件设计及实现[J]．电子技术，2012，6(25)：39-41.

[6] 王治，田泽．一种高性能AFDX监控卡的实现技术研究[J].计算机技术与发展，2010，20(8)：217-220．

[7] 何向栋，赵琳，许晶．一种PCI接口的AFDX网络监控卡设计与实现[J]．电子技术，2013，7(15)：46-48．

[8] 王璐，朱剑锋，王月．基于AFDX网络的SNMP协议实现[J]．航空电子技术，2014，45(2)：24-29．