0 引言

    机载总线网络技术发展至今，传输方式从孤立的单一传输发展到共享互联的网络化，传输速度从原来的Kb/s发展到Mb/s乃至Gb/s，为航电系统的升级换代提供了强有力的保证，推动了航空电子系统结构的进化。AFDX网络以其高实时、高安全、高可靠和低延时的特点，满足航电系统对健壮性、兼容性和可扩展性的要求，成为目前机载领域较先进的航空电子系统总线网络^[1-2]。

    AFDX网络由端系统(End System，ES)、交换机(Switch)、链路(Link)组成，采用双冗余星型拓扑结构，终端之间通过虚链路交换数据^[3]，虚链路(Virtual Link，VL)定义了一条消息的源地址和目的地址，其中源地址只有一个，每一个虚链路都有自己的带宽。虚链路是AFDX网络的通信基础，在系统中端系统通过虚链路进行数据帧的交换。

    AFDX网络采用全双工交换机、异步传输模式等方法来减少总线竞争，通过静态配置以达到确定性要求。全双工交换机作为网络核心，具有发送和接收数据的缓冲区，可以满足所有端口线速转发^[4]；端系统提供航空电子设备与AFDX网络之间的“接口”，该“接口”向航空电子设备提供“应用程序接口”，同时提供基于虚链路的发送带宽控制，以保证各设备之间不同通信通道之间的隔离。

    从图1可以看出机载总线结构的发展历程，最初的总线ARINC429为网状形式，传输速率只有100 Kb/s，发展到总线型的ARINC629传输速率有所提高，达到2 Mb/s，而近年来快速发展的ARINC664为星型结构，实现了100 Mb/s的传输速率，是早期ARINC429总线的1 000倍^[5]。

    AFDX网络完全符合ARINC664 Part7协议，采用的星型拓扑结构使得设备之间的互联更加方便，提高了网络的可扩展性。同时AFDX网络的虚拟链路、流量警管、BAG、抖动、冗余管理和完整性检查等核心技术提高了网络的通信性能，增强了系统的确定性和可靠性，目前已经广泛应用于空中客车A400M大型运输机和波音787宽体客机中，成为新一代大型客机高速机载网络标准^[6]。

1 AFDX网络介绍

    AFDX网络是从商用以太网的基础上发展而来的。目前广泛使用的商用以太网是基于交换机动态路由进行数据包转发的，数据在传输的过程中的传输路径是根据网络实时情况而动态进行确定的，数据包在重复传输中会由于碰撞而导致延迟，故其存在数据延迟不可测、数据信息丢失的现象，而这种情况在对数据的实时性、可靠性、安全性要求比较高的航空电子数据网络系统中是不可接受的^[7]。AFDX网络在商用以太网的基础上增加了以下特性以适应航空电子系统的需求：

    (1)物理层和数据链路层采用IEEE802.3协议以充分利用货架产品的优势；

    (2)采用虚链路进行带宽预分配以对网络传输性能进行优化，引进BAG和Jitter以确保网络时延的可测性；

    (3)采用预先设定的传输路径进行数据的传输；

    (4)采用星型的网络拓扑结构，交换机之间可以进行级联以增强网络的可扩展性；

    (5)采用双冗余的“热备份”，增加冗余管理和完整性校验机制以保证数据的可靠性。

1.1 AFDX网络拓扑结构

    AFDX网络的拓扑结构仅采用传统以太网拓扑结构中的星型拓扑，其他结构(如总线型结构、环形结构)因传输效率、可能造成冲突等原因不能使用^[6]。同时，AFDX网络采用双冗余机制，故形成了如图2所示的双冗余星型拓扑结构，其中ES代表端系统，相同位置不同颜色的交换机互为热备份。

    在标准AFDX网络拓扑图中，所有链路采用热备份机制，即所有交换机都有另一个与它数据相同（数据仅MAC源地址中网络号字段不同），每个终端系统与两台互为热备份的交换机相连，构成双冗余网络，交换机之间通过级联以扩展网络规模。由此可以避免由于链路或者交换机故障所导致的网络瘫痪，同时互为备份的链路层亦可以保证数据的可靠性。

1.2 AFDX网络工作原理

    AFDX网络在航空系统的互联示意图如图3所示，通过交换机的警管、过滤机制和端系统的定时发送机制避免数据堵塞和冲突，提高通信质量和安全性，对数据传输带宽进行限制，保证通信的带宽和隔离；通过静态配置保证系统传输的确定性；通过传输路径的热备份保证系统的可靠性。

    AFDX网络系统的工作原理如图4所示的实线框内部，根据图4的传输过程，AFDX网络系统的工作原理可以分为以下过程：

    (1)当指令从飞行员发起并经过各种处理后，指令下发到端系统，这里端系统收到的是实际数据内容。

    (2)经过端系统的处理，加上AFDX网络特有控制信息，如IP头部、UDP头部、SN号、CRC校验等内容，将数据封装成完整AFDX数据帧，通过端系统的A、B双冗余端口发送出去，数据帧到达交换机的端口。

    (3)交换机收到数据帧后按照用户提前配置好的数据传输路径进行数据帧的转发，在交换机的内部，数据帧需要经过过滤、警管、调度、交换等各个关卡，在通过了各个关卡之后，符合网络要求的数据帧被转发出来，从指定端口发送到目的端系统上。

    (4)接收的端系统收到交换机转发出来的帧后，首先判断帧的正确性和完整性，然后对数据帧进行协议解析处理，将传输时加上AFDX网络特有控制信息逐一分层拆除，取出真正的数据内容，提交给网络系统的各个子系统。子系统经过各种对应（如解密、运算）的处理后，回馈信息给飞行员，完成一次操作。

1.3 AFDX网络特点与优点

    AFDX网络是基于商业以太网的以交换机为核心的实时网络协议，其以商业以太网的组网形式和通信协议为基础，结合航空电子应用的特殊环境对确定性、可靠性、实时性和安全性方面的需求，ARINC公司负责制定了ARINC 664航空数据网络标准。凭借虚链路技术和双冗余管理实现了航空电子应用需求，同时能够兼顾既有的航电设备。AFDX网络已成为新一代航空电子系统数据网络标准。

    AFDX网络特点主要有：基于以太网基础；利用COTS技术，使用开放式的系统；星型拓扑网络；余度容错网络；可靠性网络；高实时性网络；高传输速率网络；确定性网络；可维护性网络；提供区分数据类型的服务；采用航空电子专用的通信协议^[7]。

    AFDX网络优点有：便于航空子系统的扩展和维护；提高航空计算网络的通信性能；数据传送有确定的端到端延迟，能够保证数据的实时性要求；布线简单，采用星型拓扑而非点对点结构；网络规模大，通过交换机的级联可增加多个网络设备；全双工模式，带宽可达100 MHz，为429总线的1 000倍；安全性高，采用双冗余机制确保消息可靠到达；可靠性高，使用静态配置转发表、流量整形和实时调度机制来保证数据传输的确定性。

2 AFDX网络发展现状

    AFDX网络是当前国际上先进大中型飞机的主干网络之一，具有很好的发展前景，尤其是其采用COTS技术，使得成本相对FC、1394等具有很大优势。国外对AFDX的应用已经非常成熟，形成完整的应用、测试、验证解决方案，AIM、TechSAT等公司均提供高性能的端系统、交换机和网络测试平台和仿真设备，为AFDX网络的系统测试、可靠性分析提供有力支持。

    国内AFDX网络的应用也逐渐增多， AFDX网络已开始在部分飞机上验证、应用，测试设备也逐渐完善，目前已自主研发出网络节点监控设备、TAP分析设备、便携式维护管理终端，完成AFDX网络综合实验，并通过了原理试验、协议符合性测试、电气特性测试、网络应用测试、C型件和S型件试验、机上地面等试验，验证充分。但由于国内AFDX网络应用正处于初期阶段，应用规模不大，测试设备的发展比较滞后，相比国外还有一定差距，暂时还没有全面的、精确度较高的交换机和网络测试平台。随着AFDX网络应用日趋成熟，测试设备的研发步入正轨，可以预见未来国内AFDX网络可以实现完全自主保障。

3 AFDX网络发展趋势

    机载的发展如同商业和工业网络发展一样，一直向着高可靠、高速率、强实时、综合化方向发展，以太网作为成功的商业网络解决方案，自然成为各领域研究的重点课题，时间触发协议(Time Trigger Protocol，TTP)由TTTech公司提出，经过十多年的研究和实践，其在商业领域的应用已经非常成熟，其采用分布式系统结构，提高了数据通信的时间确定性。TTP自身已经证明了其适用于综合模块化航空电子体系结构。

    时间触发以太网（Time Trigger Ethernet，TTE）是TTTech公司针对航空/航天领域等特殊应用而研发的一种高性能、强实时以太网，物理层完全兼容标准以太网IEEE802.3，支持双冗余，同时可以提供微秒级的时钟同步，通信速率可达1 Gb/s。现已被确定为波音B787、空中客车 A380等其他先进飞机的航空电子系统的通信解决方案^[8]。

    TTE网络向下兼容AFDX网络，提供的流量区分服务可以保证AFDX网络接入的独立性和完整性，降低当前网络设备的升级成本。与AFDX网络相比，TTE具有更快的速度、更远的传输距离、更低的网络延迟以及更灵活的通信管理方案，而且TTE网络自身具有较高精度的时间同步能力，使其成为一种非常有潜力的未来工业和机载网络解决方案。

4 结束语

    AFDX网络是目前较为先进的航空电子网络技术之一，不仅可以满足航空对高传输速率、健壮性和兼容性要求，而且还可以满足新一代航电数据通信的高速、高实时和高可靠传输。本文在AFDX网络的发展背景的基础上，通过分析AFDX网络的拓扑结构、工作原理以及网络特性，对AFDX网络进行了研究，对后续AFDX网络协议研究、芯片研制、应用解决方案以及AFDX网络的系统设计具有重要的参考价值。

参考文献

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