AFDX技术特点及在舰载武器系统中的应用分析

吴建鲁，杨福彪，刘 煜，朱 勇

（中国船舶重工集团公司江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006）

舰载武器系统作为战斗舰艇的重要组成部分，多数为实时系统，对完成各子系统之间互连通讯的网络技术提出了严格的要求，主要包括：网络延迟确定、传输能力可靠、容错能力强等。最初舰载武器系统中采用点对点链路通信，由于其明显的局限性被随后产生的数据总线所取代。1978年美国制定第一个军用总线标准——MIL-STD-1553B，在早期节点数较少、节点间分布距离较短的舰载环境中，对于一般的数据传输要求，提供了最佳的选择[1]。随着武器装备节点规模的扩大、通信信息量的增加以及传输信息种类的增多，局部网络技术开始应用到舰载武器系统中。以太网以其互连性好、升级容易、组网简单、技术支撑广泛、技术发展快等诸多优点，成为局部网络技术的主流。但是以太网应用到实时环境中存在实时性差和传输延迟不确定的缺陷。随着技术的进步，快速以太网和交换式以太网的发展给解决以太网的不确定性问题带来了契机，全双工交换式以太网的诞生意味着以太网有条件成为确定性的网络技术[2]。由航空标准化机构——ARINC制定的 AFDX（Avionics Full Duplex Switched Ethernet）网络标准，采用交换式以太网的全双工模式，在IEEE 802.3以太网物理层技术的基础上增加了确定传输、高可靠和高数据完整性机制，实现了以太网的ARINC 429传输。

在提高通信带宽的同时，AFDX以交换式网络取代了ARINC 429的分立式电缆连接，克服了后者布线复杂，维护、改型困难的缺点，提供了一种满足强实时领域延迟确定、传输可靠、容错能力强的高效网络方案，在空客A380、波音B787等民用客机和A400M大型军用运输机中得到了成功的应用。

1 以太网技术

以太网最早是由美国Xerox公司于1976年研制的一种试验性局域网，是目前使用最广泛的局域网技术[3]。经过加固和冗余设计，近年来被普遍应用于舰载武器系统，如美军“尼米兹号”航母，丹麦海军的“弗莱维费斯”级多任务舰艇，法国“ 鱼”级潜艇及法国F-124型护卫舰等[4]。

1.1 共享式以太网

共享模式下，以太网采用CSMA/CD介质访问控制方式，是一种随机争用共享带宽的技术，对传输间歇突发性长报文有着很高的效率。在网络节点规模不大、通信数据量低、负载轻的情况下有着无可否认的优越性。但是随着节点规模扩大、通信数据量加重，以太网的效率明显下降。CSMA/CD机制决定了以太网潜在的不确定性，且随着节点数的增加，不确定性越来越明显。以太网的实时性差和延迟不确定问题限制了其在强实时系统中的应用，主要体现在以下几个方面：

1）节点间传输延迟抖动大 在以太网中网络带宽为系统中所有的节点共享，节点间随机争用传输介质就会产生碰撞。发生碰撞（最多16次）后通过二进制指数退避算法来处理等待时间，该等待时间是0到1个上限时间之间的随机数，即使相同次数的碰撞，等待时间也可能不同，节点间的传输延迟在有碰撞发生时是不确定的。

2）有效带宽利用率低 有资料表明，以太网实际带宽利用率不超过40%，且随着节点数的增加、网络负荷的加重，因碰撞引起的报文丢失现象也随着增多。

3）实时性差 以太网采用的CSMA/CD介质访问方式不能保证网络中的每一个节点，在任何网络负荷的情况下都能在规定的时间内得到数据发送机会，存在由于碰撞导致的不可预知的发送时延，实时性得不到保证。

为了克服以太网传输延迟不确定的缺陷，国内外的学者提出了各种改进方法，主要分为硬实时方法和软实时方法两种。硬实时方法通过设计适当的硬件电路，通过限制节点访问网络的时间和速率来减少碰撞和排队延迟以满足实时应用；软实时方法通过软件调度策略对CSMA/CD机制和二进制指数退避算法进行改进以满足实时应用。不管是硬实时方法还是软实时方法，都没能从根本上解决以太网的实时性问题。

1.2 交换式以太网

随着技术的进步，交换式以太网的出现给解决以太网传输延迟不确定问题带来新的契机。交换机将以太网划分为若干个微网段，每个微网段即为一个子冲突域，各个子冲突域通过交换机进行隔离。网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽，一定程度上改善了以太网的实时性。尽管交换机隔离了微网段间的冲突，但在每个微网段内仍存在冲突问题。

全双工通信机制的出现意味着以太网有条件成为确定性的网络技术，它支持链路同时收发，极大地提高了数据传输的实时性。尽管全双工模式消除了不能同时收发的冲突，但是交换机多采用基于输出缓冲的存储转发机制，当多个输入端口向同一个输出端口发送数据时，输出排队延迟将决定全双工交换式以太网的实时性能。输出排队延迟受到交换机输出端口聚合流量特性的影响，在一个异步的网络中，端节点数据包到达是随机的，尽管平均带宽是已知的，但瞬时带宽可能是无限的，从而导致了时延的不可控。目前，还没有一种有效的方法从端节点限制数据包的到达规律，从而限制链路突发，控制聚合流量条件下的排队延迟。

2 AFDX网络技术

AFDX随着20世纪90年代空客A380项目的研制而发展，全双工交换式以太网技术在 A380航空电子系统上的成功应用导致了AFDX网络标准的诞生，2005年6月AFDX被航空标准化机构——ARINC定义为一项确定性网络标准。

AFDX网络主要由应用子系统、端系统（End System）和AFDX交换机（Switch）三部分组成。应用子系统通过端系统以全双工方式连接到AFDX交换机，通过交换机完成数据的交换，如图1所示[5-7]。端系统保证应用子系统间安全可靠的数据交换，并向应用子系统提供应用编程接口，保证各设备之间通过简单的消息端口实现通讯。AFDX交换机采用静态虚链路表的方式进行目的端口的寻址，以控制寻址时间，保证网络的实时确定性能。

图1 AFDX网络系统组成

AFDX网络的实时确定性能主要由端系统保证，包括以下几个关键概念：

1）流量整形 在端系统的输出端，有带宽分配间隔（BAG）和抖动（Jitter）两个参数决定特定虚链路（Virtual Link,VL）上的帧流特性。如果一个数据帧从调度器出来没有抖动，BAG表示同一虚链路上两个连续数据帧之间的最小时间间隔。端系统在每个 VL的基础上调整要发送的数据帧，保证同一虚链路上一个BAG时间间隔内传输的数据包不超过一个，如图2所示。

图2 流量整形

2）实时调度 当端系统拥有多个虚链路时，调度器按照一定实时调度策略对来自不同虚链路的数据帧进行调度，保证数据帧的发送满足不同数据流的实时性要求，如图3所示。在调度器的输出端，特定虚链路上数据帧要出现在有限的时间间隔内，这个时间间隔定义为最大可以允许的抖动（Max_Jitter）。ARINC 664限制每条虚链路上最大的抖动为500us，以控制对于整个网络确定性的影响。

3）冗余管理 冗余管理在每条虚链路的基础上进行操作，发送和接收端系统按下面的方式进行特定虚链路上的通信：冗余配置下，每个数据帧在数据字段的之后添加一个1字节的顺序号（Sequence Number）字段并通过两个网络发送，接收端通过对顺序号完整性检查，根据“接收最先收到且有效”（First Valid Wins）的原则重建一个没有副本的单一序列流，如图4所示。

图3 实时调度

图4 冗余管理

3 AFDX在舰载武器系统中的应用分析

3.1 实时性

舰载武器系统绝大多数为实时系统，以太网延时时间不确定性对于实时系统的影响是客观存在的，尤其对是强实时系统问题更为突出。文献[3]从以太网的技术特点出发，给出了直接法、同步应答、外时统和软令牌等几种方法解决其时间不确定问题，并对每种方法的应用环境及其局限性进行了分析。直接法仅适用于节点数少、通信流量不大的系统；同步通信方式解决了具有应答式逻辑关系的实时系统网络通信碰撞问题，只能用于具有主从关系的武器系统；外时统适用于对时序有严格要求的武器系统，但时统装置会成为整个系统可靠性的瓶颈；软令牌通过受控的办法使通信有序的进行，但它牺牲了网络带宽，不适合网络负荷很重的系统。

AFDX网络引入虚链路实现了带宽资源的有效分配和隔离。虚链路定义了从一个唯一数据源端到一个或多个目的端逻辑上的单向连接，物理上多路虚链路共用一条以太网链路。通过虚链路为每一个连接提供有保证的带宽，解决了以太网带宽利用率低的问题，有资料表明 AFDX的有效带宽利用率超过 70%。AFDX通过精确地流量整形控制单个虚链路上分组的发送间隔，限制了虚链路的突发度，控制了聚合流量最坏条件下的排队延迟界限[8-9]，使得帧的传输服从一个有界的到达分布，进而保证网络端到端的最大传输时延是可计算的。当发送端系统存在多条虚链路时，通过调度器对来自整形器的多个虚链路的数据流进行实时调度，以满足不同的实时性要求，解决了以太网延迟不确定问题，提高了数据传输的实时性。

3.2 网络容错

采用网络互连的武器系统，网络通信工作的正常与否将直接影响到武器系统工作的正确性和可靠性。为了提高舰载武器系统的可靠性，常采用冗余设计方案实现容错网络，基本方法是对网络部件进行冗余备份，设计双冗余以太网，通过软件自动检测网络故障，在故障出现后自动切换到备用的网络部件上，保持网络通信的继续进行。这种方案在出现故障的情况下切换时间较长，在故障恢复时间上尚需进一步的改善。

AFDX通过冗余路径来提高网络的可靠性，每一个端系统与交换机之间有一条直接的双向连接，同时还与另一个交换机之间保持第二条双向连接[10-11]。在冗余配置下，每个端系统将要发送的帧编号复制成两份，分别通过物理上独立的交换设备向目的端发送。端系统具有冗余管理功能，目的端根据顺序号按顺序接收，如果两个都传输正常，则后者到被丢弃；如果其中一个传输出现了故障，用另一个替代。这样一个网络节点的瘫痪不会影响整个网络的通信，从而减少了数据的丢失。

3.3 网络结构

舰载武器系统通常规模不大，互连设备数较少。根据武器系统的控制方式和规模，通常采用共享式和交换式两种体系[3]：采用共享式体系的武器系统通常以火控设备为核心，而跟踪器和武器仅与火控设备有联系，跟踪器与武器两两之间不存在通信关系；采用交换式网络体系的武器系统虽以火控设备为核心，但跟踪器和武器两两之间也存在通信关系。

AFDX网络可以在一定程度上改善交换式体系下武器系统的性能。AFDX的端系统可以支持多个应用子系统，将火控设备、跟踪器子系统和武器子系统分别放在终端系统中实现，可以有效地减少网络节点规模，通过虚链路为每个应用子系统分配带宽，可以有效地提高网络带宽利用率。采用虚链路实现火控设备和跟踪器子系统、武器子系统之间的点对点或一点对多点逻辑上的连接，火控设备传送的信息按照虚链路定义的路径传送到一个或多个目的设备，可以有效地减轻系统的负担，提高网络的吞吐量。

AFDX交换机的路径寻址策略与商业交换机的“学习和自老化”不同，它采用固定的虚链路表形式进行目的端口的寻址，以控制寻址的时间，有效地控制了交换机节点的时延，进而保证了整个网络时延的确定性。

采用AFDX构建武器系统拓扑如图5所示，可以充分利用AFDX的全双工交换消除冲突，通过虚链路进行带宽的有效隔离和分配，提高通信效率；通过静态配置确保系统通信延时的确定；通过硬件上的冗余路径和基于虚链路的数据冗余管理增强系统可靠性。

图5 舰载武器系统AFDX网络互连

4 结束语

以太网以其互连性好、升级容易、组网简单、技术支撑广泛、技术发展快等优点成为局部网络技术的主流，但是以太网的实时性差和延迟时间不确定问题一定程度上限制了其在舰载武器系统中的应用。AFDX基于IEEE 802.3以太网的物理层技术，通过精确地流量整形控制和实时调度策略有效的解决了以太网的延迟时间不确定问题，引入虚链路概念实现对带宽资源的有效分配和隔离，提高了网络的带宽利用率，物理上的冗余路径和基于虚链路的数据冗余管理提高了网络的可靠性，可以为舰载武器系统的网络性能提高提供参考。

[1]杨洪,彭思鹏. 局部网络在强实时领域的应用探析[J].舰船科学技术,1997(4):44-46.

[2]王骥. 实时以太网技术在航空电子系统中的应用[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士学位论文,2006.

[3]陈双龙. 以太网在舰载武器系统中的应用[J].舰船科学技术,2005,27(2):50-55.

[4]黄清清. 舰船网络通信技术分析与建议[J].舰船电子工程,2007(1):10-13.

[5]AEEC. ARINC 664 Aircraft Data Network, (Part 7)[J].Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX)Network. 2005(6).

[6]Condor Engineering, Inc. AFDX Protocol Tutorial[M].2005.

[7]Actel Corporation. Develop AFDX Solutions[M].2005,3.

[8]熊华钢,李峭,黄永葵. 航空电子全双工交换式从太网标准研究[J].航空标准化与质量,2008,2(1):25-28.

[9]熊华钢,李峭,黄永葵. 航空电子全双工交换式从太网标准研究(续)[J].航空标准化与质量,2008,4(2):20-23.

[10]Bisson K. Troshynski T. Switched Ethernet Testing for Avionics Applications[J].IEEE A&E Systems Magazine,2004(5):31-35.

[11]石改辉,张原,李达.全双工交换式以太网研究,信息安全与通信保密,2007(5):51-55.