新一代民用飞机客舱系统通信网络拓扑结构

朱青

【摘 要】随着以太网网络技术在民用飞机客舱系统中日趋广泛的运用，如果选择合适的网络拓扑结构成为了系统网络的构建基础。本文通过结合民用飞机客舱系统的需求、功能和性能要求，提出了适用于民用飞机客舱系统的网络拓扑结构。

【关键词】民用飞机；客舱系统；以太网；网络拓扑

0 引言

传统的客舱系统通信架构多用模拟离散线，模拟音频线以及少量速率低的数据总线，这类通信网络的特点是连接线缆多，传输速率低，适合较小数据量、刷新率要求低的系统。

随着电子技术的飞速发展，民用飞机客舱内来自客舱乘组和旅客的电子技术应用需求范围也不断扩展和攀升。作为民用飞机的直接用户，航空公司希望提供定制化的和差异化的客舱服务及飞行体验来吸引乘客争夺市场。从客舱乘组的角度出发，由于飞机客舱系统日渐多样复杂，工作负荷也隨之增加。客舱乘组希望客舱系统能够提供更多的自动化应用，来实现更高效和更便捷的客舱管理。从乘客的角度出发，传统的飞行体验已远远不能满足不同用户群体的需求，乘客希望在几个甚至是十几个小时的旅途中获得更舒适和多样化的飞行体验。

客舱电子技术的应用客观上对飞机客舱内的电子系统架构设计提出了更高的要求。大量音视频数据的频繁加载，新兴电子技术的应用，客舱电子设备的控制都需求一个高带宽，数字化的通信网络平台的支撑。

1 新一代民用飞机客舱系统通信网络

新一代民用飞机客舱系统的通信网络大致可分为以下两种类型：

1）基于RS232，RS485，ARINC429、CAN等数字总线的通信网络

2）基于以太网的通信网络

2 客舱系统通信网络拓扑结构

网络拓扑结构是指用传输介质互连各种设备的物理布局，是构成网络的成员间特定的物理的或逻辑的排列方式。总线型拓扑结构，星型拓扑结构和环形拓扑结构是几种运用广泛且技术成熟的网络拓扑结构。

2.1 考虑因素

在设计客舱系统通信网络的网络拓扑结构时，通常需要首先考虑以下几点：

1）对外接口繁多

客舱系统与其他机载系统的接口较多，种类繁多，为了避免数据的重复传递和不同数据来源导致的时序不一致等问题，一般采用统一对外接口的方式来处理客舱系统内外部的数据传递。

2）同一设备的分布式使用

客舱系统内部不同的功能需要不同的设备来负责实现，而同一功能可能需要多个同种设备分布在全客舱来实现。因此在此类设备之间数据的传递是重复的。

3）选装设备和必装设备的系统集成

客舱系统本身又分为客舱管理，旅客广播和客舱内话，机载娱乐和外部通信四大功能模块。模块内部又存在选装和必装，这就会导致在实现时存在需要对不同供应商的设备完成系统集成。

2.2 网络拓扑结构在客舱系统通信网络中的运用

1）采用星型拓扑结构实现对外的统一接口。

用一个中央节点即交换机/路由器来连接内外部通信网络，将数据集中后再根据要求分发，可以有效的解决对外接口繁多的问题。也可以通过使用星型拓扑结构解决选装设备和必装设备的系统集成问题。在交换机内为选装设备预留好端口可以有效，便捷的解决这一问题，具体将在网络配置中对这一问题展开讨论。

2）采用总线拓扑结构或者环型拓扑结构来实现对同一种/类设备的重复部署。

总线拓扑和环形拓扑同样可以实现同一设备的重复部署。但总线拓扑的不足在于当总线内有一点出现通信中断，那么自这一点向后所有的节点都丧失了与头端设备通讯的功能。因此在客舱系统中，大量了采用一种环型拓扑结构来解决总线拓扑的这一弊端，这一拓扑结构又被称为环型菊花链网络拓扑。

2.3 环型菊花链网络拓扑的应用技术关键点

ARINC628 [1]定义了菊花链网络拓扑结构的原理和在客舱系统中的适用范围。然而在具体设计的过程中，发现具体实现环型菊花链网络拓扑还需要解决以下问题：

1）环型网络的广播风暴问题

广播风暴是指当广播数据充斥网络无法处理，并占用大量网络带宽，导致正常业务不能运行，甚至彻底瘫痪。当采用环形菊花链网络时，一个数据帧或包被传输到本地网段的每一个节点就是广播，由于菊花链网络中，每一个节点都在发送几乎相同的数据帧或包并将上一级或下一级广播发出的数据帧或包重新再发送出去，因此导致广播在网段内大量复制，最终形成了网络风暴。

2）拓扑构造问题

当菊花链网络拓扑技术运用到客舱系统中时，多个同类型设备需考虑如何在网络中的自动配置和拓扑发现

3 发展趋势分析

因设备供应商更新换代的研发成本，主制造商的取证成本等问题，现役的许多机型大多还是采用的数字总线的客舱系统通信网络。随着客舱系统功能需求的提升，选装系统设备数量的增加，基于传统数据总线的通信网络在数据吞吐量，可传输的数据类型上的缺陷逐渐暴露了出来。此类通信网络在扩展系统规模方面的力不从心迫使主制造商将目光转向了基于以太网的客舱系统通信网络，在新机型上开始大范围的运用以提升系统的复杂度，以此为客户提供更多的功能和服务。

从拓扑结构上，星型网络拓扑结构大多被采用在可靠性要求高的客舱系统功能中，天生的冗余特性可以被更好的发挥；而环型网络则是被大量的运用在数量较多，可靠性要求低的系统功能中，从而起到简化设计，系统减重的目的。

4 总结

新一代客舱通信网络的目的是为了为客舱系统各类复杂的应用提供了广阔的平台。因此在系统设计过程中，纳入拓展性，标准化的设计思想，选择合理、合适的网络拓扑结构，是系统构架设计的第一步也是极其重要的一步。

【参考文献】

[1]ARINC628 CABIN EQUIPMENT INTERFACES.

[2]ARINC664 PART3 INTERNET-BASED PROTOCOLS AND SERVICES.

[责任编辑：张涛]