CN101796780B - 帧交换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种AFDX网络的帧交换装置，所述装置包括：第一端口，用于连接到终端(例如计算机)或者所述网络的交换机；以及多个第二端口，用于分别连接到机载设备，入射到第一端口上的每个帧被复制在所述第二端口中的每一个上；所述第二端口被周期性地依次轮询，在经轮询的第二端口上出现的每个帧被传送到所述第一端口。

Description

帧交换装置

技术领域

本发明涉及机载网络领域，更具体地，涉及一种用于将多个机载设备连接在一起和/或连接到AFDX(Avionics Full DuplexSwitched Ethernet，航空电子设备全双工通信制以太网交换)网络的帧交换装置。

背景技术

安全性是设计飞行器的主要问题。特别是，保证某些类型的测量数据(这些数据被视为飞行器飞行的关键)的完整性是绝对必要的。在这些数据中，可能提到涉及飞行器定位的那些数据或者进一步给出燃料余量的那些数据。这些数据通常由传感器通过机载网络传输到计算机。反之亦然，计算机可以经由网络将飞行命令传输到执行器(actuator)。

图1示出了已知的允许多个设备110经由AFDX(航空电子设备全双工通信制以太网交换)网络发射和/或接收数据的架构。该设备可以是将测量数据传输到机载计算机150的传感器或者从该计算机接收设置数据的执行器。

设备110通过连接网络140连接到集线器装置120，连接网络140可以是，在汽车领域中众所周知的所谓“现场总线”(例如CAN总线)或者是Arinc 429型号的网络。集线器装置自身被连接到AFDX网络，用于向不同设备传输数据和/或从不同设备接收数据。集线器装置在连接网络140和AFDX网络130之间起转换网关的作用。

下面回顾一下为满足航空需求发展起来的AFDX网络是基于交换式以太网网络的。在交换式以太网网络中，每个终端、源或收报人(addressees)分别连接到帧交换机，并且交换机通过物理链路连接在一起。AFDX网络采用虚拟链路(定义为经过网络的第2级定向路径)的概念，始于源端，并服务于(serving)一个或多个收报人。虚拟链路的收报人终端称作是该链路的用户。

AFDX网络是Arinc 664标准的第7部分中的标准化的对象。AFDX网络的描述将主要可参见标题为“AFDX协议指南(AFDXprotocol tutorial)”的文件，其可通过URLhttp://sierrasales.com/pdfs/AFDXTutorial.pdf获取，虚拟链路的介绍可在以本申请人的名义提交的FR-A-2832011中找到。这里将简单回顾一下，AFDX网络是全双工、确定性的和冗余的。

对于全双工，应理解的是每个终端都可以在虚拟链路上同时传输和接收帧。AFDX网络是确定性的，在这个意义上，虚拟链路在时延边界、流量的物理隔离、带宽和吞吐量方面表现出保护特征。这样做的每个虚拟链路具有通过网络的端到端的保留路径。最后，因为基本的以太网网络由于有效性的原因是复制出的，因此AFDX网络是冗余的。数据作为以太网帧中的封装IP包来传输。不同于传统的以太网交换(使用收件人的以太网地址)，AFDX网络上的帧交换使用包含在帧报头中的虚拟链路标识符。当交换机在其输入端口中的一个上接收帧时，其读取虚拟链路标识符并且从其交换表确定通过其应被发射的输出端口。交换机检查飞行器上所传输的帧的完整性，如果帧是错误的，则无需重传：移除检测出错误的帧。虚拟链路上传输中的帧被依次编号。一旦接收，收报人终端检查帧序列的完整性。

图1中所示的连接架构有异构的缺点。因此，其需要AFDX网络和现场总线/网络之间的转换网关，用于连接不同设备。

第一解决方案可由将不同的设备直接连接到AFDX网络的帧交换机构成。然而，如果大量设备机载在飞行器上，这就需要使用大量这样的交换机。此外，由于交换机通常设在航空电子设备的支架中，即，通常远离传感器/执行器，因此这种解决方案将包括很多长线连接的使用，这将不利于航空器的质量平衡。

因此，本发明的一个目的是提出了一种架构，大量的机载设备可以使用该架构连接到AFDX网络而没有上述缺点。

本发明的另一目的是提出了一种帧交换装置，多个机载设备可以使用该帧交换装置连接在一起，并且允许多个机载设备(如果需要)接入AFDX网络。

发明内容

本发明提出了用于AFDX网络的帧交换装置，包括：第一端口，用于连接到所述网络的交换机或者连接到终端；以及多个第二端口，用于分别连接到机载设备。所述装置按照以下方式操作：

第一端口上的每个入射帧被复制在所述第二端口中的每一个上；

所述第二端口被周期性地依次轮询，第二轮询端口上出现的每个帧被传送到所述第一端口上。

优选地，当第一端口上的每个入射帧在第一端口上被接收时，其被逐步复制到第二端口中的每一个上。

每个第二端口有利地与其中存储该端口上的入射帧的输入缓冲器相关联，每个端口通过检查与其相关联的缓冲器是否包含帧而被轮询，如果是，则所述帧被从所述缓冲器清空，以被传输到所述第一端口上。每个第二端口通常以τ≤500μs的轮询周期被轮询。

清空输入缓冲器并将其传输到第一端口上的总时间被有利地选择为小于τ/N，其中，τ和N分别是轮询周期和第二端口的数目。

优选地，所述输入缓冲器具有(τ/N)D位的大小，其中，D是第一端口上的二进制吞吐量。

本发明还提供了一种机载系统，其包括分别连接到以上限定的帧交换装置的第二端口的多个设备，每个设备被配置为使得每500μs最多只传输一个帧。此外，每个设备通常被配置为用于在小于500μs的时间内传输所述帧。

本发明还涉及一种用于将多个机载设备连接在一起和/或将多个机载设备连接到计算机的帧交换装置，其包括用于经由以太网链路连接到所述设备或者连接到所述计算机的多个(N个)输入/输出端口，所述装置包括用于依次轮询所述输入端口的复制帧、并且在所有输出端口上拷贝出入射在输入端口上的每个帧的装置，其中，每个输入端口以确定的轮询周期被轮询。

本发明最后涉及一种用于将多个机载设备连接在一起和/或将多个机载设备连接到计算机的帧交换装置，所述装置包括多个(P个)基本帧交换装置，每个基本装置包括用于经由以太网链路连接到所述设备、所述计算机或者另一个基本交换装置的多个(N个)输入/输出端口，每个基本交换装置包括用于轮询所述输入端口的复制帧的装置，每个输入端口直接连接到一个设备或者所述计算机，第一输入端口以第一确定周期被轮询，每个输入端口连接到另一个基本交换装置，第二输入端口以比第一周期短的第二周期被轮询，复制装置在所有的输入端口上拷贝出入射在第一输入端口上的任意帧，并在除与第二输入端口相关联的输出端口之外的所有输出端口上拷贝出后者上的入射帧。

附图说明

图1示出了现有技术中已知的用于将多个设备连接到AFDX网络的架构；

图2A示出了根据本发明第一可选实施方式的用于将多个设备连接到AFDX网络的架构；

图2B示出了根据本发明第二可选实施方式的用于将多个设备连接到AFDX网络的架构；

图3示意性示出了在上行链路的情况下，根据本发明第一实施方式的帧交换装置的操作；

图4示意性示出了在下行链路的情况下，根据本发明第一实施方式的帧交换装置的操作；

图5示出了根据本发明的涉及来自机载设备的虚拟链路以及通过帧交换装置的传输的时间约束；

图6A示意性示出了根据本发明第三可选实施方式的用于连接多个机载设备的架构；

图6B示意性示出了根据本发明第四可选实施方式的用于连接多个机载设备的架构；

图7A示意性示出了根据本发明第二实施方式的帧交换装置；

图7B示意性示出了根据本发明第二实施方式的帧交换装置。

具体实施方式

基于本发明的第一构想包括：通过比传统的帧交换机更简单的帧交换装置，将不同机载设备连接到AFDX网络而无需任何转换网关。这种交换装置可以位于其连接的传感器/执行器附近。

图2A示出了根据本发明的实施方式的连接架构。设备210(例如传感器或执行器)被直接连接到帧交换装置220。该装置可以被连接到网络的传统交换机SW或者直接连接到计算机(主机)250。更具体来说，装置220一方面包括N个输入/输出端口A₁，..，A_N，分别连接到N个机载设备210上，另一方面包括输入/输出端口B，连接到交换机SW端口，或者直接连接计算机250。重要的是应注意，交换装置220与传统的帧交换机SW一样是AFDX网络的一部分。从Arinc 664标准的意义上来说，机载设备210和计算机250是终端(终端系统)。在任何情况下，数据在设备210与计算机250之间通过一个或多个虚拟链路传输，如下将详细看到这部分。

根据图2B中所示的可选实施方式，AFDX网络被设为冗余的，即，其由包括第一交换设置221的第一网络和包括第二交换装置222的第二网络组成，第一交换装置和第二交换装置与图2A中的220中所示的交换装置相同。在每个网络中，交换装置221、222被连接到该网络的帧交换机或者被直接连接到计算机250。当数据帧必须由计算机250传输时，则该帧的两个相同的拷贝随后在两个网络上被平行发送，并且经由第一连接装置和第二连接装置到达收报人设备。收报人设备只保存第一接收帧。反之，当数据帧必须由机载设备210传输到计算机250时，该帧的两个拷贝经由第一交换装置和第二交换装置分别在两网络上传输。以与以上相同的方式只保存第一接收帧。

机载设备210被配置为每时间周期Δτ_jitter ^max传输不超过一个帧，其中，Δτ_jitter ^max是AFDX网络中的终端(终端系统)最大允许抖动，在现有标准中，

图3示出了在上行链路的情况下(即，当设备210将帧传输到机载计算机250时)根据本发明的帧交换装置的操作。

输入/输出端口A₁，..，A_N中的每一个与输入缓冲器相关联，并且可选地与输出缓冲器(未示出)相关联。输入/输出端口B被可选地与输入缓冲器和/或输出缓冲器(未示出)相关联。输入缓冲器以及输出缓冲器(如果需要)是存储缓冲器，其可以被作为例如寄存器或RAM的存储器区。

每个输入/输出端口A_n通过例如双绞线对(一对用于上行链路，一对用于下行链路)被连接到设备210。此外，输入/输出端口B通过例如双绞线对被连接到网络的交换机或者直接连接到机载计算机。可以使用光链路替代绞线对。

在N个端口A₁，..，A_N上接收的帧以预设的大小L分别存储在N个输入缓冲器T₁，...，T_N中，这将在下文中详细说明。如果在端口A_n上接收到帧，并且当时相关联的缓冲器T_n已经包含帧，则后者被简单删除(在同一地址开始写入)。此外，如果入射帧具有大于L的长度，则实际上该帧在写入缓冲器之后立即被截断(truncate)到长度L。

B端口上的缓冲器T₁，...，T_N中的每一个以

的周期被依次清空。因此，对于在虚拟链路上以最小时空约束BAG(BandwidthAllocation Gap，带宽分配空隙)传输帧的给定的设备，交换装置的输出帧在虚拟链路上将相对于可能的传输瞬间t₀+BAG，t₀+2BAG，t₀+3BAG，...具有最大抖动Δτ_jitter ^max，其中，t₀是任意时间基准。实际上，存储于交换装置的输入缓冲器中的帧在网络中被传输之前将等待最多Δτ_jitter ^max。

图5中示出了这种情况，其中，第一时间轴上示出了有关虚拟链路的可能的传输瞬间t_i＝t₀+i.BAG，第二时间轴上示出了用于清空输出端口上的输入缓冲器的瞬间

如果帧F在瞬间τ_k之前出现在缓冲器T_n中，该帧在瞬间τ_k被传送到输出端口B上。另一方面，如果帧F在该瞬间之后出现在缓冲器T_n中，其将只在瞬间τ_k+1被传送。因此，由交换装置引入的时延θ_i总是小于最大容忍抖动Δτ_jitter ^max。

对于每个输入缓冲器，清空帧并将该帧传输到端口B上的总时间应被选择为小于τ/N。因此，缓冲器的清空将在通过下一缓冲器之前完成。大小L被有利地选择为等于(τ/N)D，其中，D是端口B的输出二进制吞吐量。

交换装置不执行帧头的任何读取，更不用说不执行任何CRC检查。该帧通过拷贝其被简单传送到端口B上。即，由于这种交换装置没有进行任何处理或者拒绝，因此入射错误帧将被传输。特别地，因此具有错误CRC的截断帧由于这种原因将被传输。最终的收报人将在检查CRC之后立即拒绝错误/截断帧。

如果一个设备不遵守传输约束，例如如果其用小于Δτ_jitter ^max的周期传输帧，则来自该设备的帧可以在缓冲器被清空之前删除其中的上一帧。然而，这对于由其他设备传输的数据帧没有影响。

图4示出了在下行链路的情况下(即，当设备210从机载计算机250接收帧时)交换装置的操作。

与上行链路不同的是，这里的交换装置起到简单的集线器的作用。即，端口B上的任何入射帧被自动复制在交换装置的端口A₁，...，A_N上。当入射帧被接收时，这种复制被有利地逐步执行，不需要缓冲器中的任何存储或者其CRC的任何检查。因此，该入射帧不受交换装置的争用时间的限制，只受复制操作的固有的延迟的限制。

当虚拟链路具有用于收报人的一个设备210时，通过网络的虚拟链路的路由不需要知道该设备被连接到装置220的哪个输出端口。实际上，在该虚拟链路上传输的数据帧将被交换装置广播到与其相连接的所有设备。然而，未向该虚拟链路预定的(subscribed)每个设备，将通过通知在该帧中的虚拟链路的特定标识符对其是未知的来拒绝该帧。最后，只有有关虚拟链路的收报人将保存有关帧。

以上所述的交换装置的架构特别简单和健壮。具体来说，上行链路和下行链路上的差错跟踪功能以及下行链路上的交换功能被远程部署在终端上。尽管如此简单，根据本发明的交换允许不同设备作为虚拟链路的源或者收报人，以及具有连接到AFDX网络的服务，用于上传该网络上使用的软件包，以特别受益于测试工具、故障诊断。

在下文中，我们示出了交换装置220的数字的示例性实施方式。

我们假定交换装置通过10Mbits/s的链路被连接到5个机载设备。即，每个设备每只能传输125个字节的帧。这些125个可用字节应被分配如下：12个字节用于帧间间隙的现场IFG，7个字节用于前同步信号，1个字节用于界定帧的开始或者SFD(起始帧分隔符)，14个字节用于以太网报头，20个字节用于IP报头，8个字节用于UDP报头，1个字节用于序列号，4个字节用于差错检验(FCS)。因此，该帧可能最终只包含58个字节的有效载荷。

因此，如果设备是与1毫秒的时空BAG(根据AFDX标准目前预期的最小时空)相关联的虚拟网络的源，该设备可以每毫秒传输58字节，即，在该链路上的464kbits/s的保证带宽。最小帧间间隔是500μs，该设备可以支持两个464kbits/s的虚拟链路，即，928kbits/s的总保证带宽。后者为有关设备保留，不与连接到交换装置的其他设备共享。同时，该设备可以在下行链路接收帧。

在这种情况下，示出该设备与机载计算机之间的最大延迟时间可能在下行链路是1.5毫秒、在上行链路是2毫秒。

图6A示出了根据本发明的第三可选的实施方式的一种用于连接多个机载设备的架构。对于该可选的实施方式，多个机载设备610可以被连接在一起，如果需要，其可以直接或通过AFDX网络被连接到主机(计算机)。

不同于以上可选的实施方式，有关设备通过帧交换装置620被连接在一起。再次假定每个设备610能够以最小时间间隔(BAG)约束来传输帧。每个设备610通过以太网链路615被连接到装置620的输入/输出端口B_n(n＝1，..，N)。交换装置的输入/输出端口中的一个可以被连接到计算机或者被连接到AFDX网络的帧交换机。在后者的情况下，不同设备具有通过交换装置620对网络的接入。应注意，这里的以太网链路615不是AFDX网络的一部分，因此在这些链路上传输的以太网帧不必遵循Arinc 664标准的格式。具体来说，在这些链路上传输的帧不必必须遵守最大抖动Δτ_jitter ^max约束。

图7A示意地示出了交换装置620的结构。该装置包括N个输入端口761和N个输出端口762。每个输入端口761包括用于存储入射帧的足够大小的输入缓冲器。输出端口762可以包括或者不包括输出缓冲器。在后者的情况下，帧在连接到输出端口的链路上被直接传输。

交换装置进一步包括复制装置670，象征性地示为具有N个位置的旋转交换机。这些复制装置670在所有的输出端口B_l ^out(l＝1，..，N)上拷贝出入射在输入端口B_k ⁱⁿ中的一个上的任意帧。更具体来说，装置670依次轮询不同的输入端口，以及将出现在输入端口上的帧传输到输出端口的每一个上，包括传输到与已经接收到入射帧的输入端口相关联的一个输出端口上。输入端口被轮询，即，其输入缓冲器被以周期τ读取，换而言之，装置620执行持续时间τ的交换周期。应重点注意的是，帧交换装置的操作与集线器的操作有显著的不同在于：

-其通过周期轮询其输入端口同步执行。

-没有帧的冲突。

轮询周期τ应进一步遵守以下约束：

$T=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_i<\mathrm{\&tau;}<\mathrm{BAG}$

其中，如已经所描述的，BAG是由设备传输的两帧之间的最小时间间隔，以及T_i是传输由连接到交换装置的端口B_i的设备传输的最长帧所需要的时间。

例如，如果交换装置的端口的数量是N＝8，则二进制吞吐量为D＝100Mbits/s，有效载荷的长度为L＝100字节，MAC/IP/UDP+CRC报头的长度为I＝46字节，两以太网帧(IFG+前同步信号)之间的最小间隔为E＝20、T＝N(L+I+E).8/D＝106.24μs，以及如果BAG＝500μs，则可以选择τ＝490μs的轮询周期。

图6B示出了根据本发明的第四个可选实施方式的一种用于连接多个机载设备的架构。

该可选实施方式与以上实施方式不同，因为它包括级联连接的多个(P个)基本交换装置(这里的631、632)，每个基本装置包括N个输入/输出端口，以及整个装置提供将最多P(N-1)个机载设备连接在一起的连接。该装置还可以通过如所述的直接连接到输入/输出端口(B₂₁)或者通过AFDX网络，将机载设备连接到计算机650。

有利地，机载设备和/或基本交换机由以太网网络供电，则双绞线对被用做电源以及用于传输数据。在名称为PoE(Power overEthernet，以太网供电)的指导下该技术是公知的，在IEEE 802.af标准中描述了该技术。以这种方式，不可制定独立的电源总线的规定，但可以改善装置的质量平衡。应指出的是，更不用说该技术可应用于图6A的构架。

图7B简要示出了图6B的架构中使用的基本交换装置的结构。这样的装置类似于图7A中所示的装置，相同的元件用相同的参考标号来表示。然而，复制装置771的功能是显著的。实际上，如果考虑具有两基本装置631和632的结构，如图6B所示，以及如果B_1k ⁱⁿ和B_2k ^out分别表示将第一装置连接到第二装置的第一装置的输入和输出部分，则输入端口B_1k ⁱⁿ将比其他端口更频繁地被轮询N-1次。更特别地，如果B_1l ⁱⁿ(l≠k)的轮询周期是τ，其中，τ是为非级联的基本装置确定的轮询周期，则B_1k ⁱⁿ的轮询周期小于或等于τ/N-1，端口B_1k ⁱⁿ上的入射帧的流量比其他端口高N-1倍。更一般地，如果P是串联安装的基本装置的数目，则保证与另一个基本装置互连的输入端口的轮询周期将小于或等于τ/(N-1)^P-1。

复制装置771与以上的装置770也不同，因为装置771不执行将输入端口B_1k ⁱⁿ拷贝出到输出端口B_2k ^out上。此外，对于交换装置632，没有将B_2j ⁱⁿ拷贝出到B_2j ^out上，更一般地，对于保证两个基本交换装置之间的互连的任意端口，本地拷贝是禁止的。通过对有关端口禁止任意本地拷贝，使得避免基本交换装置之间的无限反馈成为可能。

在下文中，我们将给出在图6B中所示的级联的两个基本装置的情况下的数值实例，即，P＝2。如上所假定的，N＝8，D＝100Mbits/s，L＝100字节，以及I＝46字节，两个以太网帧(IFG+前同步信号)之间的最小间隔E＝20。传输所有入射帧的最短时间T为14(100+46+20).8/100＝185.92)。如果BAG＝500μs，可以假定直接连接到设备的输入端口的轮询时间τ为490μs以及与其它基本交换装置的互连端口的轮询时间τ′为70μs。

Claims (11)

1.一种用于AFDX网络的帧交换装置，包括：第一端口(B)，用于连接到终端(250)或者所述网络的交换机(SW)；以及多个第二端口(A₁，...，A_N)，用于通过多个链路分别连接到机载设备(210)，其特征在于：

当在所述第一端口上接收到每个入射帧时，所述第一端口上的所述每个入射帧被复制到所述第二端口中的每一个上；

所述第二端口被周期性地依次轮询，在经轮询的第二端口上出现的每个帧被传送到所述第一端口上。

2.根据权利要求1所述的帧交换装置，其特征在于，每个第二端口与其中存储该端口上的所述入射帧的输入缓冲器(T₁，..，T_N)相关联，每个端口通过检查与其相关联的所述缓冲器是否包含帧而被轮询，如果是，则所述帧被从所述缓冲器清空，以被传输到所述第一端口上。

3.根据权利要求2所述的帧交换装置，其特征在于，每个第二端口以τ≤500μs的轮询周期被轮询。

4.根据权利要求2所述的帧交换装置，其特征在于，清空输入缓冲器并将其传输到所述第一端口的总时间小于τ/N，其中，τ和N分别是轮询周期和第二端口的数目。

5.根据权利要求4所述的帧交换装置，其特征在于，所述输入缓冲器具有(τ/N)×D位的大小，其中，D是所述第一端口上的二进制吞吐量。

6.根据权利要求1所述的帧交换装置，其特征在于，各第二端口以轮询周期被轮询，所述轮询周期被确定为长于由所述交换机在所述多个链路中每条上传输最长的帧所需要的总时间，并短于分隔由所述交换机在所述多个链路中的链路上传输的两连续帧的最短时间。

7.一种机载系统，包括根据权利要求3所述的帧交换装置和分别连接到所述帧交换装置的所述第二端口的多个设备(210)，每个设备被配置为每500μs传输最多一帧。

8.根据权利要求7所述的机载系统，其特征在于，每个设备被配置为在小于500μs的时间内传输所述帧。

9.一种用于将多个机载设备(610)连接在一起和/或将多个机载设备(610)连接到计算机(650)的帧交换装置，所述装置包括多个(p个)帧交换基本装置(631、632)，每个帧交换基本装置包括用于经由以太网链路被连接到所述设备(610)、所述计算机(650)或者另一帧交换基本装置(632、631)的多个(N个)输入/输出端口，其特征在于，每个帧交换基本装置包括用于轮询所述输入端口的帧复制装置(771)，每个输入端口被直接连接到一个设备或者所述计算机，第一输入端口以第一周期被轮询，每个输入端口被连接到另一帧交换基本装置，第二输入端口以比所述第一周期短的第二周期被轮询，所述复制装置在全部所述输出端口上拷贝出入射在所述第一输入端口上的任意帧，并在除与第二输入端口相关联的输出端口之外的全部输出端口上拷贝出入射在后者上的任意帧。

10.根据权利要求9所述的帧交换装置，其特征在于，其由级联的两个帧交换基本装置组成，所述第二周期(τ′)小于或等于τ/(N-1)，其中，τ是所述第一周期，N是帧交换基本装置的输入/输出端口的数目。

11.根据权利要求9至10中任一项所述的帧交换装置，其特征在于，所述以太网链路的至少一些遵照IEEE 802.af标准。

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