CN112073230B - 兼容标准afdx网络的精简网络系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统，包含交换机和端设备，交换机在与端设备连接的交换端口上，设计单帧缓存用于接收数据帧；在与标准AFDX交换机连接的交换端口上，按转发到该交换端口源设备个数以及评估最坏情况数据帧并发输入下的帧数来设计用于接收数据帧的帧缓存深度；各交换端口接收到数据帧先通过链路层帧完整性和符合性规则进行校验，然后对数据帧执行警管处理机制，通过警管的数据帧保存在接收到该数据帧的交换端口的缓存中；缓存在交换端口上的数据帧按照周期性的轮询顺序进行调度转发。本发明充分满足飞机电子系统中各功能域内部的数据通信特性，各功能域之间采用统一协议体制进行传输，简化系统架构设计。

Description

兼容标准AFDX网络的精简网络系统
技术领域
本发明属于航空电子系统中的机载总线通信技术领域，涉及一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统，满足任务相对单一、追求任务执行的实时性、高效性、安全性和可靠性的网络的需求。
背景技术
由于飞机电子系统中(航电、机电、飞控)各功能域内部的数据通信特性不同，航电领域内任务种类繁多、任务执行周期颗粒度大、任务产生数据量较大、流量负载大，而机电和飞控领域内任务相对单一、追求任务执行的实时性高效性、安全性和可靠性。各功能域内部采用不同的通信架构和通信协议进行传输，如RS422、232、A429、825、717、ARINC825、1553B、TTP、1394、AFDX等，通信种类多样导致连接器种类多样、连线复杂、线缆重量大和成本高、互联互通设计复杂度高，电磁环境复杂。为了解决上述问题，通过采用统一协议体制在充分满足当前航电、机电、飞控等各功能域内部的数据通信需求基础上，实现各系统进一步综合需求以及无缝互联，简化系统架构设计。
面向航电、机电、飞控的综合化设计采用标准AFDX与兼容标准AFDX网络的精简网络系统组合的分层架构，设计兼容标准AFDX网络的网络系统调度和帧转发方法，实现各设备间的通信，同时提供端口可以级联到实现航电系统通信的标准AFDX网络中，实现跨功能域的统一协议设计。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统，该精简网络系统面向航空高确定性、低成本、高安全性的控制领域，提供双或者三余度通信机制，由精简网络系统完成机电和飞控领域的业务，且可以与标准AFDX网络通信系统互通，充分满足飞机电子系统中(航电、机电、飞控)各功能域内部的数据通信特性、各功能域之间采用统一协议体制进行传输，实现各系统综合需求的无缝互联，简化系统架构设计。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统，包含交换机和端设备；
交换机在与端设备连接的交换端口上，设计单帧缓存用于接收数据帧；在与标准AFDX交换机连接的交换端口上，按转发到该交换端口源设备个数以及评估最坏情况数据帧并发输入下的帧数来设计用于接收数据帧的帧缓存深度；各交换端口接收到数据帧先通过链路层帧完整性和符合性规则进行校验，然后对数据帧执行警管处理机制，通过警管的数据帧保存在接收到该数据帧的交换端口的缓存中；缓存在交换端口上的数据帧按照周期性的轮询顺序进行调度转发，每次周期轮询将从规定的交换端口开始，按照规定的顺序依次遍历完所有的交换端口，每次周期轮询只从某一交换端口最多调度一帧向交换机其他交换端口全部分发一份，其它交换端口转发输出。
进一步，交换机在与下一级交换机连接的交换端口上，在数据帧转发过程中，对数据帧中的虚通道ID参数进行判断，若属于下一级交换机的则进行转发，否则过滤该数据帧。
进一步，端设备数据发送过程如下：
步骤A1、对应用数据发送长度进行预先约束，将超出最大帧长的应用数据在应用层进行分片或者将超长的用户应用数据进行丢弃并记录反馈给应用；
步骤A2、查询传输层COM端口对应的UDP/IP信息以及虚通道信息，将用户应用数据开始组包成标准的MAC报文，进入对应COM端口独立唯一映射的虚通道缓存；
步骤A3、MAC层将虚通道上的MAC报文缓存到调度缓冲区；
步骤A4、按照调度周期进行计时调度，将来自不同虚通道的数据帧按串行调度的方式实现每个调度周期只从调度缓冲区调取一帧数据发送。
进一步，步骤A4中，串行调度按照两种不同的模式运行处理：一种严格按照系统规定的调度周期值调度，调度定时器计时调度周期值到达时使能数据帧的调度发送，即刻清除调度使能信号，并将调度定时器的计时值清零，等待下一个调度周期值到达使能调度，重新启动计时；一种非严格按照系统规定的调度周期值调度，调度定时器计时调度周期值到达时使能数据帧的调度发送，该调度使能信号将保持到使能一帧数据发送完成成功后将调度定时器的计时值清零，等待下一个调度周期值到达使能调度。
进一步，MAC层采用两种处理机制将虚通道上的MAC报文缓存到调度缓冲区，根据需求选择其中之一处理：
方式一：根据预先配置的整形周期定时调度参数对虚通道上的MAC报文进行整形，使各虚通道上的MAC报文按照固定整形周期发送到下一级调度缓冲区等待最终调度输出；不同的虚通道完成整形调度后输出的MAC报文按时间先后顺序排列进入到调度缓冲区，当存在不同虚通道同时完成整形调度时，根据虚通道索引号先后排列顺序进入调度缓冲区；
方式二：虚通道不启用周期性的整形功能，根据不同虚通道中的IP报文在MAC层打包后的时间先后顺序排列进入调度缓冲区；如果不同虚通道同时打包完成，则根据虚通道索引的先后顺序排列进入调度缓冲区。
进一步，端设备的接收过程为：首先通过以太网物理层协议处理机制将链路发送过来的数字信息组成数据帧，将数据帧按照链路层帧完整性和符合性规则进行校验，如果数据帧校验成功，则提取数据帧的虚通道ID参数与端设备允许接收的虚通道ID进行匹配比对，并通过系统定义的UDP/IP协议模型进行解包，解包后的数据通过对应传输层COM端口传递给应用。
本发明的有益效果在于：
本发明需求的资源相对少，对应需求的逻辑处理或者缓存资源较少，能够实现ms级以下的周期性的系统通信调度能力，通过源端进行发送控制以及与源端直连的交换端口设置同周期的输入流量警管控制，实现网络系统在确定性的调度和确定带宽控制下实现高确定性高完整性的通信。同时该网络系统可与标准AFDX航电系统直连，实现航空数据系统和控制系统结合的分层统一网络协议架构。
本发明采用系统级的网络架构设计约束，设计每个端设备的应用数据通过不同的虚通道传输并按照周期性的串行调度方式接入到交换机中，实现交换具备在无配置(标准AFDX网络交换转发需要大量配置)、无自学习模式(以太网自学习交换路由)下的确定性交换转发，可在一定程度上提高数据通信的时间确定性、实时性、可靠性和安全性满足实时性要求等级高的应用场合。该设计方法极大的丰富了用户对于基于时间触发架构下的航空机载总线选型、推动航空总线一体化的手段环节的方法。同时该发明的应用独立于硬件平台，适用范围广，具有显著的市场前景和经济效益。
附图说明
图1为一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
针对原飞机电子系统各功能域内部采用不同的通信架构和通信协议进行传输，导致连接器种类多样、连线复杂、线缆重量大和成本高、互联互通设计复杂度高的问题，见图1所示，本实施例提供了一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统，包含端设备和交换机，设计每个端设备产生的应用数据通过不同的虚通道传输并按照周期性的串行调度方式接入到交换机中，实现交换具备在无配置(标准AFDX网络交换转发需要大量配置)、无自学习模式(以太网自学习交换路由)下的确定性交换转发，本实施例提供的精简网络系统可以胜任飞控和机电等实时性要求和安全性要求苛刻的控制分系统的应用场合，同时能与采用标准AFDX网络协议通信的航电网络进行无缝的互联对接。
兼容标准AFDX网络的精简网络系统中的端设备，其数据发送过程如下：
步骤A1、对应用数据发送长度进行预先约束，将超出最大帧长的应用数据在应用层进行分片或者将超长的用户应用数据进行丢弃并记录反馈给应用。
步骤A2、查询传输层COM端口对应的UDP/IP信息以及虚通道信息，将用户应用数据开始组包成标准的MAC报文，进入对应COM端口独立唯一映射的虚通道缓存。由于在应用层限制了应用数据的长度，所以在IP层协议无需分片重组机制，可以降低硬件成本，并且提供高确定性快速调度响应。
步骤A3、MAC层采用两种处理机制，根据系统需求选择其中之一处理。
方式一：根据预先配置的整形周期定时调度参数对虚通道上的MAC报文进行整形，使各虚通道上的MAC报文按照固定整形周期发送到下一级调度缓冲区等待最终调度输出。不同的虚通道完成整形调度后输出的MAC报文一般按时间先后顺序排列进入到调度缓冲区；但由于虚通道整形是并行的，也可能存在不同虚通道同时完成整形调度，此时根据虚通道索引号先后排列顺序进入调度缓冲区。
方式二：虚通道不启用周期性的整形功能，根据不同虚通道中的IP报文在MAC层打包后的时间先后顺序排列进入调度缓冲区；如果不同虚通道同时打包完成，则根据虚通道索引的先后顺序排列进入调度缓冲区。
步骤A4、MAC报文经过虚通道的整形后进入网络系统通信调度装置的最后一级调度器中，该调度器在端设备中是唯一的，面向所有虚通道输入的数据帧进行调度。该调度器按照调度周期进行计时调度，将来自不同虚通道的数据帧按串行调度的方式实现整个通信端系统在有效通信情况下(具备满负载调度设计能力)，每个调度周期只从调度缓冲区调取一帧数据发送(而不是采用传统的不同虚通道的帧并发调度)。形成调度周期的调度算法机制如下：
交换端口数×最大帧长×8/通信速率bps。
例如，交换端口数采用通常主流的AFDX交换机端口24个；
最大帧长参考当前主流机电和飞控控制领域常用的主流网络TTP和fleray帧长256字节；
标准的AFDX可实现工作10/100/1000Mbps兼容模式，本发明举例采用AFDX主流工作速率100Mbps来说明理念，根据需求该机制可灵活应用于10Mbps或者1Gbps工作速率模式。
按上述模式取值初步的周期值得出24×256×8/100M＝491.52us，完全按照该值不适合定时调度。考虑到标准的AFDX定义的VL调度bag值取2的幂次(单位ms)，提供一定的带宽资源余量基础上，将工作于100Mbps速率并支持24端口交换的网络架构下的调度周期取值500us；同理工作在10Mbps和1Gbps下的取值分别5ms和50us。端设备的最后一级调度器开启一个调度定时器进行串行调度处理，按照两种不同的模式运行处理：一种严格按照系统规定的调度周期值调度，调度定时器计时调度周期值到达时使能数据帧的调度发送，即刻清除调度使能信号，并将调度定时器的计时值清零，等待下一个调度周期值到达使能调度，重新启动计时；一种非严格按照系统规定的调度周期值调度，调度定时器计时调度周期值到达时使能数据帧的调度发送，该调度使能信号将保持到使能一帧数据发送完成成功后将调度定时器的计时值清零，等待下一个调度周期值到达使能调度。
通过上述步骤，完成本发明中的端设备的发送调度过程，通过从用户产生数据通过对应传输层COM通信端口链接到UDP层、IP层信息进行协议打包，并在MAC层虚通道调度机制中进行选择性的整形机制进行处理后，进入到统一的调度器中进行周期性的串行调度发送。
端设备的接收过程为：首先通过以太网物理层协议处理机制将链路发送过来的数字信息组成数据帧，将数据帧按照链路层帧完整性和符合性规则进行校验，如果数据帧校验成功，则提取数据帧的虚通道ID参数与端设备允许接收的虚通道ID进行匹配比对，并通过系统定义的UDP/IP协议模型进行解包，解包后的数据通过对应传输层COM端口传递给应用。
兼容标准AFDX网络的精简网络系统中的交换机，在无级联模式下或者与标准AFDX级联架构基础上设计基于无配置(标准AFDX交换转发需要静态定义转发路由和信用量管理配置)、无自学习模式(以太网自学习交换路由)下的确定性交换转发。
Figure BDA0002653168040000081
单交换机无级联模式下，交换端口接收到数据帧先通过类似端设备的链路层帧完整性和符合性规则进行校验，然后对数据帧执行警管处理机制。警管处理机制为：每个交换端口开启一个计时器，按照调度周期(等同于端设备中的调度周期)周期性的计时，设计一个抖动偏差参数(考虑交换机和通信调度装置的时钟偏差)，控制每个调度周期在允许的抖动偏差浮动范围内，只允许一个数据帧进入到交换机的交换端口缓存，交换机的交换端口缓存按照单帧接收缓存机制方式管理。对于连续两帧小于周期以及抖动设定的最小门限，将丢掉后一帧数据(采用异常上报机制，如果交换机发现某个端口存在异常时序帧，则自动关闭该端口通信)。通过警管的数据帧保存在接收到该数据帧的交换端口的缓存中，交换端口上的数据帧按照周期性的轮询顺序进行调度转发，每次周期轮询将从规定的交换端口开始，按照规定的顺序依次遍历完所有的交换端口，无论交换端口的缓存区数据多少(通常就一帧或者没有数据帧)，每次周期轮询只从某一交换端口最多调度一帧输出转发。被轮询到的转发数据帧将向交换机其他交换端口全部分发一份，并在对应交换端口转发输出，归属于不同交换端口的同一帧不作关联约束，无需等各交换端口全部调度输出，该数据帧才从缓存中删除。
Figure BDA0002653168040000082
与标准AFDX级联架构模式下，前一级采用标准AFDX交换机，由于不能限定标准AFDX交换机转发输入的数据帧来自同一个AFDX端设备或者同一条VL(可来自多个标准的AFDX终端发送汇聚)，即无法约束标准AFDX交换机转发的数据与AFDX端设备发送数据控制时机相同(AFDX端设备按固定的调度周期发送数据帧)，即存在多个AFDX端设备同时发送到AFDX交换机级联转发端口输出，AFDX交换机连续将多帧背靠背转发输入到本实施例的精简网络系统交换机的交换端口(普通的面向源设备的交换机交换端口可以设计一个数据帧缓冲区，按照固定周期进行接收更新，出现快于周期的数据时将可以直接更新旧数据，但该模式下如果采用单帧缓冲区更新方式将导致连续数据前后覆盖严重的情况)，但对输入到本案的精简网络系统交换机的带宽可以约束。如果该交换架构下提供带宽不超过端设备的带宽能力，那么只需要提升交换机对应的级联端口缓冲区深度，解决连续数据输入的缓冲冲突，保证交换机按照广播方式转发。该模式下，交换机连接到端设备上的交换端口按照单交换机无级联模式的单帧接收缓存机制方式管理，用于级联的交换端口则按系统定义转发到该端口源设备个数以及评估最坏情况数据帧并发输入下帧数来设计接收帧缓存深度。交换机采用的调度转发机制与单交换机无级联模式保持一致，每次周期轮询只从某一交换端口最多调度一帧输出转发，不分级联端口和端设备交联端口，在此不再赘述。
Figure BDA0002653168040000091
交换机下还级联一个交换机时，交换机采用一种定向配置的方式实现级联端口的转发处理。如果交换机级联下一级交换机的交换端口继续采用广播方式，那么输入到下一级的交换机的流量必然会超出一个普通的端设备发送输入的流量，因此，该交换端口将不采用广播方式转发，而是通过配置约束转发。在该转发方式下，提取下一级虚通道参数并配置到的交换端口上进行广播数据过滤，从而识别有效转发虚通道的数据，才转发到下一级交换机接收输入。每次周期轮询只从某一端口最多调度一帧输出转发交换机的输入端口中，即交换机针对输入帧还是统一采用轮询后给所有转发端口广播，但转发端口输出时，根据自身的角色(_级联或非级联定义)以及相应配置进行过滤转发，根据有效配置转发，这样可控制系统在级联端口在固定的带宽资源下进行转发。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统，包含交换机和端设备，其特征在于：
交换机各交换端口接收到数据帧先通过链路层帧完整性和符合性规则进行校验，然后对数据帧执行警管处理机制，通过警管的数据帧保存在接收到该数据帧的交换端口的缓存中；缓存在交换端口上的数据帧按照周期性的轮询顺序进行调度转发，每次周期轮询将从规定的交换端口开始，按照规定的顺序依次遍历完所有的交换端口，每次周期轮询只从某一交换端口最多调度一帧向交换机其他交换端口全部分发一份，其它交换端口转发输出，归属于不同交换端口的同一帧不作关联约束，无需等各交换端口全部调度输出，该数据帧才从缓存中删除；
其中，警管处理机制为：每个交换端口开启一个计时器，按照调度周期周期性的计时，设计一个抖动偏差参数，控制每个调度周期在允许的抖动偏差浮动范围内，只允许一个数据帧进入到交换机的交换端口缓存，交换机的交换端口缓存按照单帧接收缓存机制方式管理对于连续两帧小于周期以及抖动设定的最小门限，将丢掉后一帧数据；
交换机在与端设备连接的交换端口上，设计单帧缓存用于接收数据帧；
在与上一级标准AFDX交换机连接的交换端口上，若标准AFDX交换机连续将多帧背靠背转发输入到交换机交换端口上，且交换机的提供带宽不超过端设备的带宽能力，则按转发到该交换端口源设备个数以及评估最坏情况数据帧并发输入下的帧数来设计用于接收数据帧的帧缓存深度，其中，最坏情况为若连接标准AFDX交换机的交换端口采用单帧缓冲区更新方式将导致连续数据前后覆盖的情况。
2.根据权利要求1所述的一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统，其特征在于：
交换机在与下一级交换机连接的交换端口上，在数据帧转发过程中，对数据帧中的虚通道ID参数进行判断，若属于下一级交换机的则进行转发，否则过滤该数据帧。
3.根据权利要求1所述的一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统，其特征在于：端设备数据发送过程如下：
步骤A1、对应用数据发送长度进行预先约束，将超出最大帧长的应用数据在应用层进行分片或者将超长的用户应用数据进行丢弃并记录反馈给应用；
步骤A2、查询传输层COM端口对应的UDP/IP信息以及虚通道信息，将用户应用数据开始组包成标准的MAC报文，进入对应COM端口独立唯一映射的虚通道缓存；
步骤A3、MAC层将虚通道上的MAC报文缓存到调度缓冲区；
步骤A4、按照调度周期进行计时调度，将来自不同虚通道的数据帧按串行调度的方式实现每个调度周期只从调度缓冲区调取一帧数据发送。
4.根据权利要求3所述的一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统，其特征在于：步骤A4中，串行调度按照两种不同的模式运行处理：一种严格按照系统规定的调度周期值调度，调度定时器计时调度周期值到达时使能数据帧的调度发送，即刻清除调度使能信号，并将调度定时器的计时值清零，等待下一个调度周期值到达使能调度，重新启动计时；一种非严格按照系统规定的调度周期值调度，调度定时器计时调度周期值到达时使能数据帧的调度发送，该调度使能信号将保持到使能一帧数据发送完成成功后将调度定时器的计时值清零，等待下一个调度周期值到达使能调度。
5.根据权利要求3所述的一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统，其特征在于MAC层采用两种处理机制将虚通道上的MAC报文缓存到调度缓冲区，根据需求选择其中之一处理：
方式一：根据预先配置的整形周期定时调度参数对虚通道上的MAC报文进行整形，使各虚通道上的MAC报文按照固定整形周期发送到下一级调度缓冲区等待最终调度输出；不同的虚通道完成整形调度后输出的MAC报文按时间先后顺序排列进入到调度缓冲区，当存在不同虚通道同时完成整形调度时，根据虚通道索引号先后排列顺序进入调度缓冲区；
方式二：虚通道不启用周期性的整形功能，根据不同虚通道中的IP报文在MAC层打包后的时间先后顺序排列进入调度缓冲区；如果不同虚通道同时打包完成，则根据虚通道索引的先后顺序排列进入调度缓冲区。
6.根据权利要求1所述的一种兼容标准AFDX网络的精简网络系统，其特征在于端设备的接收过程为：首先通过以太网物理层协议处理机制将链路发送过来的数字信息组成数据帧，将数据帧按照链路层帧完整性和符合性规则进行校验，如果数据帧校验成功，则提取数据帧的虚通道ID参数与端设备允许接收的虚通道ID进行匹配比对，并通过系统定义的UDP/IP协议模型进行解包，解包后的数据通过对应传输层COM端口传递给应用。
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