CN113824698B - 一种保障民用航空电子系统数据完整性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保障民用航空电子系统数据完整性的方法，所述航空电子系统包括ARINC 664双余度A网、B网、源通信节点、源第二通信节点、目的通信节点、目的第二通信节点，A网包含互相级联的第一交换机、第二交换机、第三交换机和第四交换机，B网与A网相同配置；在基于ARINC 664协议的ADN网络基础上提出的“通信—监控”架构，适用于综合模块化航空电子系统，在保证航空电子系统通信功能的同时，从设备冗余、网络配置、数据监控和数据解算等角度使得整个民用航空电子系统数据完整性得以保证及提升。

Description

一种保障民用航空电子系统数据完整性的方法

技术领域

本发明属于数据传输和处理领域，特别涉及一种保障民用航空电子系统数据完整性的方法，确保飞行关键参数比如大气、发动机参数、燃油信息等数据能够被准确地传输和处理。

背景技术

民用航空飞行器，民用客机，大型运输机等对航空电子系统的安全性都有着较高的要求。在航空电子技术发展至今，从联合式航空电子系统架构向综合式航空电子系统架构演变，其代表就是综合模块化航空电子系统(Integrated Modular Avionics，简称IMA)和基于交换的航空数据网络(Aircraft Data Network简称ADN)。在这种架构下，如何保证整个航空电子系统的安全运行，使得飞机关键参数的能够被准确地传输和处理，降低由于错误数据引起的飞行员误操作概率，从而保障飞行安全是需要面临的挑战。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种保障民用航空电子系统数据完整性的方法，是在基于ARINC 664协议的ADN网络基础上提出的“通信—监控”架构，适用于综合模块化航空电子系统(IMA)，在保证航空电子系统通信功能的同时，从航线可更换单元(LineReplaceable Unit，简称LRU)设备冗余、网络配置、数据监控和数据解算等角度使得整个民用航空电子系统数据完整性得以保证及提升。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种保障民用航空电子系统数据完整性的方法，所述航空电子系统包括ARINC664双余度A网、B网、源通信节点、源第二通信节点、目的通信节点、目的第二通信节点，A网包含互相级联的第一交换机、第二交换机、第三交换机和第四交换机，B网与A网相同配置；

定义第一虚拟链路VL1：在第三交换机上采用多播模式，其中源通信节点到目的通信节点的路径是通过第三交换机和第一交换机，而源通信节点到目的第二通信节点路径是通过第三交换机、第四交换机和第二交换机；

定义目的通信节点、目的第二通信节点之间设有第一传输链路；

定义第一比较规则：目的通信节点接收到A网数据后进行解算，并将解算结果通过第一传输链路传输到目的第二通信节点；目的第二通信节点对接收到的A网数据进行解算，并将解算结果与来自第一传输链路上的目的通信节点的解算结果进行比较，将第一比较结果再通过第一传输链路回传给目的通信节点；目的通信节点、目的第二通信节点将从A网收到的VL1上的数据后采用第一比较规则进行比较后，判别该次传输数据是否完整。

进一步，定义第二虚拟链路VL2：在第二交换机上采用多播模式，其中源第二通信节点到目的第二通信节点的路径是通过第四交换机和第二交换机，源第二通信节点到目的通信节点路径是通过第四交换机、第二交换机和第一交换机；

目的通信节点和目的第二通信节点将从A网收到的VL2上的数据采用第一比较规则进行比较，根据对比VL1的第一比较规则的比较结果和VL2的第一比较规则的比较结果，判断数据帧从源通信节点到目的通信节点的完整性。

进一步，定义第三虚拟链路VL3：在第一交换机上采用多播模式，其中目的通信节点到源通信节点的路径是通过第一交换机和第三交换机，目的通信节点到源第二通信节点路径是通过第一交换机、第二交换机和第四交换机；

定义第四虚拟链路VL4：在第二交换机上采用多播模式，其中目的第二通信节点到源第二通信节点的路径是通过第二交换机和第四交换机，目的第二通信节点到源通信节点路径是通过第二交换机、第四交换机和第三交换机；

定义源通信节点和源第二通信节点之间设有第二传输链路；

定义第二比较规则：源通信节点接收到外部数据后进行解算，并将解算结果通过第二传输链路传输到源第二通信节点；源第二通信节点对同时接收到的外部同源数据进行解算，并将解算结果与来自第二传输链路上的源通信节点的解算结果进行比较，将第二比较结果再通过第二传输链路回传给源通信节点；源通信节点和源第二通信节点将从A网收到的VL3、VL4上的第一比较结果后采用第二比较规则进行比较，判别该次传输数据是否完整；根据对比VL3的第二比较规则的比较结果和VL4的第二比较规则的比较结果判断数据从目的通信节点到源通信节点的完整性；

源第二通信节点将第二比较结果与从VL3上接收到的第一比较结果进行比较，得到第三比较结果，将第三比较结果再通过第二传输链路回传给源通信节点，源通信节点通过第三比较结果的有效性来判别本次传输的数据完整性的结果。

本发明的有益效果在于：提出基于航空数据网络的“通信—监控”的架构，该架构可以有效提高数据传输和处理的完整性。该方法可以适用于对系统安全性要求高的民用运输机或通航飞机，从而保障飞行安全。也可以推广应用于其他高安全性领域。

该方法对国内民用航空电子系统的实现和自主可控具有良好的实践意义和应用前景。

附图说明

图1航空电子系统组成示意图。

图2第一虚拟链路的路径示意图。

图3第二虚拟链路的路径示意图。

图4第三虚拟链路的路径示意图。

图5第四虚拟链路的路径示意图。

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。

本实施例所示的一种保障民用航空电子系统数据完整性的方法涉及航空电子系统中通用处理平台(Common Processing Platform，简称CPP)架构，针对航空数据网络(Aircraft Data Network简称ADN)和综合模块化航空电子系统(Integrated ModularAvionics，简称IMA)，提出了“通信—监控”的系统架构，该系统架构包含多台网络交换机(Network Switch，简称NS)和若干个LRU终端节点，终端节点的种类包括远程数据接口单元(Remote Data Interface Unit，简称RDIU)和通用处理模块(General ProcessingModule，简称GPM)，每个终端节点包括一个ARINC 664端系统(End System，简称ES)和一个以太网通信接口或其它网络协议接口。

作为举例说明，本实施例中航空电子系统包括4台A网ARINC 664交换机、4台B网ARINC 664交换机、二个RDIU和二个GPM。二个RDIU作为源节点，称为源通信节点RDIU1和源第二通信节点RDIU2，二个GPM作为目的节点，称为目的通信节点GPM1和目的第二通信节点GPM2。航空电子系统组成如图1所示。

该航空电子系统架构是在原ARINC 664双余度A、B网络基础上，提出的一种“通信—监控”的架构方法，可以覆盖从源端设备到终端设备的数据路径，其特点是：

·源端传感器数据采用ARINC 429协议(也可以采用其他现场总线通信协议)，并保证分别到源通信节点和源第二通信节点数据是近乎同时、同源、数据线缆等长输入；

·各个LRU之间，包括RDIU和GPM，都具备独立于ARINC 664网络接口之外的以太网通信接口(也可以采用其他互联通信协议方式)，用于实现LRU间数据的“通信—监控”功能；

·8台ARINC 664交换机，采用“4+4”模式，即冗余网络A网和B网各4台交换机。交换机在各自网络中相互级联，即A网的第一交换机、第二交换机、第三交换机和第四交换机互相级联,B网的第一交换机、第二交换机、第三交换机和第四交换机互相级联，而A网、B网之间没有级联关系，保持独立备份。各个LRU终端节点的ARINC 664端系统的A端口与冗余网络A网相连、B端口与冗余网络B网相连。

整个系统架构有余度备份和对称性的特点，将系统的单点失效率降低到低点，从而提升系统的可用性。因为是基于ARINC 664网络，而ARINC 664网络的关键技术之一是定义了一种虚拟链路(Virtual Link，简称VL)，采用虚拟链路是保证数据帧端到端有效传输的一种方式。VL的特点有：

·基于VL的网络传输，使得ARINC 664网络上的数据帧可以除了端到端单向传输外(单播)，也可以实现一发多收的模式，也就是“多播”；

·每条VL上数据的流量都受到系统的约束和控制，其流量与抖动(Jitter)，数据帧的最大长度S_max和数据帧间隔BAG(Bandwidth Allocation Gap)有关；

·正是VL的上述特性，通过限定VL上网络带宽利用率来保证数据帧传输的确定性。

本实施例利用ARINC 664网络VL的特点，在图1提出的系统组成上，又定义了各个LRU间基于VL的通信方式。因为是A、B是冗余的备份网络，因此仅给出A网络上各LRU间VL的定义及交联关系。

一种保障民用航空电子系统数据完整性的方法包含以下内容：

定义第一虚拟链路VL1，其端到端是从源通信节点RDIU 1到目的通信节点GPM1和目的第二通信节点GPM2，如图2所示。并规定：

·VL 1在第三交换机上采用多播模式，其中源通信节点RDIU 1到目的通信节点GPM 1的路径是通过第三交换机和第一交换机，而源通信节点RDIU 1到目的第二通信节点GPM 2路径是通过第三交换机、第四交换机和第二交换机。

数据帧到达GPM1的时间T_到达1和数据到达GPM2的时间T_到达2，其差值Δt的绝对值应满足：

|T_到达1-T_到达2|≤Δt；

Δt只与交换机的技术延迟有关，也就是交换机转发VL 1数据帧的时间。Δt视数据帧长S_max而定，以100Mbps传输速率为例，Δt从7us(64字节帧长+20字节)到123us(1518字节帧长+20字节)不等。

实际应用过程中，因为基于VL传输的数据帧的确定性，可以忽略Δt。那么GPM1和GPM2几乎可以认为是同时刻通过VL1收到来自RDIU1的数据。

定义GPM1和GPM 2之间通过独立的以太网接口或其它网络协议接口相互连接，形成第一传输链路。

定义第一比较规则，GPM 1接收到A网数据后进行解算，比如对数据采取CRC32校验，并将解算结果通过第一传输链路传输到GPM 2。同样地，GPM 2可以采用相应的解算方法对接收到的A网数据进行解算，比如CRC32校验，并将解算结果与来自第一传输链路上的GPM1的解算结果进行比较，将第一比较结果再通过第一传输链路回传给GPM 1。

GPM 1和GPM 2将从A网收到的VL1上的数据后采用第一比较规则进行比较后，接收端GPM 1和GPM 2就对来自VL 1上数据完成了一次“通信—监控”，GPM 1收到第一比较结果后就可以初步判别该次传输数据是否完整。

然而第三交换机仍旧存在单点失效的风险甚至引起误导(miss leading)从而使得GPM 1和GPM 2的“通信—监控”失效。由第三交换机自身错误而转发出的错误数据会导致GPM 1和GPM 2校验的判别结果仍旧是正确的可能。只定义VL 1并不能完全保证数据的完整性。因此需要额外定义独立的虚拟链路，且采用不同的数据帧传输路径。

定义第二虚拟链路VL2，其端到端是从RDIU 2(监控)到GPM 1和GPM 2，如图3所示。并规定：

·VL 2在第二交换机上采用多播模式，其中RDIU 2到GPM 2的路径是通过第四交换机和第二交换机，而RDIU2到GPM 1路径是通过第四交换机、第二交换机和第一交换机。

GPM 1和GPM 2将从A网收到的VL2上的数据采用第一比较规则进行比较，根据对比VL1的第一比较规则的比较结果和VL2的第一比较规则的比较结果保证了数据帧从RDIU(通信—监控)到GPM(通信—监控)的完整性，且不会因为交换机的单点失效或错误而导致数据的丢失和误导。

定义第三虚拟链路VL3，其端到端是从GPM 1(通信)到RDIU 1和RDIU 2，如图4所示。并规定：

·VL 3在第一交换机上采用多播模式，其中GPM1到RDIU1的路径是通过第一交换机和第三交换机，而GPM1到RDIU 2路径是通过第一交换机、第二交换机和第四交换机。

定义第四虚拟链路VL 4，其端到端是从GPM 2(监控)到RDIU 1和RDIU 2，如图5所示。并规定：

·VL 4在第二交换机上采用多播模式，其中GPM 2到RDIU 2的路径是通过第二交换机和第四交换机，而GPM 2到RDIU 1路径是通过第二交换机、第四交换机和第三交换机。

VL3和VL4与VL1和VL2一样，其对称性保证了不会因为交换机的单点失效或错误而导致数据的丢失和误导。

为了进一步保证数据的完整性，定义的VL 3和VL 4是将GPM 1和GPM 2上的第一比较结果再次回传给RDIU 1和RDIU 2。

定义RDIU 1和RDIU 2之间具备独立的以太网接口来相互连接，形成第二传输链路。

定义第二比较规则，RDIU 1接收到外部ARINC 429数据后进行解算，比如对数据采取CRC32校验，并将解算结果通过第二传输链路传输到RDIU 2。同样地，RDIU 2可以采用相应的解算方法对接收到的外部同源ARINC 429数据进行解算，比如CRC32校验，并将解算结果与来自第二传输链路上的RDIU 1的解算结果进行比较，将第二比较结果再通过第一传输链路回传给RDIU 1。

RDIU 1和RDIU 2将从A网收到的VL3、VL4上的第一比较结果后采用第二比较规则进行比较，这样，发送端RDIU 1和RDIU 2就对来自VL 3、VL4上数据完成了一次“通信—监控”，RDIU 1收到第二比较结果后就可以初步判别该次传输数据是否完整。根据对比VL 3的第二比较规则的比较结果和VL 4的第二比较规则的比较结果保证了数据帧从GPM(通信—监控)到RDIU(通信—监控)的完整性，且不会因为交换机的单点失效或错误而导致数据的丢失和误导。

RDIU 2将第二比较结果与从VL3上接收到的第一比较结果进行比较，得到第三比较结果，这样就完成了本次数据传输全部完整性检查。最后将第三比较结果再通过第二传输链路回传给RDIU 1，RDIU 1通过第三比较结果的有效性来判别本次传输的数据完整性的结果，决定是否进行下一次数据传输，或者将上一次数据进行重传等操作。

网络B上有着完全相同配置的VL和比较规划，不再赘述。

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 (1)

1.一种保障民用航空电子系统数据完整性的方法，所述航空电子系统包括ARINC 664双余度A网、B网、源通信节点、源第二通信节点、目的通信节点、目的第二通信节点，A网包含互相级联的第一交换机、第二交换机、第三交换机和第四交换机，B网与A网相同配置；其特征在于：

定义第一虚拟链路VL1：在第三交换机上采用多播模式，其中源通信节点到目的通信节点的路径是通过第三交换机和第一交换机，而源通信节点到目的第二通信节点路径是通过第三交换机、第四交换机和第二交换机；

定义目的通信节点、目的第二通信节点之间设有第一传输链路；

定义第一比较规则：目的通信节点接收到A网数据后进行解算，并将解算结果通过第一传输链路传输到目的第二通信节点；目的第二通信节点对接收到的A网数据进行解算，并将解算结果与来自第一传输链路上的目的通信节点的解算结果进行比较，将第一比较结果再通过第一传输链路回传给目的通信节点；

目的通信节点、目的第二通信节点将从A网收到的VL1上的数据后采用第一比较规则进行比较后，判别该次传输数据是否完整；

定义第二虚拟链路VL2：在第二交换机上采用多播模式，其中源第二通信节点到目的第二通信节点的路径是通过第四交换机和第二交换机，源第二通信节点到目的通信节点路径是通过第四交换机、第二交换机和第一交换机；

目的通信节点和目的第二通信节点将从A网收到的VL2上的数据采用第一比较规则进行比较，根据对比VL1的第一比较规则的比较结果和VL2的第一比较规则的比较结果，判断数据帧从源通信节点到目的通信节点的完整性；

定义第三虚拟链路VL3：在第一交换机上采用多播模式，其中目的通信节点到源通信节点的路径是通过第一交换机和第三交换机，目的通信节点到源第二通信节点路径是通过第一交换机、第二交换机和第四交换机；

定义第四虚拟链路VL4：在第二交换机上采用多播模式，其中目的第二通信节点到源第二通信节点的路径是通过第二交换机和第四交换机，目的第二通信节点到源通信节点路径是通过第二交换机、第四交换机和第三交换机；

定义源通信节点和源第二通信节点之间设有第二传输链路；

定义第二比较规则：源通信节点接收到外部数据后进行解算，并将解算结果通过第二传输链路传输到源第二通信节点；源第二通信节点对同时接收到的外部同源数据进行解算，并将解算结果与来自第二传输链路上的源通信节点的解算结果进行比较，将第二比较结果再通过第二传输链路回传给源通信节点；

源通信节点和源第二通信节点将从A网收到的VL3、VL4上的第一比较结果后采用第二比较规则进行比较，判别该次传输数据是否完整；根据对比VL3的第二比较规则的比较结果和VL4的第二比较规则的比较结果判断数据从目的通信节点到源通信节点的完整性；

源第二通信节点将第二比较结果与从VL3上接收到的第一比较结果进行比较，得到第三比较结果，将第三比较结果再通过第二传输链路回传给源通信节点，源通信节点通过第三比较结果的有效性来判别本次传输的数据完整性的结果。

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