CN114884887A - 一种面向安全性的afdx交换机信用动态管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向安全性的AFDX交换机信用动态管理系统及方法。系统包括数据接收端口、帧解析单元、虚拟链路配置信息单元、信用计算单元和流量管制单元；每个数据接收端口与一台交换机端口相连接，多个数据接收端口同时与帧解析单元相连接；帧解析单元还同时与虚拟链路配置信息单元、信用计算单元和流量管制单元相连接；虚拟链路配置信息单元还与信用计算单元相连接；流量管制单元还与信用计算单元和数据发送端口相连接。本发明效果：通过对AFDX传输数据帧的改造，可将VL传输业务的安全关键等级提供给交换机，同时兼容原有交换机系统；可有效实现对高安全关键等级业务的保障能力，提高了系统的整体安全性。
Description
技术领域
本发明属于航空机载网络技术领域，特别涉及一种面向安全性的 AFDX交换机信用动态管理系统及方法。
背景技术
随着机载系统的复杂程度、系统数量的不断提高，已有的半双工、低速机载总线已无法满足机载系统的通信需求，因此全双工交换式以太网(Avionics Full DuplexSwitched Ethernet,AFDX)开始出现并成功应用于包括美国波音公司的B787、欧洲空中客车公司的A380以及中国商飞的C919飞机，AFDX基于以太网技术通过增加确定性保证机制来满足机载通信的实时性需求，其采用虚拟链路(Virtual Link,VL)方式进行通信，并通过带宽分配间隔(Bandwidth Allocation Gap,BAG)与最大帧长来限制各个VL对于通信带宽的占用，同时在交换机上针对每条VL设置了信用值，通过信用值的设计来直到流量管控的作用。各 VL信用的管理方式对于流量管控能力和效率具有很大的影响，是交换机设计的重要内容。谷晓燕等发表的“基于虚拟链路的航电网络信用量评估模型”计算机工程与设计,2015,36(4):5”中提出了基于网络演算理论计算延迟抖动，以获得对信用量设置有效性的评价；中国专利申请公开号111600802A中公开了“一种基于信用量的端系统发送控制方法及系统”中提出了一种基于信用量的端系统信息发送方法和系统。
然而现有技术仅仅考虑了VL传输消息的流量特征，未考虑VL所承载的业务类型，对可能导致飞机机毁人亡的高安全关键消息和安全无关消息的信用管理方式未作区分，这样有可能导致在AFDX交换机流量管控时过滤掉安全关键消息，从而引发不可接受的灾难性后果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种面向安全性的 AFDX交换机信用动态管理系统及方法。
为了达到上述目的，本发明提供的面向安全性的AFDX交换机信用动态管理系统包括数据接收端口、帧解析单元、虚拟链路配置信息单元、信用计算单元和流量管制单元；其中，每个数据接收端口与一台交换机端口相连接，多个数据接收端口同时与帧解析单元相连接，用于读取交换机输入的数据帧并判断是否为有效数据帧，然后将有效数据帧发送给帧解析单元；帧解析单元还同时与虚拟链路配置信息单元、信用计算单元和流量管制单元相连接，用于将上述输入的有效数据帧进行解析而得到虚拟链路的安全关键等级SafeLevel、数据帧长度 Framesize在内的信息，然后将安全关键等级SafeLevel传送给虚拟链路配置信息单元，而将数据帧长度Framesize传送给信用计算单元；虚拟链路配置信息单元还与信用计算单元相连接，用于存储虚拟链路的配置与转发信息；流量管制单元还与信用计算单元和数据发送端口相连接；其中信用计算单元依据虚拟链路配置信息单元中存储的信息计算出每条虚拟链路的可用信用值，并依据可用信用值和帧解析单元传送的数据帧长度对有效数据帧进行过滤，由此对数据流量进行管控，然后将数据帧长度Framesize小于可用信用值的有效数据帧传输给流量管制单元，同时更新虚拟链路信用配置表中的数据；流量管制单元用于将管控后的数据流量按照路由配置表通过数据发送端口进行有效数据帧转发。
所述数据接收端口的数量为2n，其中n取值为2至8。
本发明提供的利用面向安全性的AFDX交换机信用动态管理系统的管理方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)数据接收端口不断读取从交换机端口输入的数据帧并判断是否为有效数据帧，如判断结果为有效数据帧，传送给帧解析单元；
步骤2)帧解析单元对接收到的有效数据帧进行解析，如果有效数据帧中第51个字节的安全关键等级数值为0或255，表示该有效数据帧中不包含安全关键等级信息，返回步骤1，并继续监视数据接收端口的数据帧；若第51个字节的安全关键等级数值在1-254之间，则将该数值及虚拟链路的标识号VLID传输给虚拟链路配置信息单元而进行存储，并由虚拟链路配置信息单元更新虚拟链路信用配置表中对应虚拟链路的标识号VLID的安全关键等级SafeLevel；同时将解析获得的数据帧长度Framesize传送给信用计算单元；
步骤3)信用计算单元依据虚拟链路配置信息单元存储的信息针对各虚拟链路进行可用信用值计算，并对帧解析单元传送的数据帧长度 Framesize大于可用信用值的有效数据帧进行过滤，由此对数据流量进行管控；然后将数据帧长度Framesize小于可用信用值的有效数据帧传输给流量管制单元，同时更新虚拟链路信用配置表中的数据；
步骤4)流量管制单元将管控后的数据流量按照路由配置表通过数据发送端口进行有效数据帧转发。
本发明提供的面向安全性的AFDX交换机信用动态管理系统及方法具有如下有益效果：
1、通过对AFDX传输数据帧的改造，可将VL传输业务的安全关键等级提供给交换机，同时兼容原有交换机系统；
2、可有效实现对高安全关键等级业务的保障能力，提高了系统的整体安全性。
附图说明
图1为本发明提供的面向安全性的AFDX交换机信用动态管理系统组成图
图2为AFDX标准数据帧和本发明中改造后的AFDX安全数据帧格式示意图。
图3为本发明提供的面向安全性的AFDX交换机信用动态管理方法流程图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的面向安全性的AFDX交换机信用动态管理系统包括数据接收端口01、帧解析单元02、虚拟链路配置信息单元03、信用计算单元04和流量管制单元05；其中，每个数据接收端口01与一台交换机端口相连接，多个数据接收端口01同时与帧解析单元02相连接，用于读取交换机输入的数据帧并判断是否为有效数据帧，然后将有效数据帧发送给帧解析单元02；数据接收端口01的数量为2n，其中n取值为2至8。帧解析单元02还同时与虚拟链路配置信息单元03、信用计算单元04和流量管制单元05相连接，用于将上述输入的有效数据帧进行解析而得到虚拟链路的安全关键等级 SafeLevel、数据帧长度Framesize在内的信息，然后将安全关键等级 SafeLevel传送给虚拟链路配置信息单元03，而将数据帧长度Framesize传送给信用计算单元04；虚拟链路配置信息单元03还与信用计算单元04相连接，用于存储如表1所示的虚拟链路的配置与转发信息；表 1中的序号标记记录的虚拟链路信息顺序，VLID为系统分配给每条虚拟链路的标识号，源节点为发出虚拟链路的端系统标记，目的节点为接收虚拟链路的端系统标记，BAG为系统分配给每条虚拟链路的带宽分配间隔，Jitter为每条虚拟链路传输的各数据帧最大允许的抖动时间， Smax为该虚拟链路允许传输的数据帧最大长度，SafeLevel为该条虚拟链路的安全关键等级。其中VLID、源节点、目的节点、BAG、Jitter、Smax等信息在系统初始化时由系统统一配置，SafeLevel由帧解析单元02针对各条有效数据帧解析得到的信息进行更新。
表1、虚拟链路配置信息单元中的数据项
流量管制单元05还与信用计算单元04和数据发送端口06相连接；其中信用计算单元04依据虚拟链路配置信息单元03中存储的信息计算出每条虚拟链路的可用信用值，并依据可用信用值和帧解析单元02 传送的数据帧长度对有效数据帧进行过滤，由此对数据流量进行管控，然后将数据帧长度Framesize小于可用信用值的有效数据帧传输给流量管制单元05，同时更新表2所示的虚拟链路信用配置表中的数据；表 2中VLID为虚拟链路的标识号，
为时刻t时虚拟链路vlk的可用信用值，T为记录该可用信用值的时刻t。
表2、信用计算单元中虚拟链路信用配置表中的数据项
流量管制单元05用于将管控后的数据流量按照路由配置表通过数据发送端口06进行有效数据帧转发。
本发明将AFDX标准数据帧改造成AFDX安全数据帧，如图2所示，方法是将AFDX标准数据帧中有效载荷部分的第一个字节(即第51个字节)定义为安全关键等级标记位，用SafeLevel表示，安全关键等级 SafeLevel的取值范围为1-254，当安全关键等级SafeLevel为0或者255，表示不包含安全关键等级信息。并提出了安全关键等级SafeLevel的计算方法：
按照ARINC 664协议标准，虚拟链路只允许有一个源节点，可以有多个目的节点。假设某节点esd承担的系统功能具有m个失效状态，各失效状态的严酷等级为failq，严酷等级failq的取值范围为1-5，数值越大则失效状态的严酷等级越高，即失效后的安全影响越大，则节点esd的安全关键等级
计算公式为
假设标识号 VLID为k的虚拟链路vlk传输的某条数据帧
其源节点为esp，目的节点为{es1,es2,...esn}，则该数据帧的安全关键等级
的计算公式为：
该数据帧的安全关键等级SafeLevel的取值为：
如图3所示，利用上述面向安全性的AFDX交换机信用动态管理系统的管理方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)数据接收端口01不断读取从交换机端口输入的数据帧并判断是否为有效数据帧，如判断结果为有效数据帧，传送给帧解析单元02；
步骤2)帧解析单元02对接收到的有效数据帧进行解析，如果有效数据帧中第51个字节的安全关键等级数值为0或255，表示该有效数据帧中不包含安全关键等级信息，返回步骤1，并继续监视数据接收端口01的数据帧；若第51个字节的安全关键等级数值在1-254之间，则将该数值及虚拟链路的标识号VLID传输给虚拟链路配置信息单元03而进行存储，并由虚拟链路配置信息单元03更新虚拟链路信用配置表中对应虚拟链路的标识号VLID的安全关键等级SafeLevel；同时将解析获得的数据帧长度Framesize传送给信用计算单元04；
步骤3)信用计算单元04依据虚拟链路配置信息单元03存储的信息针对各虚拟链路进行可用信用值计算，并对帧解析单元02传送的数据帧长度Framesize大于可用信用值的有效数据帧进行过滤，由此对数据流量进行管控；然后将数据帧长度Framesize小于可用信用值的有效数据帧传输给流量管制单元05，同时更新虚拟链路信用配置表中的数据；
针对标识号VLID为k的虚拟链路vlk，在时刻tn进行可用信用更新，上一个记录时刻为t(n-1)，那么时刻tn的可用信用值为：
其中，
为虚拟链路vlk可传输的最大数据帧长度，Jitterk为虚拟链路vlk最大允许的抖动时间，BAGk为虚拟链路vlk的带宽分配间隔，可见对于高安全关键等级的数据帧，在进行流量整形时赋予其一个
大小的突发流量容忍信用，可减少高安全关键等级的数据帧被过滤的概率。
所述数据帧过滤方法为：比较计算后的可用信用值
与数据帧长度，当可用信用值大于数据帧长度时，将有效数据帧转发给流量管制单元05，同时更新虚拟链路信用配置表中的数据：
步骤4)流量管制单元05将管控后的数据流量按照路由配置表通过数据发送端口06进行有效数据帧转发。
Claims (3)
1.一种面向安全性的AFDX交换机信用动态管理系统，其特征在于：所述面向安全性的AFDX交换机信用动态管理系统包括数据接收端口(01)、帧解析单元(02)、虚拟链路配置信息单元(03)、信用计算单元(04)和流量管制单元(05)；其中，每个数据接收端口(01)与一台交换机端口相连接，多个数据接收端口(01)同时与帧解析单元(02)相连接，用于读取交换机输入的数据帧并判断是否为有效数据帧，然后将有效数据帧发送给帧解析单元(02)；帧解析单元(02)还同时与虚拟链路配置信息单元(03)、信用计算单元(04)和流量管制单元(05)相连接，用于将上述输入的有效数据帧进行解析而得到虚拟链路的安全关键等级SafeLevel、数据帧长度Framesize在内的信息，然后将安全关键等级SafeLevel传送给虚拟链路配置信息单元(03)，而将数据帧长度Framesize传送给信用计算单元(04)；虚拟链路配置信息单元(03)还与信用计算单元(04)相连接，用于存储虚拟链路的配置与转发信息；流量管制单元(05)还与信用计算单元(04)和数据发送端口(06)相连接；其中信用计算单元(04)依据虚拟链路配置信息单元(03)中存储的信息计算出每条虚拟链路的可用信用值，并依据可用信用值和帧解析单元(02)传送的数据帧长度对有效数据帧进行过滤，由此对数据流量进行管控，然后将数据帧长度Framesize小于可用信用值的有效数据帧传输给流量管制单元(05)，同时更新虚拟链路信用配置表中的数据；流量管制单元(05)用于将管控后的数据流量按照路由配置表通过数据发送端口(06)进行有效数据帧转发。
2.根据权利要求1所述的面向安全性的AFDX交换机信用动态管理系统，其特征在于：所述数据接收端口(01)的数量为2n，其中n取值为2至8。
3.一种利用权利要求1所述面向安全性的AFDX交换机信用动态管理系统的管理方法，其特征在于：所述管理方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)数据接收端口(01)不断读取从交换机端口输入的数据帧并判断是否为有效数据帧，如判断结果为有效数据帧，传送给帧解析单元(02)；
步骤2)帧解析单元(02)对接收到的有效数据帧进行解析，如果有效数据帧中第51个字节的安全关键等级数值为0或255，表示该有效数据帧中不包含安全关键等级信息，返回步骤1，并继续监视数据接收端口(01)的数据帧；若第51个字节的安全关键等级数值在1-254之间，则将该数值及虚拟链路的标识号VL ID传输给虚拟链路配置信息单元(03)而进行存储，并由虚拟链路配置信息单元(03)更新虚拟链路信用配置表中对应虚拟链路的标识号VLID的安全关键等级SafeLevel；同时将解析获得的数据帧长度Framesize传送给信用计算单元(04)；
步骤3)信用计算单元(04)依据虚拟链路配置信息单元(03)存储的信息针对各虚拟链路进行可用信用值计算，并对帧解析单元(02)传送的数据帧长度Framesize大于可用信用值的有效数据帧进行过滤，由此对数据流量进行管控；然后将数据帧长度Framesize小于可用信用值的有效数据帧传输给流量管制单元(05)，同时更新虚拟链路信用配置表中的数据；
步骤4)流量管制单元(05)将管控后的数据流量按照路由配置表通过数据发送端口(06)进行有效数据帧转发。
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