Полнодуплексный коммутируемый Ethernet для авионики

Avionics Full-Duplex Switched Ethernet ( AFDX ), также ARINC 664 , представляет собой сеть передачи данных, запатентованную международным производителем самолетов Airbus , для критически важных для безопасности приложений, которые используют выделенную полосу пропускания, обеспечивая при этом детерминированное качество обслуживания (QoS). AFDX — зарегистрированная во всем мире торговая марка Airbus. Сеть передачи данных AFDX основана на Ethernet технологии с использованием готовых коммерческих компонентов (COTS). Сеть передачи данных AFDX представляет собой конкретную реализацию спецификации ARINC 664, часть 7, профилированной версии сети IEEE 802.3 в частях 1 и 2, которая определяет, как коммерческие готовые сетевые компоненты будут использоваться для сетей передачи данных самолетов будущего поколения ( ВОПОГ). Шесть основных аспектов сети передачи данных AFDX включают полнодуплексный режим , резервирование, детерминизм, высокую скорость, коммутируемую и профилированную сеть.

История

Многие коммерческие самолеты используют стандарт ARINC 429, разработанный в 1977 году для приложений, критически важных для безопасности. ARINC 429 использует однонаправленную шину с одним передатчиком и до двадцати приемников. Слово данных состоит из 32 битов, передаваемых по витой паре с использованием биполярной модуляции с возвратом к нулю. Существует две скорости передачи: высокая скорость — 100 кбит/с и низкая скорость — 12,5 кбит/с. ARINC 429 работает таким образом, что его единственный передатчик осуществляет связь по двухточечному соединению, что требует значительного количества проводов, что приводит к увеличению веса.

Другой стандарт, ARINC 629 , представленный компанией Boeing для 777, обеспечивал повышенную скорость передачи данных до 2 Мбит/с и позволял использовать максимум 120 терминалов передачи данных. Этот ADN работает без использования контроллера шины, тем самым повышая надежность сетевой архитектуры. Недостаток заключается в том, что для этого требуется специальное оборудование, которое может значительно увеличить стоимость самолета. Из-за этого другие производители не приняли открыто стандарт ARINC 629.

AFDX был разработан как сеть передачи данных для самолетов следующего поколения. Основанный на стандартах комитета IEEE 802.3 (широко известный как Ethernet ) позволяет коммерческому готовому оборудованию сократить затраты и время разработки. AFDX — это одна из реализаций детерминированного Ethernet, определенная спецификацией ARINC 664, часть 7. AFDX был разработан Airbus Industries для самолета A380, первоначально для решения проблем в реальном времени при разработке системы дистанционного управления . Несколько коммутаторов могут быть соединены мостом в каскадную звездообразную топологию . Этот тип сети может значительно уменьшить длину проводов и, следовательно, вес самолета. Кроме того, AFDX может обеспечить качество обслуживания и двойное резервирование каналов.

Опираясь на опыт A380, Airbus A350 также использует сеть AFDX с авионикой и системами, поставляемыми Rockwell Collins . AFDX с использованием оптоволоконных, а не медных межсоединений используется в Boeing 787 Dreamliner .

Airbus и ее материнская компания EADS предоставили лицензии AFDX в рамках инициативы по лицензированию технологий EADS, включая соглашения с Selex ES. и векторная информатика ГмбХ.

Обзор

AFDX принял такие концепции, как корзина токенов из телекоммуникационных стандартов, асинхронный режим передачи (ATM), чтобы исправить недостатки IEEE 802.3 Ethernet. Путем добавления ключевых элементов ATM к уже имеющимся в Ethernet и ограничения спецификации различных опций создается высоконадежная полнодуплексная детерминированная сеть, обеспечивающая гарантированную пропускную способность и качество обслуживания (QoS). Благодаря использованию полнодуплексного Ethernet исключается возможность коллизий при передаче. Сеть спроектирована таким образом, что всему критически важному трафику присваивается приоритет с использованием политик QoS, поэтому доставка, задержка и джиттер гарантированно находятся в пределах заданных параметров. Высокоинтеллектуальный коммутатор, общий для сети AFDX, способен буферизовать передачи и приема пакеты . Благодаря использованию витой пары или оптоволоконных кабелей полнодуплексный Ethernet использует две отдельные пары или жилы для передачи и приема данных. AFDX расширяет стандарт Ethernet, обеспечивая высокую целостность данных и детерминированную синхронизацию. Кроме того, для улучшения целостности системы используется резервная пара сетей (хотя виртуальный канал может быть настроен на использование только одной или другой сети). Он определяет совместимые функциональные элементы на следующих уровнях эталонной модели OSI :

• Канал передачи данных ( концепция адресации MAC и виртуального канала);
• Сеть ( IP и ICMP );
• Транспорт ( UDP и опционально TCP )
• Приложение (сеть) (выборка, организация очереди, SAP , TFTP и SNMP ).

Основными элементами сети AFDX являются:

• Конечные системы AFDX
• Переключатели AFDX
• Ссылки AFDX

Виртуальные ссылки

Центральной особенностью сети AFDX являются ее виртуальные каналы (VL). В одной абстракции можно визуализировать VL как сеть в стиле ARINC 429, каждая с одним источником и одним или несколькими пунктами назначения. Виртуальные каналы представляют собой однонаправленные логические пути от исходной конечной системы ко всем конечным системам назначения. В отличие от традиционного коммутатора Ethernet, который переключает кадры на основе адреса назначения Ethernet или MAC-адреса, AFDX маршрутизирует пакеты с использованием идентификатора виртуального канала, который передается в той же позиции в кадре AFDX, что и MAC-адрес назначения в кадре Ethernet. Однако в случае AFDX этот идентификатор виртуального канала идентифицирует передаваемые данные, а не физический пункт назначения. Идентификатор виртуального канала представляет собой 16-битное целое число без знака , которое следует за постоянным 32-битным полем. Коммутаторы предназначены для маршрутизации входящего кадра от одной и только одной конечной системы к заранее определенному набору конечных систем. К каждому виртуальному каналу может быть подключена одна или несколько принимающих конечных систем. Каждому виртуальному каналу выделяется выделенная полоса пропускания [сумма всех пропусков пропускной способности VL (BAG) x MTU ] с общей пропускной способностью, определенной системным интегратором. Однако общая пропускная способность не может превышать максимально доступную пропускную способность сети. Поэтому двунаправленная связь должна требовать спецификации дополнительного VL.

Каждый VL заморожен в спецификации, чтобы гарантировать, что сеть имеет заданный максимальный трафик, следовательно, детерминированность. Кроме того, коммутатор, имеющий загруженную таблицу конфигурации VL, может отклонить любую ошибочную передачу данных, которая в противном случае может заглушить другие ветви сети. Кроме того, могут существовать субвиртуальные каналы (суб-VL), предназначенные для передачи менее важных данных. Субвиртуальные ссылки назначаются конкретному виртуальному каналу. Данные считываются в циклической последовательности между виртуальными каналами передачи данных. Кроме того, субвиртуальные каналы не обеспечивают гарантированную пропускную способность или задержку из-за буферизации, но AFDX указывает, что задержка в любом случае измеряется функцией регулятора трафика.

Стоимость СУМКИ

BAG означает разрыв в распределении пропускной способности, это одна из основных особенностей протокола AFDX. Это максимальная скорость передачи данных, и она гарантированно будет отправлена ​​с этим интервалом. При настройке скорости BAG для каждой VL необходимо позаботиться о том, чтобы пропускной способности было достаточно для других VL, а общая скорость не могла превышать 100 Мбит/с.

Переключение виртуальных каналов

Каждый коммутатор имеет функции фильтрации, контроля и пересылки, которые должны быть в состоянии обрабатывать не менее 4096 VL. Таким образом, в сети с несколькими коммутаторами (каскадная звездообразная топология) общее количество виртуальных каналов практически безгранично. Не существует определенного ограничения на количество виртуальных каналов, которые может обрабатывать каждая конечная система, хотя это будет определяться скоростями BAG и максимальным размером кадра, указанными для каждого VL, в зависимости от скорости передачи данных Ethernet. Однако количество суб-VL, которые можно создать в одном виртуальном канале, ограничено четырьмя. Коммутатор также должен быть неблокирующим на скоростях передачи данных, указанных системным интегратором, и на практике это может означать, что коммутатор должен иметь коммутационную способность, равную сумме всех его физических портов.

Поскольку AFDX использует протокол Ethernet на уровне MAC, можно использовать высокопроизводительные коммутаторы COTS с маршрутизацией уровня 2 в качестве коммутаторов AFDX для целей тестирования в качестве меры по сокращению затрат. Однако некоторые функции реального коммутатора AFDX могут отсутствовать, например, функции контроля трафика и резервирования.

Использование

Автобус AFDX используется в Airbus A380 , Boeing 787 , Airbus A400M , Airbus A350 , Sukhoi Superjet 100 , ATR 42 , ATR 72 (-600), AgustaWestland AW101 , AgustaWestland AW189 , AgustaWestland AW169 , Irkut MC-2 , Bombardier Global . Экспресс, Bombardier CSeries , Learjet 85 , Comac ARJ21 , Comac C919 и AgustaWestland AW149 .

Внешние ссылки

• AFDX/ARINC664P7 Решения для шины данных AIM Avionics, интерфейсные платы для AFDX/ARINC-664
• PBA.pro-AFDX Решения для шины данных AIM Avionics, анализаторы для AFDX/ARINC-664 и др.
• Обучение AFDX от AIM Avionics Databus Solutions, интерфейсные платы для AFDX/ARINC-664
• Goebel AFDX от Mercury Instruments, Inc. Решение для моделирования и проверки ARINC664/AFDX.
• Учебное пособие по ARINC-664, часть 7 (AFDX) (видео) от Excalibur Systems Inc.
• Эмбвю AFDX | Аринк 664 от Embvue
• Учебное пособие по AFDX/ARINC 664 от GE Intelligent Platforms
• AFDX Suite - AFDX Tools - программное решение для удобного анализа и моделирования систем AFDX (EC Comp GmbH)
• Avionics Ethernet Data Xplorer ARINC-664P7 Simulyzer — Программное обеспечение для мониторинга, моделирования и тестирования систем ARINC-664P7/AFDX (MHZ Solutions)
• Структура кадра данных AFDX SID (MHZ Solutions)