AFDX-TAP設(shè)備研究與實(shí)現(xiàn)

摘要 提出了一種串聯(lián)植入式的AFDX網(wǎng)絡(luò)TAP設(shè)備實(shí)現(xiàn)方法，從AFDX組網(wǎng)方式分析驗(yàn)證該TAP設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)的透明監(jiān)測(cè)，并針對(duì)這種實(shí)現(xiàn)方式，提出軟硬件解決方案，驗(yàn)證了該串聯(lián)植入方式的TAP設(shè)備，可以有效地監(jiān)測(cè)AFDX網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)和測(cè)試航空交換式以太網(wǎng)的可靠性與穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞 交換式以太網(wǎng)；測(cè)試接入點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)

    航空全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full PuplexSwitched Ethernet，AFDX)通過采用電信標(biāo)準(zhǔn)的異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)概念來解決IEEE802．3以太網(wǎng)的缺陷，以冗余網(wǎng)絡(luò)的形式提供了比單通道設(shè)計(jì)具有更高的可靠性，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在?shí)時(shí)性方面得到了改進(jìn)，更好地適應(yīng)于航空電子的需求。AFDX網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)封閉的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示AFDX網(wǎng)絡(luò)主要由端系統(tǒng)(End-System)、交換機(jī)(Switch)以及傳輸鏈路(Link)組成。每一個(gè)端系統(tǒng)有一條直接的雙向鏈路連到交換機(jī)，另外端系統(tǒng)還有一條雙向鏈路連接到另一臺(tái)交換機(jī)以保證冗余的通信鏈路。這種交換式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保證了端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通路以及帶寬，使所有數(shù)據(jù)以一種確定性的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。
    測(cè)試是航空系統(tǒng)集成過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，掌握航空系統(tǒng)每個(gè)單獨(dú)模塊以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在正常工作或出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤時(shí)所表現(xiàn)的特征是重要的。航空交換式以太網(wǎng)為確保網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)及時(shí)的傳送以及數(shù)據(jù)的完整性，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行測(cè)試。AFDX網(wǎng)絡(luò)TAP(Test Access Point)是AFDX網(wǎng)絡(luò)測(cè)試過程中的重要設(shè)備。AFDX網(wǎng)絡(luò)TAP在傳統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，需要測(cè)試AFDX網(wǎng)絡(luò)的確定性、容錯(cuò)性、可靠性等。

1 AFDXTAP設(shè)備功能分析
    傳統(tǒng)以太網(wǎng)TAP方式是將TAP設(shè)備植入到以太網(wǎng)中，一方面TAP設(shè)備的植入對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信無影響，另一方面，TAP設(shè)備將以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)“復(fù)制”，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)；傳統(tǒng)以太網(wǎng)TAP卡可以永久植入到以太網(wǎng)中，也可以根據(jù)需要臨時(shí)串接，TAP設(shè)備對(duì)以太網(wǎng)無影響。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)TAP設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)、捕獲功能。
    AFDX網(wǎng)絡(luò)由于其應(yīng)用場(chǎng)景以及實(shí)現(xiàn)方式的特殊性，除了保證實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)和捕獲功能、TAP設(shè)備的植入對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信無影響等傳統(tǒng)以太網(wǎng)TAP設(shè)備具有的功能外，網(wǎng)絡(luò)可靠性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性以及組網(wǎng)合理性等AFDX網(wǎng)絡(luò)重要的特點(diǎn)應(yīng)該得到測(cè)試驗(yàn)證。
    有些芯片中，通過IEEE1149．1規(guī)定的接口作為芯片的TAP，在儲(chǔ)如此類的芯片中，JTAG通常具有掃描芯片、測(cè)試等多種功能；在AFDX網(wǎng)絡(luò)中，TAP設(shè)備可以具有JTAG相類似的功能，可以掃描AFDX網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)AFDX網(wǎng)絡(luò)具有多少ES節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)等，另外通過拓?fù)鋻呙杩梢灾悄芘袆eAFDX組網(wǎng)是否具有物理上的冗余網(wǎng)絡(luò)，以驗(yàn)證AFDX網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的正確性與合理性。
    容錯(cuò)性是AFDX網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要功能，檢查網(wǎng)絡(luò)對(duì)錯(cuò)誤的反應(yīng)和錯(cuò)誤容限是AFDX網(wǎng)絡(luò)測(cè)試過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)；TAP卡作為AFDX網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，應(yīng)該具有對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性能的測(cè)試。容錯(cuò)性的測(cè)試包括對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)通信的錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)和AFDX網(wǎng)絡(luò)對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀的響應(yīng)；冗余鏈路數(shù)據(jù)幀的捕獲、解析可以監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)上錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀；另外，TAP設(shè)備應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤注入功能，錯(cuò)誤注入包括幀級(jí)的錯(cuò)誤注入、錯(cuò)誤的虛擬鏈路ID、錯(cuò)誤的幀序列。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)的不同錯(cuò)誤注入測(cè)試AFDX網(wǎng)絡(luò)對(duì)錯(cuò)誤注入的響應(yīng)，以測(cè)試AFDX網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性能。
    根據(jù)前述分析，TAP設(shè)備至少具有AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的捕獲與解析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)鏈路的建立、冗余鏈路管理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋻呙璧裙δ堋?br />
2 一種串聯(lián)植入式的AFDXTAP設(shè)備
    由圖1可知，AFDX網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)復(fù)雜，端系統(tǒng)(ES)和交換機(jī)(SW)是AFDX網(wǎng)絡(luò)重要的組成部分，TAP端口放在端系統(tǒng)與交換機(jī)之間可以有效監(jiān)測(cè)兩者之間的通信鏈路，兩種設(shè)備的工作狀態(tài)。在端系統(tǒng)與交換機(jī)之間放置TAP設(shè)備是AFDX組網(wǎng)的理想選擇。TAP設(shè)備可以串聯(lián)植入到AFDX網(wǎng)絡(luò)中，圖2所示為將TAP設(shè)備植入到典型的AFDX網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

    圖2所示的組網(wǎng)形式，TAP設(shè)備串聯(lián)植入到AFDX網(wǎng)絡(luò)中，這種方式TAP設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)與端系統(tǒng)之間的透明數(shù)據(jù)通路，即TAP設(shè)備可以認(rèn)為是一個(gè)“中繼器”，這樣AFDX網(wǎng)絡(luò)的工作無任何影響。這個(gè)結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)與端系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)捕獲，進(jìn)而監(jiān)測(cè)AFDX網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。TAP設(shè)備可以在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過程中對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)注入錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤注入可以在AFDX網(wǎng)絡(luò)的物理層、鏈路層、協(xié)議層，不同層面的錯(cuò)誤注入可以測(cè)量AFDX網(wǎng)絡(luò)不同層次容錯(cuò)性能。另外TAP設(shè)備可以觸發(fā)數(shù)據(jù)的虛擬鏈路，通過發(fā)起的虛擬鏈路以及自身的響應(yīng)可以自動(dòng)識(shí)別整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 串聯(lián)植入方式的TAP設(shè)備實(shí)現(xiàn)
    數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是AFDX-TAP設(shè)備最重要的功能特征，另外數(shù)據(jù)采集是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成監(jiān)測(cè)的主要實(shí)現(xiàn)過程，從實(shí)現(xiàn)的角度來說，數(shù)據(jù)的處理較為靈活。在數(shù)據(jù)處理中，控制電路要實(shí)現(xiàn)端系統(tǒng)和交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，還可以獨(dú)立的完成數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，這個(gè)電路結(jié)構(gòu)在FPGA中實(shí)現(xiàn)比較合適。圖3是一種串聯(lián)植入方式的AFDX-TAP設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)方案。AFDX總線為全雙工冗余網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議規(guī)定沒路的數(shù)據(jù)帶寬為10／100 Mbit·s-1，對(duì)于TAP設(shè)備，若實(shí)現(xiàn)全雙工冗余鏈路的數(shù)據(jù)捕獲，則TAP設(shè)備與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)帶寬要滿足≤100 Mbit·s-1x2×2=400 Mbit·s-1；設(shè)計(jì)選用USB2．0作為TAP設(shè)備與上位機(jī)之間的通信接口，理論最大速率可達(dá)480 Mbit·s-1，滿足設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)帶寬的需求。在設(shè)計(jì)中，使用FPGA作為數(shù)據(jù)處理的核心器件，可以靈活處理數(shù)據(jù)流的傳送方式。在監(jiān)測(cè)模式下，端系統(tǒng)與交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)鏈路經(jīng)過TAP設(shè)備的PHY芯片進(jìn)入FPGA，在FGPA內(nèi)部，MII的數(shù)據(jù)鏈路一方面不經(jīng)過MAC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；另一方面，數(shù)據(jù)送至MAC，MAC將數(shù)據(jù)解析打包后送至TAP設(shè)備數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等待USB將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)；傳送至上位機(jī)的數(shù)據(jù)幀為簡(jiǎn)單處理的數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后還需進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析以達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的目的。另外，TAP設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的錯(cuò)誤注入，ES與交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)，TAP設(shè)備捕獲后，在數(shù)據(jù)幀中注入不同等級(jí)的錯(cuò)誤，如數(shù)據(jù)幀的CRC錯(cuò)誤、幀大小錯(cuò)誤等，通過MAC將數(shù)據(jù)幀發(fā)送，進(jìn)而可以觀察AFDX網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的響應(yīng)，從而達(dá)到對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力的測(cè)試。

    根據(jù)TAP設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控AFDX網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)，上位機(jī)軟件通過USB接口接收AFDX數(shù)據(jù)幀，并對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解析，通過數(shù)據(jù)解析只能分析AFDX網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳送情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)需求對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)解析，以對(duì)AFDX各方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。上位機(jī)軟件可以把解析AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重新打包，通過USB接口快速傳送至TAP設(shè)備，TAP設(shè)備按照上位機(jī)的指示對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤注入，進(jìn)而達(dá)到對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤容錯(cuò)能力的測(cè)試。圖4為TAP設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)界面。圖5為TAP設(shè)備監(jiān)測(cè)AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的界面。

4 結(jié)束語
    在傳統(tǒng)以太網(wǎng)TAP設(shè)備的基礎(chǔ)上，研究了AFDX網(wǎng)絡(luò)TAP設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)完成的功能，討論了AFDX-TAP應(yīng)在AFDX監(jiān)控測(cè)試中所承擔(dān)的任務(wù)，基于提出的問題，設(shè)計(jì)了一種串聯(lián)植入方式的AFDX網(wǎng)絡(luò)TAP設(shè)備，并證明，這種TAP設(shè)備可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)可靠性、確定性、容錯(cuò)性等各種功能的監(jiān)測(cè)。