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(1.清華大學(xué),北京 100083; 2.北京旋極信息技術(shù)股份有限公司,北京 100094)
AFDX是一種具備高可靠性,傳輸時間確定性和實時性等優(yōu)點的總線,目前速率支持為10 Mbps,100 Mbps兩種。它充分利用商用以太網(wǎng)技術(shù)的成熟度,通過控制不同虛擬鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率的方式提高了總線的實時性,通過完整性校驗、冗余管理技術(shù)實現(xiàn)了總線傳輸?shù)母呖煽啃裕ㄟ^使用固定配置表的模式實現(xiàn)傳輸路徑的確定性,通過采用全雙工交換機、異步傳輸模式等方法來減少總線競爭。以上技術(shù)極大地提升了AFDX總線在航空電子系統(tǒng)通信應(yīng)用中的性能。
AFDX網(wǎng)絡(luò)由端系統(tǒng)、交換機、虛擬鏈路組成,采用雙冗余星型拓撲結(jié)構(gòu),終端之間通過虛鏈路交換數(shù)據(jù)。虛鏈路定義了一條消息的源地址和目的地址,其中源地址只有一個,每一個虛鏈路都有自己的帶寬。虛鏈路是AFDX網(wǎng)絡(luò)的通信基礎(chǔ),在系統(tǒng)中端系統(tǒng)通過虛鏈路進行數(shù)據(jù)幀的交換。
本文將重點闡述AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試系統(tǒng)的測試方法、實現(xiàn)方式和驗證平臺。本文將對AFDX網(wǎng)絡(luò)的主要特點進行說明,并對測試中使用的數(shù)據(jù)收發(fā),網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和故障注入等測試方式進行深入介紹。本文同時將對網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備系統(tǒng)的組建和測試實現(xiàn)進行詳細說明。
作為一款高性能的航空總線,AFDX主要具備以下特點,高實時性,完整性檢查,冗余管理和網(wǎng)絡(luò)拓撲確定性。
高實時性在于AFDX定義了一種基于時間片的虛擬鏈路傳輸模式,每一條虛擬鏈路的最大傳輸帶寬是確定的,同時虛擬鏈路的最小時間片可以達到1 ms,充分保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。
虛擬鏈路VL速度計算公式:Speed = Lmax/BAG,其中Speed代表虛擬鏈路VL的最大傳輸速度,Lmax 表示該虛擬鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的最大字節(jié)數(shù),BAG表示該數(shù)據(jù)幀的BAG值,以上數(shù)值在組網(wǎng)時確定。
圖1 數(shù)據(jù)包發(fā)送調(diào)度過程
圖2 VL 參數(shù)BAG和Jitter
根據(jù)ARINC 664 Part7協(xié)議的要求,VL的BAG要求為:1、2、4、8、16、32、64、128 ms之中的一個值。
控制抖動Jitter的要求為:
注:Nbw=100 M bits/s(或者10 M bits/s),該參數(shù)與物理網(wǎng)速有關(guān)。
AFDX網(wǎng)絡(luò)的高穩(wěn)定性主要通過冗余網(wǎng)絡(luò)保證,AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可以同時通過兩個交換網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸,通過冗余管理協(xié)議實現(xiàn)冗余數(shù)據(jù)剔除。冗余備份模式在航電領(lǐng)域使用廣泛,AFDX網(wǎng)絡(luò)引入冗余管理極大地提高了總線的穩(wěn)定性。
圖3 接收管理模塊主要工作模型
1.2.1 完整性檢查
完整性檢查是根據(jù)每一個虛擬鏈路接收到的數(shù)據(jù)幀的連續(xù)進行檢查。AFDX協(xié)議規(guī)定,每一個虛擬鏈路發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的序號必須是連續(xù)的,從1到255進行循環(huán)(復(fù)位后的第一個數(shù)據(jù)幀序號為0,循環(huán)模式為0->1->…->255->1->…)。
幀序列號在[PSN+1,PSN+2](PSN:Previous Frame SN,前一個數(shù)據(jù)幀的幀序列號)這個區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)幀都被接收,也即當前一個數(shù)據(jù)幀收到的為PSN,那么下一個收到的數(shù)據(jù)幀應(yīng)該是PSN+1,如果收到PSN+2則認為是PSN+1這個數(shù)據(jù)幀丟失,否則則認為收到的為錯誤數(shù)據(jù)幀。
每次檢查的都是上一次收到的數(shù)據(jù)幀的幀序號,無論該數(shù)據(jù)幀是否通過完整性檢查幀。序號為0的數(shù)據(jù)幀必須被接收。在本地復(fù)位邏輯發(fā)生后的第一個接收到的數(shù)據(jù)幀要被接收。
1.2.2 冗余管理
在AFDX協(xié)議中,為了增強通信的穩(wěn)定性,協(xié)議中通過增加冗余通路方式實現(xiàn)通信的高穩(wěn)定性。冗余管理的主要工作是根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包的Sequence Number和通道編號進行冗余管理。將符合要求的數(shù)據(jù)包整理存儲,然后上傳到應(yīng)用層。
1)冗余管理是針對每一個VL;
2)冗余管理部分可以通過配置表項選擇關(guān)閉或開啟;
3)冗余管理工作必須建立在完整性檢查之后;
4)冗余管理的基本規(guī)則是“先到先收”。所謂先到先收就是,對A,B兩個通道收到的數(shù)據(jù)包,先收到的數(shù)據(jù)包被接收存儲,后收到的數(shù)據(jù)包被丟棄。
接收部分冗余規(guī)則處理:
1)冗余管理只存區(qū)間[SN - SkewMax/BAG, SN]外的數(shù)據(jù)幀,也即如果SkewMax=5 ms,BAG=1 ms,rn=7,那么區(qū)間為[2,7]也即如果下面收到的數(shù)據(jù)幀序列號為2~7中的任意一個都不被接收。
2)如果某時刻接收到的數(shù)據(jù)幀與接收到的上一個數(shù)據(jù)幀的時間差超過了SkewMax,那么接下來的數(shù)據(jù)幀需要被接收。
1.2.3 確定性網(wǎng)絡(luò)
AFDX 網(wǎng)絡(luò)主要由端系統(tǒng)和交換機組成,信息交互方式由端系統(tǒng)-端系統(tǒng),端系統(tǒng)-交換機-端系統(tǒng)兩種方式組成。在每次組網(wǎng)時,AFDX網(wǎng)絡(luò)中所有虛擬鏈路必須是確定的,也即系統(tǒng)中每個端系統(tǒng)之間的通信鏈路是確定的,每個通信鏈路的帶寬以及相應(yīng)的通信端口也是確定的。確定性的網(wǎng)絡(luò)配置充分保障了AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實時性,穩(wěn)定性以及延時的確定性,進而保障數(shù)據(jù)可靠有效地進行傳輸。
AFDX 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試的主要內(nèi)容如下:
1) AFDX 終端節(jié)點通信測試;
2) AFDX 終端節(jié)點通信性能測試;
3) AFDX 交換機性能測試。
測試方法:
1) 通信測試:通過標準測試設(shè)備對被測AFDX端點進行測試,測試通信能力。
2) 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控:通過監(jiān)測設(shè)備對每一個網(wǎng)絡(luò)通信端口的數(shù)據(jù)以及相關(guān)的時間參數(shù)進行分析,評測網(wǎng)絡(luò)性能。
3) 故障注入:注入定向的錯誤信息對網(wǎng)絡(luò)進行測試。
2.1.1 數(shù)據(jù)發(fā)送
數(shù)據(jù)產(chǎn)生是指測試設(shè)備可以按照端系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送標準生成標準AFDX數(shù)據(jù)幀。測試設(shè)備利用標準數(shù)據(jù)幀對系統(tǒng)通信性能進行功能和性能方面的測試。主要的測試手段列舉如下:
1)通信數(shù)據(jù)驗證:利用隨機數(shù)據(jù)生成的方式生成標準AFDX數(shù)據(jù)幀對端系統(tǒng)的通信正確性進行驗證;
2)滿負載測試:生成10 Mbps的AFDX網(wǎng)絡(luò)進行滿負載測試,驗證被測端設(shè)備是否具備進行滿負載通信的能力。生成100 Mbps的AFDX網(wǎng)絡(luò)進行滿負載測試,驗證被測端設(shè)備是否具備進行滿負載通信的能力;
3)超小包滿負載測試:通過超小包數(shù)據(jù)幀間隔較小的方式驗證AFDX端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力;
4)UDP協(xié)議測試:數(shù)據(jù)包生成,測試被測端系統(tǒng)處理UDP格式數(shù)據(jù)的能力;
5)ICMP協(xié)議測試:數(shù)據(jù)包生成,測試被測端系統(tǒng)處理ICMP格式數(shù)據(jù)的能力。
2.1.2 數(shù)據(jù)接收
數(shù)據(jù)接收是指測試設(shè)備具備接收待測設(shè)備端系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。通過對接收數(shù)據(jù)的每一個數(shù)據(jù)幀進行的完整性,冗余性,數(shù)據(jù)CRC,幀長度錯誤,半字節(jié)數(shù)據(jù)進行有效識別,進而對待測設(shè)備端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送能力和發(fā)送協(xié)議完整性進行測試評估。
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主要目的是通過對網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控完成對AFDX網(wǎng)絡(luò)的功能和性能的分析和評估。該功能主要用于對整個網(wǎng)絡(luò)的負載,交換機處理延時,每個虛擬鏈路傳輸過程中的數(shù)據(jù)幀間隔的穩(wěn)定性、完整性進行有效分析和評估。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能需要通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀,并對數(shù)據(jù)幀進行時間和狀態(tài)進行標注。
1)端系統(tǒng)評估:通過對網(wǎng)絡(luò)中每個數(shù)據(jù)幀的狀態(tài)進行分析可以判斷每個端系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送功能是否正確。通過對一個虛擬鏈路上的多個數(shù)據(jù)幀的監(jiān)控分析,可以評估該虛擬鏈路調(diào)度能力是否滿足協(xié)議要求,進而判斷該虛擬鏈路所在端系統(tǒng)是否滿足設(shè)計指標。
2)交換機性能評估:通過對經(jīng)過交換機的多個虛擬鏈路的數(shù)據(jù)幀的時間差進行分析,可以評估交換機的交換延時。
3)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)評估:通過對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中監(jiān)控到的所有數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息進行綜合評估可以分析網(wǎng)絡(luò)中的錯誤狀態(tài),鏈路負載等綜合信息。進而評估整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
根據(jù)AFDX網(wǎng)絡(luò)的層級,對屬于不同層級的故障進行有效地注入,通過逆向的方式判斷每個端系統(tǒng)和交換機的數(shù)據(jù)接收檢錯能力,每個虛擬鏈路的完整性,冗余管理校驗的能力,以及每個數(shù)據(jù)接收端的魯棒性。主要的注入錯誤如下。
1)數(shù)據(jù)錯誤:通過修改網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù),注入數(shù)據(jù)錯誤,用于驗證端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收和檢錯能力。
2)完整性錯誤:通過修改網(wǎng)絡(luò)中某特定虛擬鏈路的完整性相關(guān)字段,用于驗證端系統(tǒng)的完整性校驗?zāi)芰Α?/p>
3)抖動延時注入:通過對網(wǎng)絡(luò)中某特定虛擬鏈路的部分數(shù)據(jù)幀人為加入延時,驗證接收端對于虛擬鏈路數(shù)據(jù)幀間隔抖動的處理能力。
4)物理斷路:通過將網(wǎng)絡(luò)物理斷路實現(xiàn)模擬網(wǎng)絡(luò)斷路的故障以及網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定的故障。
圖4 故障注入示例
如圖4所示為一種修改前導(dǎo)碼的故障注入功能,通過將前導(dǎo)碼(0xAA)的數(shù)量由7個修改為5個,測試接收端對短前導(dǎo)碼數(shù)據(jù)幀的容錯能力,進而驗證接收設(shè)備的魯棒性。
系統(tǒng)時標是指對經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)每一個數(shù)據(jù)幀的時間進行標注。數(shù)據(jù)幀時間標志主要用于對AFDX網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵參數(shù),虛擬鏈路的實時性和交換機的交換延時進行有效評估??梢姅?shù)據(jù)幀時間標志對于一個實時系統(tǒng)進行評估的重要性。時標的同步能力和時標精度是系統(tǒng)時標技術(shù)的關(guān)鍵。時間同步能力保障當前網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所有的采集設(shè)備是基于同一個時間標準對數(shù)據(jù)幀進行時間標注。高精度的時間標注用于保障數(shù)據(jù)幀時標測量的準確度。
本方案中采用一種光纖時鐘同步技術(shù)保障該系統(tǒng)每個采集節(jié)點的基準時間和時鐘的一致性。該系統(tǒng)提供64位,精度為10 ns的時標對系統(tǒng)中的每個數(shù)據(jù)幀進行標注。
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備作為一個串接設(shè)備串接在網(wǎng)絡(luò)中,每個物理鏈路的數(shù)據(jù)幀都要通過采集設(shè)備。采集設(shè)備的延時大小和延時穩(wěn)定性將直接影響每個虛擬鏈路的實時性和完整性等參數(shù),所以必須嚴格控制數(shù)據(jù)幀通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備的延時。
本方案使用兩種方式控制數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備的延時。
1)零延時模式: 零延時模式是通過旁路物理信號的方式得到網(wǎng)絡(luò)信號,盡力地減少旁路信號的能量,減少對主鏈路的影響。從而實現(xiàn)信號經(jīng)過采集設(shè)備0延時。
2)固定延時模式: 固定延時模式目的是為了滿足設(shè)備進行故障注入的需求,如果需要對網(wǎng)絡(luò)進行故障注入,就必須讓數(shù)據(jù)幀通過監(jiān)控設(shè)備,所以就做不到零延時。本方案使用軟件可配置的固定延時的方式,實現(xiàn)AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備延時固定。
圖5 AFDX 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試要求,AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試方案主要通過數(shù)據(jù)激勵,網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,故障注入功能實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測試。方案通過采用由AFDX網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備,中央數(shù)據(jù)處理設(shè)備組成硬件系統(tǒng)和由數(shù)據(jù)激勵模塊,網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊和故障注入模塊組成軟件系統(tǒng)實現(xiàn)AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試。
中央數(shù)據(jù)處理設(shè)備負責(zé)運行數(shù)據(jù)激勵、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和故障注入,將模塊產(chǎn)生的控制命令和數(shù)據(jù)信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備通過配置命令完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)收發(fā),網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和故障注入功能。
數(shù)據(jù)激勵模塊負責(zé)產(chǎn)生不同測試環(huán)境下的激勵數(shù)據(jù),并將激勵數(shù)據(jù)配置到網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備中對終端或者交換機進行測試。通過配置不同的測試激勵測試AFDX終端在不同情況下的數(shù)據(jù)接收能力。數(shù)據(jù)激勵模塊生成的數(shù)據(jù)同時用于交換機的交換性能測試。
數(shù)據(jù)激勵模塊將生產(chǎn)的激勵數(shù)據(jù)和發(fā)送策略通過中央數(shù)據(jù)處理設(shè)備發(fā)送到AFDX網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備,AFDX網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備根據(jù)配置策略將數(shù)據(jù)發(fā)送到AFDX網(wǎng)絡(luò)完成測試。
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主要由3個部分組成:數(shù)據(jù)幀監(jiān)控,虛鏈路時序監(jiān)控,網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控。通過對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)控可以分析AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送功能,每一個虛鏈路的性能,交換機的交換延時以及整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的負載等參數(shù)實現(xiàn)AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)評估。
AFDX網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備負責(zé)對AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行采集,并對每個數(shù)據(jù)幀進行時標標注和狀態(tài)標注。時標標注用于標注每個數(shù)據(jù)幀的時間信息,狀態(tài)標注用于標注數(shù)據(jù)幀的狀態(tài),如是否發(fā)生錯誤,錯誤狀態(tài)等信息。同時網(wǎng)絡(luò)采集設(shè)備還負責(zé)采集所在網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息,如網(wǎng)絡(luò)鏈路平均速度,最高速度,最低速度,每個VL的鏈路速度以及整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)生的錯誤狀態(tài)等信息。
中央數(shù)據(jù)處理設(shè)備負責(zé)收集各個網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備的監(jiān)控數(shù)據(jù),并使用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊對AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行評估。
4.2.1 數(shù)據(jù)幀監(jiān)控
如圖6所示,網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊將個網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備采集的數(shù)據(jù)幀載入到數(shù)據(jù)幀分析模塊中實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀監(jiān)控。通過將網(wǎng)絡(luò)拓撲的樹形結(jié)構(gòu)和監(jiān)控數(shù)據(jù)的對應(yīng),可以對不同虛擬鏈路的數(shù)據(jù)幀進行查看。對于錯誤數(shù)據(jù),監(jiān)控軟件會對相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀標注不同的顏色以區(qū)分正常數(shù)據(jù)幀。
4.2.2 虛鏈路時序監(jiān)控
數(shù)據(jù)幀時序分析主要用于對不同虛擬鏈路的的時序進行分析。通過使用該功能可以分析每個虛擬鏈路的實時性和完整性,進而判斷是否滿足設(shè)計要求。同時該功能也可以通過分析每個虛擬鏈路經(jīng)過交換機的延時對交換機的交換性能進行評測。
圖7 虛鏈路時序監(jiān)控
4.2.3 狀態(tài)統(tǒng)計
狀態(tài)統(tǒng)計功能主要包含每個AFDX網(wǎng)絡(luò)的實時網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)速率,每個虛擬鏈路實時數(shù)據(jù)收發(fā)的速率、最大速率,每個虛擬鏈路收發(fā)數(shù)據(jù)幀數(shù)量,總傳輸字節(jié)數(shù),錯誤數(shù)等信息。測試系統(tǒng)通過對以上信息的統(tǒng)計進行AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能評估。
故障注入中,故障注入模塊負責(zé)根據(jù)不同的測試需求配置不同的故障注入策略,中央數(shù)據(jù)處理設(shè)備負責(zé)將故障注入模塊產(chǎn)生的故障注入策略下發(fā)到AFDX網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備,AFDX網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備負責(zé)根據(jù)故障注入策略執(zhí)行相應(yīng)的故障注入功能。
故障注入模塊實現(xiàn)兩個功能,主動發(fā)送故障數(shù)據(jù)和對網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀進行故障注入。根據(jù)AFDX網(wǎng)絡(luò)的層級,對屬于不同層級的故障進行有效地注入,通過逆向的方式判斷每個端系統(tǒng)和交換機的數(shù)據(jù)接收檢錯能力,每個虛擬鏈路的完整性,冗余管理校驗的能力,以及每個數(shù)據(jù)接收端的魯棒性。圖8所示即為本次故障注入策略配置界面圖。
圖8 故障注入界面
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試方案實現(xiàn)的測試系統(tǒng)在某飛機航電系統(tǒng)的測試實驗中,對航電AFDX網(wǎng)絡(luò)中的各通信終端,交換機,以及虛鏈路的功能和性能進行了全面測試。實驗表明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試方案中的數(shù)據(jù)激勵模塊,數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊和故障注入模塊配合使用可以有效地分析AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各個參數(shù),較好地完成了對該飛機航電系統(tǒng)中AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試和評估。
目前AFDX已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)大飛機項目,如何有效地對AFDX總線網(wǎng)絡(luò)進行分析和測試變得非常有意義。本文在論述AFDX網(wǎng)絡(luò)測試方法的基礎(chǔ)上提出了一種用于AFDX網(wǎng)絡(luò)的測試解決方案。通過數(shù)據(jù)收發(fā),網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和故障注入等手段實現(xiàn)AFDX網(wǎng)絡(luò)的全面測試。并以此設(shè)計了一款測試設(shè)
備,完成了測試方案的論證。為后續(xù)AFDX網(wǎng)絡(luò)的測試驗證基礎(chǔ)提供了很好的保障。
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