Airbus ұшақтарындағы AFDX дерек желісі

Кіріспе

Airbus компаниясының авиациялық мақсаттағы арнайы Ethernet физикалық қабаты, сондай-ақ ARINC 664 – халықаралық ұшақтар өндіруші Airbus компаниясы патенттеген, қауіпсіздік үшін маңызды қолданбаларға арналған, арнайы өткізу қабілетін пайдаланатын және анықталған қызмет көрсету сапасын (QoS) қамтамасыз ететін дерек желісі. AFDX – Airbus компаниясының бүкіл әлемде тіркелген тауарлық белгісі. AFDX дерек желісі коммерциялық (COTS) компоненттерді қолданатын Ethernet технологиясына негізделген. AFDX дерек желісі – ARINC 664 техникалық талаптар жинағының 7-бөлігінің нақты іске асырылуы болып табылады, ол IEEE 802.3 желісінің 1- және 2-бөліктеріне сәйкес профильделген нұсқасы, болашақ ұрпақтың Ұшақ дерек желілерін (ADN) құру үшін коммерциялық желілік компоненттердің қалай пайдаланылатынын анықтайды. AFDX дерек желісінің алты негізгі ерекшелігі: толық дуплекс, резервтік жүйе, детерминизм, жоғары жылдамдық, коммутацияланған және профильделген желі.

Тарих

Көптеген коммерциялық ұшақтар 1977 жылы қауіпсіздікке маңызды қолданбалар үшін әзірленген ARINC 429 стандартын қолданады. ARINC 429 бір бағыттық шинаны, бір хабар таратушыны және жиырмаға дейін қабылдағышты пайдаланады. Дерек сөзі 32 биттен тұрады және бұрмаланған жұп кабель арқылы екіполярлық нөлге қайту модуляциясымен беріледі. Екі таралу жылдамдығы бар: жоғары жылдамдық 100 кбит/с, ал төмен жылдамдық 12,5 кбит/с. ARINC 429 бір хабар таратушының нүктеден нүктеге байланыс арқылы жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, бұл қосымша салмақты арттыратын көп мөлшерде сымдарды қажет етеді. Boeing компаниясы 777 ұшағы үшін ұсынған ARINC 629 стандарты 2 Мбит/с дейін жоғары жылдамдықтарды қамтамасыз етеді және ең көп дегенде 120 дерек терминалына қолдау көрсетеді. Бұл ADN автобус контроллерін пайдаланбастан жұмыс істейді, осылай желілік архитектураның сенімділігін арттырады. Алайда, бұл арнайы аппараттық құралдарды қажет етеді, бұл ұшақтың құнына қосымша шығын әкелуі мүмкін. Осы себепті, басқа өндірушілер ARINC 629 стандартын кеңінен қабылдаған жоқ. AFDX келесі буын әуе кемелерінің дерек желісі ретінде әзірленді. IEEE 802.3 комитетінің стандарттарына (көбінесе Ethernet деп аталады) негізделгендіктен, бұл коммерциялық аппараттық құралдарды пайдалану арқылы шығындарды және әзірлеу уақытын қысқартуға мүмкіндік береді. AFDX – ARINC 664 спецификациясының 7-бөлімінде анықталған детерминистік Ethernet-тің бір іске асырылуы. AFDX Airbus Industries компаниясы A380 үшін әзірленді, бастапқыда ұшуды басқару жүйесін әзірлеудегі уақтылы мәселелерді шешу үшін. Бірнеше коммутаторларды каскадты жұлдыз топологиясында біріктіруге болады. Мұндай желі сымдардың мөлшерін және ұшақтың салмағын айтарлықтай азайта алады. Сонымен қатар, AFDX қызмет сапасын және екі байланыс арнасының резервтеуін қамтамасыз етеді. A380 тәжірибесіне сүйене отырып, Airbus A350 да AFDX желісін пайдаланады, ал авиациялық және жүйелік құралдарды Rockwell Collins жеткізеді. Boeing 787 Dreamliner ұшағында мыс байланыстарының орнына оптикалық талшықтарды қолданатын AFDX жүйесі пайдаланылады. Airbus және оның EADS бас компаниясы AFDX лицензияларын EADS Technology Licensing бағдарламасы арқылы, соның ішінде Selex ES және Vector Informatik GmbH компанияларымен жасалған келісімдер арқылы қолжетімді етті.

Many commercial aircraft use the ARINC 429 standard developed in 1977 for safety critical applications. ARINC 429 utilizes a unidirectional bus with a single transmitter and up to twenty receivers. A data word consists of 32 bits communicated over a twisted pair cable using the bipolar return to zero modulation. There are two speeds of transmission: high speed operates at 100 kbit/s and low speed operates at 12.5 kbit/s. ARINC 429 operates in such a way that its single transmitter communicates in a point to point connection, thus requiring a significant amount of wiring which amounts to added weight. Another standard, ARINC 629, introduced by Boeing for the 777 provided increased data speeds of up to 2 Mbit/s and allowing a maximum of 120 data terminals. This ADN operates without the use of a bus controller thereby increasing the reliability of the network architecture. The drawback is that it requires custom hardware which can add significant cost to the aircraft. Because of this, other manufacturers did not openly accept the ARINC 629 standard. AFDX was designed as the next generation aircraft data network. Basing on standards from the IEEE 802.3 committee (commonly known as Ethernet) allows commercial off the shelf hardware to reduce costs and development time. AFDX is one implementation of deterministic Ethernet defined by ARINC Specification 664 Part 7. AFDX was developed by Airbus Industries for the A380, initially to address real time issues for flight by wire system development. Multiple switches can be bridged together in a cascaded star topology. This type of network can significantly reduce wire runs, thus the weight of the aircraft. In addition, AFDX can provide quality of service and dual link redundancy. Building on the experience from the A380, the Airbus A350 also uses an AFDX network, with avionics and systems supplied by Rockwell Collins. AFDX using fiber optic rather than copper interconnections is used on the Boeing 787 Dreamliner. Airbus and its EADS parent company have made AFDX licenses available through the EADS Technology Licensing initiative, including agreements with Selex ES and Vector Informatik GmbH.

Виртуалды сілтемелер

AFDX желісінің негізгі ерекшелігі – оның виртуалды байланыстары (VL). Бір түсінік бойынша, VL-ді бір көзден және бір немесе бірнеше бағыттан тұратын ARINC 429 үлгісіндегі желі ретінде қарастыруға болады. Виртуалды сілтемелер – бастапқы жүйеден барлық мақсатты жүйелерге дейінгі бір бағытты логикалық жолдар. Ethernet фреймдерін Ethernet мақсаты немесе MAC мекенжайы бойынша коммутациялайтын дәстүрлі Ethernet коммутаторларынан өзгеше, AFDX пакеттерді виртуалды сілтеме ID арқылы маршруттайды, ол AFDX фреймінде Ethernet фрейміндегі MAC мекенжайымен бірдей орында орналасқан. Алайда, AFDX жағдайында бұл виртуалды сілтеме ID физикалық бағытты емес, тасымалданатын деректерді анықтайды. Виртуалды сілтеме ID – тұрақты 32 биттік өрістен кейін орналасқан 16 биттік таңбаланбаған бүтін сан. Коммутаторлар бір және жалғыз соңғы жүйеден кіріс фреймді алдын ала анықталған соңғы жүйелер жиынтығына бағыттау үшін жасалған. Әрбір виртуалды сілтемеде бір немесе бірнеше қабылдаушы соңғы жүйелер болуы мүмкін. Әрбір виртуалды сілтемеге арналған жолақтың ені [барлық VL жолақты бөлу айырмашылығы (BAG) көрсеткіштерінің қосындысы x MTU] жүйе интеграторы анықтаған жалпы жолақтың енімен шектеледі. Дегенмен, жалпы жолақтың ені желідегі максималды қол жетімді жолақтың енінен аспауы керек. Сондықтан, екі бағытты байланыс үшін толықтыратын VL-ді көрсету қажет. Әр VL желінің жобаланған максималды трафигі болуын қамтамасыз ету үшін спецификациясында бекітіледі, демек, детерминизмді қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, VL конфигурациялық кестесі бар коммутатор желінің басқа тармақтарын толып кетуі мүмкін кез келген қате деректерді жіберуді қабылдамайды. Бұған қоса, аз маңызды деректерді тасымалдауға арналған қосалқы виртуалды сілтемелер (қосалқы VL) болуы мүмкін. Қосалқы виртуалды сілтемелер нақты виртуалды сілтемеге тағайындалады. Деректерді жіберуге болатын виртуалды сілтемелер арасында циклдық ретпен оқылады. Сонымен қатар, қосалқы виртуалды сілтемелер буферлеуге байланысты кепілді жолақтың енін немесе жауап уақытын қамтамасыз етпейді, бірақ AFDX жауап уақытын трафик реттегіші функциясы бойынша өлшенетінін көрсетеді.

The central feature of an AFDX network are its virtual links (VL). In one abstraction, it is possible to visualise the VLs as an ARINC 429 style network each with one source and one or more destinations. Virtual links are unidirectional logic paths from the source end system to all of the destination end systems. Unlike that of a traditional Ethernet switch which switches frames based on the Ethernet destination or MAC address, AFDX routes packets using a virtual link ID, which is carried in the same position in an AFDX frame as the MAC destination address in an Ethernet frame. However, in the case of AFDX, this virtual link ID identifies the data carried rather than the physical destination. The virtual link ID is a 16 bit unsigned integer value that follows a constant 32 bit field. The switches are designed to route an incoming frame from one, and only one, end system to a predetermined set of end systems. There can be one or more receiving end systems connected within each virtual link. Each virtual link is allocated dedicated bandwidth [sum of all VL bandwidth allocation gap (BAG) rates x MTU] with the total amount of bandwidth defined by the system integrator. However, total bandwidth cannot exceed the maximum available bandwidth on the network. Bi directional communications must therefore require the specification of a complementary VL. Each VL is frozen in specification to ensure that the network has a designed maximum traffic, hence determinism. Also the switch, having a VL configuration table loaded, can reject any erroneous data transmission that may otherwise swamp other branches of the network. Additionally, there can be sub virtual links (sub VLs) that are designed to carry less critical data. Sub virtual links are assigned to a particular virtual link. Data are read in a round robin sequence among the virtual links with data to transmit. Also sub virtual links do not provide guaranteed bandwidth or latency due to the buffering, but AFDX specifies that latency is measured from the traffic regulator function anyway.

BAG ставкасы

BAG – бұл жолақты бөлу аралығы, және ол AFDX протоколының басты ерекшеліктерінің бірі. Бұл деректерді жіберуге болатын ең жоғары жылдамдық, сонымен қатар осы интервалда жіберілуі кепілденеді. Әрбір VL үшін BAG жылдамдығын орнату кезінде басқа VL-дер үшін жеткілікті жолақты қамтамасыз етуге және жалпы жылдамдық 100 Мбит/с-тан аспауына көңіл бөлу қажет.

Виртуалды сілтемелерді ауыстыру

Әрбір коммутаторда кемінде 4096 VL-ді өңдеуге қабілетті сүзгілеу, қадағалау және жіберу функциялары бар. Сондықтан, бірнеше коммутатордан тұратын желіде (каскадты жұлдыз топологиясы) виртуалды сілтемелердің жалпы саны дерлік шексіз. Әрбір түнгі жүйемен жұмыс істей алатын виртуалды сілтемелердің санына нақты шектеу жоқ, бірақ бұл BAG жылдамдықтарымен және әрбір VL үшін көрсетілген максималды кадр мөлшерімен салыстырғанда Ethernet дерек жылдамдығымен анықталады. Дегенмен, бір виртуалды сілтемеде құрылатын кіші VL-дердің саны төртке дейін шектеледі. Коммутатор сондай-ақ жүйе интеграторы көрсеткен деректерді беру жылдамдықтарында кедергісіз жұмыс істеуі керек, ал практикалық тұрғыда бұл коммутатордың барлық физикалық порттарының жиынтығына тең коммутациялық сыйымдылығы болуын білдіреді. AFDX MAC қабатында Ethernet протоколын пайдаланатындықтан, сынау мақсатында AFDX коммутаторлары ретінде 2-деңгейлі маршрутизациялауы бар жоғары өнімді COTS коммутаторларын қолдануға болады, бұл шығындарды қысқартуға мүмкіндік береді. Алайда, нақты AFDX коммутаторында трафик қадағалау және резервтік функциялар сияқты кейбір мүмкіндіктер болмауы мүмкін.

Қолданылуы

AFDX автобусы Airbus A380, Boeing 787, Airbus A400M, Airbus A350, Sukhoi Superjet 100, ATR 42, ATR 72 (600), AgustaWestland AW101, AgustaWestland AW189, AgustaWestland AW169, Irkut MC 21, Bombardier Global Express, Bombardier CSeries, Learjet 85, Comac ARJ21, Comac C919 және AgustaWestland AW149 ұшақтарында пайдаланылады.