AFDX: Специализированный Ethernet для авиационной электроники Airbus

Введение

Физический уровень Ethernet специального назначения для авионики, разработанный Airbus.

Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX), также известный как ARINC 664, – это запатентованная международным авиастроительным концерном Airbus сеть передачи данных для критически важных приложений, использующая выделенную полосу пропускания и обеспечивающая детерминированное качество обслуживания (QoS). AFDX является зарегистрированным во всем мире товарным знаком Airbus. Сеть передачи данных AFDX базируется на технологии Ethernet с использованием коммерчески доступных компонентов (COTS). Сеть данных AFDX представляет собой конкретную реализацию спецификации ARINC 664, часть 7 – профилированную версию сети IEEE 802.3 в соответствии с частями 1 и 2, определяющую порядок использования коммерчески доступных сетевых компонентов в сетях передачи данных воздушных судов нового поколения (ADN). Шесть основных характеристик сети передачи данных AFDX включают в себя: полную дуплексную связь, резервирование, детерминированность, высокую производительность, коммутацию и профилирование сети.

История

Многие коммерческие самолеты используют стандарт ARINC 429, разработанный в 1977 году для применений, критичных к безопасности. ARINC 429 использует однонаправленную шину с одним передатчиком и до двадцати приемников. Слово данных состоит из 32 бит, передаваемых по кабелю с витой парой с использованием биполярной модуляции возврат к нулю. Предусмотрены две скорости передачи: высокая – 100 кбит/с и низкая – 12,5 кбит/с. ARINC 429 функционирует таким образом, что его единственный передатчик осуществляет связь по соединению точка-точка, что требует значительного количества проводки и, следовательно, увеличивает вес. Другой стандарт, ARINC 629, представленный Boeing для 777, обеспечил увеличение скорости передачи данных до 2 Мбит/с и возможность подключения до 120 терминалов передачи данных. Этот ADN работает без использования контроллера шины, что повышает надежность сетевой архитектуры. Однако его недостатком является необходимость в специализированном оборудовании, которое может значительно увеличить стоимость самолета. По этой причине другие производители не стали широко внедрять стандарт ARINC 629. AFDX был разработан как сетевая архитектура данных для самолетов нового поколения. Основанный на стандартах комитета IEEE 802.3 (обычно известного как Ethernet), он позволяет использовать коммерчески доступное оборудование для снижения затрат и времени разработки. AFDX является одной из реализаций детерминированного Ethernet, определенной спецификацией ARINC 664, часть 7. AFDX был разработан компанией Airbus Industries для A380, изначально для решения задач обеспечения работы в реальном времени при разработке системы управления полетом по проводам. Несколько коммутаторов могут быть соединены в каскадной топологии в виде звезды. Этот тип сети может значительно сократить длину проводки и, следовательно, вес самолета. Кроме того, AFDX может обеспечить качество обслуживания и резервирование по двойному каналу связи. На основе опыта, полученного при работе с A380, Airbus A350 также использует сеть AFDX, с авионикой и системами, поставляемыми Rockwell Collins. На Boeing 787 Dreamliner используется AFDX с оптоволоконными, а не медными соединениями. Airbus и его материнская компания EADS предоставили лицензии на AFDX через инициативу EADS Technology Licensing, включая соглашения с Selex ES и Vector Informatik GmbH.

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.

Виртуальные ссылки

Центральной особенностью сети AFDX являются ее виртуальные каналы (VL). Если рассматривать упрощенно, VL можно представить как сеть в стиле ARINC 429, каждая из которых имеет один источник и один или несколько пунктов назначения. Виртуальные каналы – это однонаправленные логические пути от исходной оконечной системы ко всем оконечным системам назначения. В отличие от традиционного коммутатора Ethernet, который коммутирует кадры на основе адреса назначения Ethernet или MAC-адреса, AFDX маршрутизирует пакеты, используя идентификатор виртуального канала, который располагается в той же позиции в кадре AFDX, что и адрес назначения MAC 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 беззнаковое целое число, следующее за постоянным 32-битным полем. Коммутаторы предназначены для маршрутизации входящего кадра из одной, и только одной, оконечной системы в заранее определенный набор оконечных систем. В каждом виртуальном канале может быть одна или несколько принимающих оконечных систем. Каждому виртуальному каналу выделяется выделенная полоса пропускания [сумма всех скоростей распределения полосы пропускания VL (BAG) x MTU], при этом общий объем полосы пропускания определяется системным интегратором. Однако, общая полоса пропускания не может превышать максимально доступную полосу пропускания в сети. Поэтому для двунаправленной связи необходимо указывать дополнительный VL. Спецификация каждого VL фиксируется для обеспечения максимального трафика в сети и, следовательно, детерминированности. Кроме того, коммутатор, имеющий загруженную таблицу конфигурации VL, может отклонять любые ошибочные передачи данных, которые в противном случае могли бы перегрузить другие ветви сети. Также могут существовать подвиртуальные каналы (sub VL), предназначенные для передачи менее критичных данных. Подвиртуальные каналы назначаются конкретному виртуальному каналу. Данные считываются последовательно по принципу "каждый следующий" среди виртуальных каналов, имеющих данные для передачи. Подвиртуальные каналы не обеспечивают гарантированную полосу пропускания или задержку из-за буферизации, однако AFDX определяет, что задержка измеряется функцией регулирования трафика в любом случае.

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.

Ставка BAG

BAG означает "разрыв в выделении полосы пропускания", это одна из ключевых особенностей протокола AFDX. Это максимальная скорость, с которой могут передаваться данные, и гарантируется, что данные будут передаваться именно с этой скоростью в заданный интервал времени. При настройке значения BAG для каждой VL необходимо учитывать, чтобы оставалось достаточно полосы пропускания для других VL, а общая скорость не превышала 100 Мбит/с.

Переключение виртуальных ссылок

Каждый коммутатор обладает функциями фильтрации, ограничения трафика и пересылки, которые должны обеспечивать обработку не менее 4096 VL. Следовательно, в сети с несколькими коммутаторами (каскадная звездная топология) общее количество виртуальных каналов практически неограниченно. Четкого ограничения на количество виртуальных каналов, обрабатываемых каждой конечной системой, не установлено, хотя это определяется скоростями BAG и максимальным размером кадра, заданными для каждого VL, в сравнении со скоростью передачи данных Ethernet. Однако количество подканалов, которые могут быть созданы в одном виртуальном канале, ограничено четырьмя. Коммутатор также должен быть неблокирующим на скоростях передачи данных, определенных системным интегратором, и на практике это может означать, что его пропускная способность должна быть равна сумме пропускной способности всех его физических портов. Поскольку AFDX использует протокол Ethernet на уровне MAC, для целей тестирования в целях экономии средств можно использовать высокопроизводительные коммерческие коммутаторы (COTS) с маршрутизацией уровня 2 в качестве коммутаторов AFDX. Однако некоторые функции настоящего коммутатора AFDX могут отсутствовать, такие как контроль трафика и функции 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 21, Bombardier Global Express, Bombardier CSeries, Learjet 85, Comac ARJ21, Comac C919 и AgustaWestland AW149.