综合化航电系统中统一网络技术分析

“一代航电，一代网络 ”，航空电子系统架构发展经历了从分立式、联合式、综合式到先进综合式等多个阶段，伴随着航空电子技术的发展，机载网络技术的发展也呈现出了明显的代化特征。在先进综合式航空电子系统中，信息高度综合化成为其标志性特征，机载网络技术发展方向主要体现为机载统一 网络设计。要求机载网络系统在构建过程中针对机载环境进行裁剪和定义，面向信息密集型的航空电子系统互连和管理要求，专注于航空领域应用，在强调通信系统的严格实时性、强容错性和高可靠性的同时为机载系统提供信息 综合和功能综合能力支持。

机载网络逐步发展为支持基于交换式架构构建大规模分布式实时系统，典型代表如 FC（ 光纤通道）网络、AFDX（ 航空电子全双工交 换式以太网）和 TTE（ 时间触发以太网）等，作为航电系统统一网络被应用于新型机载系统当中。

在综合式航空电子系统阶段，伴随着美国空军莱 特实验室实施的宝石柱(Pave Pillar ) 计划，综合化航电联合工作组提出用系统共享的 CIP（ 综合核心处理机） 来完成几乎全部的信号与数据处理，把系统综合从显示控制层推到数据信号信息处理层。

在其典型代表F - 22飞机设计中发挥了当时数据传输技术的最高性能，采用了7 种数据传输方式：CIP 内部有 TM（ 测试与 维护）总线、PI（ 并行通信）总线和大容量存储器数据 网络，CIP 外部有传感器数据分配网络、视频数据分配网络、1553B 和50MbpsHSDB（ 高速数据总线）。在随后的宝石台( Pave Pace) 计划中，通过引入 ISS（ 集成传感器系统），综合化范围进一步前伸到信号处理前端，实现了多传感器信息处理的融合。在其四代机典型代表 F - 35 中，为了满足传感器、显示器、核心处理等系统间急剧增加的数据带宽要求，IPT 小组经过数据总线特性的综合评定，最终将光纤通道 FC作为 F - 35 统一互连网络的选择方案，采用光纤总线实现与内外设备的通信 。充分利用光纤通道带宽高、延迟小、距离远、重量轻、抗干扰等特点实现关键系统间的大数据传输，系统架构图如图1 所示。

每一次通信网络的变革都是为了满足航空电子系统对数据通信在可靠性、数据吞吐率以及实时性等方面的要求 , 其发展趋势是“多样化-统一化 ”。

F - 35代表了先进综合化的最高水平，在其出现之前，分系统综合性差，机载网络存在多样性，导致系统综合难度大、维护成本高、信息共享低、扩展性差等问题。采用了 UAN（ 统一系统网络）设计思想，减少了接口、连接器、传输介质、测试仪器和设备的种类，取消了协议转换，节约了软件与硬件的开发成本，降低了维护开销。

图1 F-35航电系统网络架构

2.1    技术支持

网络总线主要包括并行总线和串行总线两大类。随着电子技术的不断发展，系统对数据处理能力、总线  传输频率、信息时延特性以及信号完整性设计要求与日俱增，应运而生的高速串行总线技术以串行方式取代并行方式、以差分方式取代单端方式、以 P - P 结合 Switch 方式取代共享总线方式，代表了新一代互联技术的发展方向。

在总线应用市场领域上，不同总线的应用范围大致如图2 所示。可以看到，高速串行总线、FC 、万兆以 太网等已经应用到局域网、计算机之间的互连、计算机模块之间的互连。 因此为在模块、机箱和网络三者之间采用统一 网络提供了技术支撑。

2.2   设计需求

传统综合式航空电子系统解决了部分信息共享和显示控制综合的问题，但仍具有以下局限性：

1) 综合化程度低，仅针对显示和控制综合，各子系统仍使用专用的硬件和软件资源；

2) 数据总线带宽不足，不能满足新的系统信息传输要求；

3) 通过总线控制器集中控制，系统控制缺乏健壮性；

4) 增加的网络种类使得系统中网关多样化、复杂化，系统吞吐量和传输延时等性能受到限制，同时造成高昂的开发和维护费用；

5) 标准化程度低，测试性支持不足，生命周期成本偏高，造成大量附加成本。先进综合化航空电子系统是按功能区划分的，如信息综合采集区、信息综合处理区、信心综合显示控制 区和信息综合管理区等。基于战术决策和管理能力提升考虑，实现分布式体系结构与各关键级别系统功能紧密糯合，需要将构成系统的各功能单元基于统一 网络构建大规模分布式系统，以实现统一处理、统一控制、统一显示和统一管理。

2.3    实现优点

先进综合化航电系统本质上是一个分布式实时计算机网络，核心处理平台采用通用模块、统一网络和实时分区操作系统构成一个整体框架，实现数据的处理及通信 。统一网络支持实现了综合化系统所带来的各种优点，如容错、重构、资源共享、信息融合等，其解决了综合式结构中多种数据总线并存的问题，达到简化结构、提高性能、降低成本的目的。

统一 网络设计实现的优点主要表现在以下方面：

1) 以网络为中心的架构使各功能单元处于对等的地位，信息传送时间达到同一量级，不再明显依赖于其物理位置，有利于构建分布式系统；

2) 传输带宽达到 Gb/s 级，具有规模可扩展性，满足数据通信和组网要求；

3) 网络传输支持分布式和集中式控制，支持远距离传输，延时低，具有确定性；

4) 支持共享内存体系结构，满足高实时性要求，同时可支持并行处理，在高性能的应用中，软件的设计更简单、更灵活；

5) 支持余度通道，具有极强的容错和重构能力，支持当系统中出现节点故障时，实现自行诊断和重构；

6) 数据通信不再需要通过专用的接口模块（网关或网桥），消除了数据转换与通信瓶颈，提高了数据传输效率和系统可靠性。

统一网络设计为机载系统的大范围构建、深层次 综合、I/O 统一布局、信息综合管理以及资源高度共享奠定了基础。伴随航空电子技术的发展，机载网络通信能力和系统综合能力得到极大提升，满足了综合化航电系统对于海量数据交互的要求；

同时，机载网络技术的发展和选用也势必要适应和着眼于该型网络是否满足航空电子系统对于网络确定性、安全性、容错性、 实时性、可靠性等方面的要求。

3.1    确定性

机载网络确定性定义为在网络域内通过提供相关业务保证途径确保其所承载的业务满足数据通信确定性的能力。如 AFDX 网络是由 ARINC 664 Part7 规范定义的一种确定性网络，用以保障数据传输的延迟与 抖动上限 。

端端之间基于 VL（ 虚拟链路）通信，采用静态路由技术，端系统按照配置的UDP 端口、IP 地址、MAC地址、VLID、通信带宽等参数进行发送和接 收操作，交换机按照配置的 VLID、通信带宽、交换端口等参数进行过滤、管制和交换，不符合配置参数的畅将被丢弃，通过这些策略保证了网络的确定性。

网络时延是机载实时系统反映网络相关确定性业务保证能力的重要指标，其分析方法一般分为网络仿真法和数学分析法，数学分析法又包括网络演算、轨迹法、模型检查等。

3.2    安全性

安全性是指产品在规定的条件下，以可接受的风险执行其功能的能力。机载网络应该考虑故障检测、故障上报和故障管理的机制，采用故障隔离、容错和监控技术来保证免受主机端硬件或软件故障的影响，在重构（ 重新配置节点和网络）的情况下，仍然能够保证基于新的构型、状态下的安全操作。如 TTE 网络采用光纤传输，具有良好的电磁干扰屏蔽作用，较强的可靠  性和隔离性；TT 数据采用高精度的网络时间，进行  TDMA（ 时分多址）调度安排，确保安全关键数据在预定和预知的时间点完成收发，确保整个系统的数据传输安全性；TTE 网络在网络架构上采用双余度策略，保障数据传输的可靠性和安全性，降低故障率。

3.3    容错性

容错性是指功能部件在有故障时仍能有效继续工作的能力。机载网络系统通常使用空间、时间上的容 错和系统降级使用等容错技术以相互补充达到系统稳 定工作的目的。 以 AFDX 网络为例，采用双余度的结构保证了容错能力，网络双余度架构如图3 所示。

端系统上具有两个物理端口，发送方两个端口同    时发送相同的畅内容，接收方根据 “First Valid Wins ” 的策略选择两个接收端口中首先有效的畅提交给应用。交换机方面则是两台交换机同时工作，一台故障不影响整网的数据通信。同时，AFDX 网络中采用交换机的过滤、流量管制、端系统的完整性检查等功能 ，  保障了数据内容的有效性和带宽的控制。

3.4    实时性

实时性是指任务在规定的时间间隔内能够完成预定动作或者做出及时响应的能力，一般用任务的最坏响应时间与截止期限进行比较。实时通信系统与非实 时通信系统的最重要差异就是前者要求短的消息传输延迟和最小化的传输时间抖动。机载网络作为系统中各部件间的通信平台，必须保证数据传输满足安全关键任务的实时性要求。

如 TTE 网络传输支持强实时的网络应用，具有分布式网络特性和时间触发机制、且能兼容标准以太网和 AFDX 网络，保证了数据传输的实时性、高安全性和网络的分布式，能够满足 DIMA（ 分布式综合模块化） 架构的应用需求 。

TTE 同步在 MAC 层实现，采用分布式容错的时序保持和集中算法，基于同步协议控制畅，通过大规模 FPGA 逻辑硬件，实现基于 AS6802 标准的亚微秒级同步。

3.5    完整性

完整性是指出现系统中出现未检测出的错误或者丢失的概率，机载网络完整性常通过直接检验和交叉对比等完整性机制加以实现。直接检测包括 CRC 校验、奇偶校验等；交叉对比则通常指通过余度部件提高网络的完整性，确保在出现单点失效时也能够保证连续的网络服务。

如 FC 网络在机载航电基于交换机的通信路由采 用静态配置，同一条消息经过的路径是固定的，保证了消息不同数据畅的顺序到达；FC 网络中每个数据畅的 CRC 校验用于检查每一数据畅的传输正确性；FC 中的交换序列传输协议负责消息封装与重组，保证了消息数据的完整性；FC 网络在无级联的情况下，数据顺序是有保障的，在级联的情况下增加畅序列号的信息来保证顺序完整性。

同时，应该分析总线负载情况，如最大流量、吞吐  量以及最坏情况下负载等对数据完整性的影响。系统  吞吐量随着负载加大，会突然降低。这是经常能够观  测到的颠颇现象，吞吐量 - 负载特征曲线如图 4 所示。 

要想确保流量控制策略不会引发颠破问题，必须要持续监控通信系统的资源需求，一旦系统吞吐量开始下降，就要在系统边界处向发送者实施反向压力流量控制策略。FC网络协议中就提供了 “Buffer - Buffer ”和 “End - End ”的流控策略。

统一 网络的开发过程可参照图 5 “V 字模型 ”开展。前端通过系统需求分析、网络规划设计和部件设计最终完成部件实现，后端通过相应部件确认、网络集成测试以及应用测试过程实现对前端过程的反向验证。

机载网络的顶层设计需求来自于机载系统对网络提出的架构、功能、性能、实时性、安全性、可靠性等要求以及适航要求，包含功能应用及安全性、系统类型与架构、消息特性、组网规模、物理特性、封装策略、监控 与诊断、高完整性、时钟同步、网络管理等内容。通过对这些设计输入的分析，可以产生网络系统的需求，进而基于需求开展网络部件的设计、实现、验证等工作。

机载网络部件的设计与实现，首先要确定网络部件的架构，并将网络部件的功能分配到软件和硬件组  件，该过程输出网络部件的系统架构、网络部件要求、 网络部件功能分配、相关组件之间的接口等。机载网  络硬件设计包括功能、性能、接口、结构、硬件电路、逻辑组件、时序、元器件、工艺、环境、通用质量特性、安全性、测试及验证设备等。

机载网络测试及验证可参照 DO - 160 、DO - 178 及 DO - 254 等标准要求开展，按照系统架构要求连接各个网络设备，开展网络架构的功能、性能、物理层及网络功能、行为、架构、性能、BIT 等验证测试，并进行网络重构、降级、失效及恢复等机制的验证。

本文结合航空电子系统从综合式到先进综合式的发展历程对统一 网络的研制背景进行了回顾。基于高速总线技术发展提供的支撑作用，分析了网络技术在  综合式航电系统中的不足，明确了统一 网络的研制需求以及设计实现对系统效能所带来的优点。针对航电系统统一 网络构建过程中的确定性、安全性、容错性、 实时性和完整性等5个关键特性方面进行了讨论，并结合 FC 网络、AFDX 网络和 TTE 网络对相关特性进行了说明，最后指出了统一网络基于 “V 字模型 ”的集成开发过程以及在需求分析、设计实现和测试验证方面的考虑。为新一代飞机航电系统统一 网络的选型、分析、实现与应用提供了基础。

（文章来源：《航空计算技术》，作者：朱志强 , 王世查  , 李成文  , 孙东旭，作者单位：航空工业西安航空计算技术研究所 ，西北工业大学）