AFDX-TAP設(shè)備研究與實現(xiàn)

摘要 提出了一種串聯(lián)植入式的AFDX網(wǎng)絡(luò)TAP設(shè)備實現(xiàn)方法，從AFDX組網(wǎng)方式分析驗證該TAP設(shè)備可以實現(xiàn)對AFDX網(wǎng)絡(luò)的透明監(jiān)測，并針對這種實現(xiàn)方式，提出軟硬件解決方案，驗證了該串聯(lián)植入方式的TAP設(shè)備，可以有效地監(jiān)測AFDX網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)和測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)；測試接入點；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測

航空全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full PuplexSwitched Ethernet，AFDX)通過采用電信標準的異步傳輸模式(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)計具有更高的可靠性，星形拓撲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)拓撲，在實時性方面得到了改進，更好地適應(yīng)于航空電子的需求。AFDX網(wǎng)絡(luò)是一個封閉的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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(Switch)以及傳輸鏈路(Link)組成。每一個端系統(tǒng)有一條直接的雙向鏈路連到交換機，另外端系統(tǒng)還有一條雙向鏈路連接到另一臺交換機以保證冗余的通信鏈路。這種交換式的拓撲結(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。
測試是航空系統(tǒng)集成過程中的一個重要環(huán)節(jié)，掌握航空系統(tǒng)每個單獨模塊以及整個網(wǎng)絡(luò)在正常工作或出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)錯誤時所表現(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)及時的傳送以及數(shù)據(jù)的完整性，需要對網(wǎng)絡(luò)的性能進行測試。AFDX網(wǎng)絡(luò)TAP(Test Access Point)是AFDX網(wǎng)絡(luò)測試過程中的重要設(shè)備。AFDX網(wǎng)絡(luò)TAP在傳統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，需要測試AFDX網(wǎng)絡(luò)的確定性、容錯性、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)“復制”，對數(shù)據(jù)進行分析監(jiān)測；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)需要臨時串接，TAP設(shè)備對以太網(wǎng)無影響。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)TAP設(shè)備可以實現(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)用場景以及實現(xiàn)方式的特殊性，除了保證實現(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、實時性、容錯性以及組網(wǎng)合理性等AFDX網(wǎng)絡(luò)重要的特點應(yīng)該得到測試驗證。
有些芯片中，通過IEEE1149．1規(guī)定的接口作為芯片的TAP，在儲如此類的芯片中，JTAG通常具有掃描芯片、測試等多種功能；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)的拓撲結(jié)構(gòu)，監(jiān)測AFDX網(wǎng)絡(luò)具有多少ES節(jié)點、交換機等，另外通過拓撲掃描可以智能判別AFDX組網(wǎng)是否具有物理上的冗余網(wǎng)絡(luò)，以驗證AFDX網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的正確性與合理性。
容錯性是AFDX網(wǎng)絡(luò)的一個重要功能，檢查網(wǎng)絡(luò)對錯誤的反應(yīng)和錯誤容限是AFDX網(wǎng)絡(luò)測試過程中的一個重要環(huán)節(jié)；TAP卡作為AFDX網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測設(shè)備，應(yīng)該具有對AFDX網(wǎng)絡(luò)容錯性能的測試。容錯性的測試包括對AFDX網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)通信的錯誤監(jiān)測和AFDX網(wǎng)絡(luò)對錯誤數(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)測網(wǎng)絡(luò)上錯誤數(shù)據(jù)幀；另外，TAP設(shè)備應(yīng)該能實現(xiàn)錯誤注入功能，錯誤注入包括幀級的錯誤注入、錯誤的虛擬鏈路ID、錯誤的幀序列。通過對網(wǎng)絡(luò)的不同錯誤注入測試AFDX網(wǎng)絡(luò)對錯誤注入的響應(yīng)，以測試AFDX網(wǎng)絡(luò)的容錯性能。
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)拓撲掃描等功能。

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)復雜，端系統(tǒng)(ES)和交換機(SW)是AFDX網(wǎng)絡(luò)重要的組成部分，TAP端口放在端系統(tǒng)與交換機之間可以有效監(jiān)測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)拓撲結(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)備可以實現(xiàn)交換機與端系統(tǒng)之間的透明數(shù)據(jù)通路，即TAP設(shè)備可以認為是一個“中繼器”，這樣AFDX網(wǎng)絡(luò)的工作無任何影響。這個結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)交換機與端系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)捕獲，進而監(jiān)測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AFDX網(wǎng)絡(luò)注入錯誤，這種錯誤注入可以在AFDX網(wǎng)絡(luò)的物理層、鏈路層、協(xié)議層，不同層面的錯誤注入可以測量AFDX網(wǎng)絡(luò)不同層次容錯性能。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)可以自動識別整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。

3 串聯(lián)植入方式的TAP設(shè)備實現(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)測系統(tǒng)完成監(jiān)測的主要實現(xiàn)過程，從實現(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，控制電路要實現(xiàn)端系統(tǒng)和交換機之間的數(shù)據(jù)交換，還可以獨立的完成數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，這個電路結(jié)構(gòu)在FPGA中實現(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，對于TAP設(shè)備，若實現(xiàn)全雙工冗余鏈路的數(shù)據(jù)捕獲，則TAP設(shè)備與上位機之間的數(shù)據(jù)帶寬要滿足≤100 Mbit·s-1x2×2=400 Mbit·s-1；設(shè)計選用USB2．0作為TAP設(shè)備與上位機之間的通信接口，理論最大速率可達480 Mbit·s-1，滿足設(shè)備對數(shù)據(jù)帶寬的需求。在設(shè)計中，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)測模式下，端系統(tǒng)與交換機之間的數(shù)據(jù)鏈路經(jīng)過TAP設(shè)備的PHY芯片進入FPGA，在FGPA內(nèi)部，MII的數(shù)據(jù)鏈路一方面不經(jīng)過MAC進行數(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；傳送至上位機的數(shù)據(jù)幀為簡單處理的數(shù)據(jù)，上位機接收數(shù)據(jù)后還需進一步對數(shù)據(jù)進行解析以達到對網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的目的。另外，TAP設(shè)備可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的錯誤注入，ES與交換機之間的數(shù)據(jù)，TAP設(shè)備捕獲后，在數(shù)據(jù)幀中注入不同等級的錯誤，如數(shù)據(jù)幀的CRC錯誤、幀大小錯誤等，通過MAC將數(shù)據(jù)幀發(fā)送，進而可以觀察AFDX網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的響應(yīng)，從而達到對AFDX網(wǎng)絡(luò)容錯能力的測試。

根據(jù)TAP設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)，上位機可以實時監(jiān)控AFDX網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)，上位機軟件通過USB接口接收AFDX數(shù)據(jù)幀，并對數(shù)據(jù)實時解析，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)測需求對AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)解析，以對AFDX各方面進行監(jiān)測。上位機軟件可以把解析AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀進行重新打包，通過USB接口快速傳送至TAP設(shè)備，TAP設(shè)備按照上位機的指示對AFDX網(wǎng)絡(luò)錯誤注入，進而達到對AFDX網(wǎng)絡(luò)錯誤容錯能力的測試。圖4為TAP設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)錯誤統(tǒng)計界面。圖5為TAP設(shè)備監(jiān)測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)控測試中所承擔的任務(wù)，基于提出的問題，設(shè)計了一種串聯(lián)植入方式的AFDX網(wǎng)絡(luò)TAP設(shè)備，并證明，這種TAP設(shè)備可以有效地實現(xiàn)對AFDX網(wǎng)絡(luò)可靠性、確定性、容錯性等各種功能的監(jiān)測。