AFDX总线协议规范

航空电子全双工通信以太网交换(AFDX) 是一个基于标准定义的电子和协议规范(IEEE802.3和ARINC 664 Part7)用来航空子系统之间进行数据交换。空客公司开始致力于定义一个具有鲁棒性的下一代航空数据交换网络(ADN)用于A380，AFDX应用于这种特殊的网络，适用于ARINC664总线。它提供一个高达24个终端系统的星形拓扑来连接从一个交换机桥接到其它的交换机内部网络。这个稳定性的网络允许连接冗余(双物理连接)来保证带宽和服务质量。AFDX还允许连接到其它的标准总线如ARINC429或者MIL-STD-1553等到网络，并且允许通过网关和路由与其他的适应ARINC-664但非确定的网络进行通讯。AFDX地址没有采用IEEE802.3以太网标准，而是采用电信标准的异步传输模式的概念，这种对以太网标准的扩展使得在确定的网络中保证带宽和服务质量成为可能。

AFDX数据包帧格式与IEEE802.3以太网的帧格式基本相同，AFDX帧格式如图所示，目标地址和源端地址包含着终端的MAC地址，事实上IP地址信息包含在IP结构模块中。UDP结构区别应用端口，AFDX信息有效载荷为17到1471数据。虚拟路径是通过1字节的序列号接来提供，它在以太网帧协议的校验和之前，范围可以是从1到255，当到达255后翻转到1，序列号0是保留对终端系统的复位。

AFDX网络地址是基于终端的MAC地址，ARINC664没有特别的规则来分配MAC地址，这个任务留给系统管理者来完成，但必须遵从IEEE802.3说明的本地管理规范。例如:在波音飞机的应用中，16位全部都可以用来设置的;而在空客的应用中，只有低12位被用到，而高4位均被置零。源端地址必须唯一，源端地址包含用来区别两个连接的冗余网络的MAC地址，目标地址是一个多播地址，包含16位的虚拟连接标识符。

图2 AFDX以太网帧协议格式

为避免可能因交换机某一网络出现故障而无法正常通讯，在AFDX系统中有两个独立的交换网络(如图所示)--A网络和B网络，每个包通过终端系统同时发送到这两个网络，因此正常情况下每个终端系统将会收到两个包，终端系统通过数据包的序列号来区别数据包来自A网络还是B网络，并检查数据包的帧校验序列来决定是否采用还是丢弃该帧。通过对数据进行冗余管理，就可以很好的保证数据包安全准确地传输到目的地，也就是提高了服务质量。

图3 AFDX网络冗余连接

AFDX网络的核心是虚拟连接(virtual link)。每个虚拟连接建立了一个从源终端系统到多个目标终端系统的无方向的逻辑部分，每一个虚拟连接都分配一定的带宽配额，虚拟连接的数量是由一个完整的系统来定义的。创建虚拟连接的总带宽不能超过网络最大的可用带宽。对于不太重要的通讯网络，AFDX允许建立子虚拟连接(sub-VLs)，虽然带宽对虚拟连接是有保证的，但对子虚拟连接是没有保证的。

如图所示:当源端系统(1)把一个(VLID)= 100的虚拟连接识别码的以太网帧发送到以太网中，AFDX交换机把这个以太网帧转发到指定目标终端系统(2和3)，终端系统(2和3)能同时收到来自终端系统1的以太网帧。也就是说多个虚拟连接能同时接收来自同一个终端系统的信息，并且每个虚拟连接也可以从一个或多个通信端口获取信息。

通过AFDX可以确定数据包发送和接收的时间，从而消除半双工可能出现的传输冲突。如下图1所示:每个航空子系统如自动驾驶、抬头显示等直接连接到由两组双绞线组成的全双工交换机。其中一组双绞线是用来传输，另一组双绞线是用来接收，交换机能够同时对发送和接收的数据包进行缓冲。

图1、

AFDX交换机的接收和发送缓冲区里面都能够根据先入先出的原则存储大量的对输入/输出数据包。I/O处理单元(CPU)把数据报从输入的接收缓冲区转移到输出传输缓冲区，通过检查下一行接收缓冲区到达的数据包，来决定他的目标地址(虚拟连接标志)，并查找转发列表来决定从哪个发送缓冲区来接收这个数据包。通过存储总线和传输(FIFO)顺序，将数据包拷贝到该发送缓冲区，通过发送缓冲区把数据发送到航空子系统或其它交换机中。这种涉及到存储转发体系结构的全双工交换机排除了半双工以太网遇到的问题，简单的说就是消除了冲突。

AFDX总线协议规范

1、概述

2、 AFDX简介

3、AFDX的在数据传输性能的改进

3.1 AFDX以太网帧格式

3.2 AFDX以太网冗余备份

3.3 虚拟连接

3.4 数据交换处理

4、航空计算机网络系统组成设计

4.1 航空子系统

4.2 AFDX终端系统

4.3 AFDX互联网

5、 基于AFDX航空计算机网络的性能分析

6、总结

针对大型客机飞行关键项目和乘客娱乐等设施的复杂航空电子系统的不断增加，需要大量增加飞机上的航空总线的带宽、提高服务质量等问题，介绍了一种采用航空电子全双工通信以太网交换(AFDX)的解决方案。该方案是基于商业以太网标准，采用目前已被广泛接受的IEEE802.3/IP/UDP协议，并增加了特殊的功能来保证带宽和服务质量，实现了低成本的快速开发。该方案还可以简化布线，减轻飞机重量，易于航空电子子系统的维护升级等。

随着飞行关键项目和乘客娱乐等设施的复杂航空电子系统的不断增加，需要大量增加飞机上的数据总线的带宽，传统的航空总线如ARINC429等传输带宽只有100KHZ,远远不能满足要求，而ARINC629因价格昂贵，使飞机制造商的难以接受;因此需要以最小的代价和实现成本进行快速开发。

虽然IEEE802.3以太网提供高速和低成本的总线，并具有广泛商业的用途;但是它不能提供航空电子系统所需的鲁棒性，主要原因是IEEE802.3以太网是半双工模式的以太网，这种以太网存在的问题是:当多台主机被同时连接到同一个通讯媒介(如同轴电缆等)，并且没有中心协调机制，这就有可能出现两台主机同时传输数据的情况，这时就会出现传输"冲突"，因此需要主机能检测到冲突，当冲突发生时，每个主机要对它们的数据进行重传。很明显，仍然可能再次出现在同一时间传输的情况，因此又会再次出现"冲突"。由于没有中央控制的以太网，理论上可能出现数据包不断重复的传输"冲突"，这就意味着在试图传输单个数据包时，有可能出现无限制的冲突链，从而使这个包可能永远无法成功传输。由此可见，在半双工模式，很可能出现因为冲突而导致了大量的数据包传输延迟。因此，无法作为应用于要求实时性高、可靠性高和带宽大的新一代航空总线。新一代航空总线需要一个这样的体系结构:这个结构就是让最大量的时间被用来把一系列数据包传递到一个已知的目的地，这意味着要摆脱系统的冲突。

为此，波音和空客公司通过已经实现商业用途的以太网技术来建立下一代航空数据总线，这项研究促使航空电子全双工通信以太网(AFDX)交换机的诞生。AFDX是基于IEEE802.3以太网通讯技术来实现的，但是增加了特殊的功能来保证带宽和服务质量。

如图1所示，一个AFDX系统由以下部分组成

图4、AFDX系统组成

传统飞机上的航空子系统如飞行控制计算机、全球定位系统、压力疲劳监视系统等等，航空电子计算机系统为航空子系统提供一个计算环境，每个航空计算机系统包含嵌入式终端系统，并把航空子系统连接到一个AFDX互联网。

在航空子系统和AFDX互联网之间提供一个"接口"。每个航空子系统的终端系统接口保证与其他航空子系统进行安全可靠的数据交换。这个接口为各种航空子系统提供了应用编程接口(API)，使他们能够通过一个简单的接口进行会话。

一个全双工交换以太网，通常由一个以太网交换机把以太网帧数据传输到合适的目的地。AFDX互联网的以太网交换技术是一个有别于传统的单工的ARINC429 、点到点的技术和MIL-STD-1553总线技术。在AFDX的航空网络系统中(如图4)所示，两个终端系统提供分别为3个航空子系统一个通讯接口，第三个终端系统为应用网关提供了接口;同时它也为其他航空子系统之间提供通讯通道和扩展IP网络，专门用来进行数据的下载和登陆。

首先我们简单通过带宽、通信模式、终端数量等，对各种不同类型的总线进行对比如下表所示:

通过我们可以通过框图对各种总线的价格进行比较，我们可以看到，与传统的总线相比，AFDX由以下优势:

(1)有保证的服务质量:与传统的以太网相比，AFDX的延时时间短，服务质量更高。

(2)AFDX的传输速率高:带宽100MHZ，远远高于其他的类型的航空总线。

(3)AFDX网络的鲁棒性高:AFDX的双冗余备份网络可以在某一个网络出现故障时，仍能正常通讯。

(4)简化走线难度:以往的航空总线系统中所有的设备之间必须通过双绞线相连，才能正常通讯;而使用AFDX，如图4所示，每个端点不需要单独连接到内部平台，每个终端只要与交换机直接相连，而不管网络内部平台有多少个端点，这样就在很大程度上减少走线，因此也可以减轻飞机的重量。

(5)终端子系统数量不受限制:如在ARINC429，一个发送源端最多只能有20个接收者，在MIL-STD-1553总线，一个BC最多只能连接32个RT;而AFDX，从网络内部平台连接的航空子系统的数量只跟交换机端口的数量有关，很容易满足增加子系统的需求。

(6)成本低:它通过已经实现商业用途的以太网技术进行开发，在很大程度上缩短了开发周期，和生产成本。

6、总结:

通过对AFDX的协议进行分析和比较，证明采用AFDX的航空计算机网络，可以提供更大更稳定的传输带宽，改善数据传输的服务质量(QoS)。同时使用AFDX还可以减少航空计算机网络间的布线，从而减轻了飞机的重量;此外，基于AFDX的网络拓扑非常灵活，可以很容易对飞机的子系统进行更新和增加，这样就可以很方便对飞机进行升级和维护，对我国大飞机的计算机网络的设计具有一定的参考价值。

CAN总线的物理层是将ECU连接至总线的驱动电路。ECU的总数将受限于总线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码/解码、位定时和同步的实施标准。

BOSCH CAN基本上没有对物理层进行定义，但基于CAN的ISO标准对物理层进行了定义。设计一个CAN系统时，物理层具有很大的选择余地，但必须保证CAN协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求，即出现总线竞争时，具有较高优先权的报文获取总线竞争的原则，所以要求物理层必须支持CAN总线中隐性位和显性位的状态特征。在没有发送显性位时，总线处于隐性状态，空闲时，总线处于隐性状态;当有一个或多个节点发送显性位，显性位覆盖隐性位，使总线处于显性状态。

在此基础上，物理层主要取决于传输速度的要求。从物理结构上看，CAN节点的构成如图7-8所示。在CAN中，物理层从结构上可分为三层:分别是物理信号层(Physical Layer Signaling，PLS)、物理介质附件(Physical MediaAttachment，PMA)层和介质从属接口(Media Dependent:Inter-face，MDI)层。其中PLS连同数据链路层功能由CAN控制器完成，PMA层功能由CAN收发器完成，MDI层定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持CAN的微处理器内部集成了CAN控制器和收发器电路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI两层有很多不同的国际或国家或行业标准，也可自行定义，比较流行的是ISOll898定义的高速CAN发送/接收器标准。

CAN网络上的节点不分主从，任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，利用这一特点可方便地构成多机备份系统，CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的"调度"。 CAN的直接通信距离最远可达10km(速率5kbps以下);通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。 CAN上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达110个;报文标识符可达2032种(CAN2.0A)，而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符几乎不受限制。

CAN的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制(Logical Link control，LLC)完成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制(Medium Access control，MAC)子层完成数据打包/解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。

USB总线属于一种轮询式总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。每一总线动作最多传送三个数据包，包括令牌(Token)、数据(Data)、联络(HandShake)。

按照传输前制定好的原则，在每次传送开始时，主机送一个描述传输动作的种类、方向、USB设备地址和终端号的USB数据包，这个数据包通常被称为令牌包(TokenPacket)。USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机。

在传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。发送端和接收端之间的USB数据传输，在主机和设备的端口之间，可视为一个通道。USB中有一个特殊的通道一缺省控制通道，它属于消息通道，设备一启动即存在，从而为设备的设置、状态查询和输入控制信息提供一个入口。

控制器局域网CAN( Controller Area Network)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于诸多领域。而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高可达1Mbps的高速网络到低成本多线路的50Kbps网络都可以任意搭配。因此，CAN己经在汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

随着CAN总线在各个行业和领域的广泛应用，对其的通信格式标准化也提出了更严格的要求。1991年CAN总线技术规范(Version2.0)制定并发布。该技术规范共包括A和B两个部分。其中2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。美国的汽车工程学会SAE在2000年提出了J1939协议，此后该协议成为了货车和客车中控制器局域网的通用标准。CAN总线技术也在不断发展。传统的CAN是基于事件触发的，信息传输时间的不确定性和优先级反转是它固有的缺陷。当总线上传输消息密度较小时，这些缺陷对系统的实时性影响较小;但随着在总线上传输消息密度的增加，系统实时性能会急剧下降。为了满足汽车控制对实时性和传输消息密度不断增长的需要，改善CAN总线的实时性能非常必要。于是，传统CAN与时间触发机制相结合产生了TTCAN(Time-Triggered CAN)，ISO11898-4己包含了TTCAN。 TTCAN总线和传统CAN总线系统的区别是:总线上不同的消息定义了不同的时间槽(Timer Slot)。

依据国际标准化组织/开放系统互连(International Standardi-zation Organization/Open SystemInterconnection，ISO/OSI)参考模型，CAN的ISO/OSI参考模型的层结构。

CAN总线的工作原理

CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。

当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态;当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

CAN总线特征

(1)报文(Message)总线上的数据以不同报文格式发送，但长度受到限制。当总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。

(2)信息路由(Information Routing)在CAN中，节点不使用任何关于系统配置的报文，比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息。因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节点的软件和硬件作改变，可以直接在CAN中增加节点。

(3)标识符(Identifier) 要传送的报文有特征标识符(是数据帧和远程帧的一个域)，它给出的不是目标节点地址，而是这个报文本身的特征。信息以广播方式在网络上发送，所有节点都可以接收到。节点通过标识符判定是否接收这帧信息。

(4)数据一致性应确保报文在CAN里同时被所有节点接收或同时不接收，这是配合错误处理和再同步功能实现的。

(5)位传输速率不同的CAN系统速度不同，但在一个给定的系统里，位传输速率是唯一的，并且是固定的。

(6)优先权 由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。标识符越小，优先权越高。

(7)远程数据请求(Remote Data Request) 通过发送远程帧，需要数据的节点请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相同的标识符命名。

(8)仲裁(Arbitration) 只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。如果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问碰撞。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个碰撞。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，数据帧优先于远程帧。在仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送，如果发送的是"隐性"电平而监视到的是"显性"电平，那么这个单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。

(9)总线状态 总线有"显性"和"隐性"两个状态，"显性"对应逻辑"0"，"隐性"对应逻辑"1"。"显性"状态和"隐性"状态与为"显性"状态，所以两个节点同时分别发送"0"和"1"时，总线上呈现"0"。CAN总线采用二进制不归零(NRZ)编码方式，所以总线上不是"0"，就是"1"。但是CAN协议并没有具体定义这两种状态的具体实现方式。

(10)故障界定(Confinement) CAN节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久性故障。故障节点会被关闭。

(11)应答接收节点对正确接收的报文给出应答，对不一致报文进行标记。

(12)CAN通讯距离最大是10公里(设速率为5Kbps),或最大通信速率为1Mbps(设通信距离为40米)。

(13)CAN总线上的节点数可达110个。通信介质可在双绞线，同轴电缆，光纤中选择。

(14)报文是短帧结构，短的传送时间使其受干扰概率低，CAN有很好的校验机制，这些都保证了CAN通信的可靠性。

CAN总线的特点

(1)具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点;

(2)采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作;

(3)具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络;

(4)可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文;

(5)可靠的错误处理和检错机制;

(6)发送的信息遭到破坏后，可自动重发;

(7)节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能;

(8)报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。