基于分層優(yōu)先級隊列算法的AFDX端系統(tǒng)

孫月江

(青島工學(xué)院 信息工程學(xué)院， 山東 青島 266300)

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、集成化和節(jié)點智能化成為控制系統(tǒng)新的發(fā)展方向，對實現(xiàn)各子系統(tǒng)互連的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了更高的要求.主要包括：網(wǎng)絡(luò)延遲確定、傳輸能力可靠、容錯能力強等.以太網(wǎng)以其開放標準、高帶寬、低成本等諸多的技術(shù)優(yōu)勢逐漸成為了控制領(lǐng)域關(guān)注的焦點，但以太網(wǎng)的通信延遲不確定性問題一定程度上限制了其在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，如何在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上提供一個具有確定屬性(deterministic)的網(wǎng)絡(luò)成為控制領(lǐng)域的一個研究熱點[1].

AFDX(Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)網(wǎng)絡(luò)是伴隨航電系統(tǒng)綜合化發(fā)展而產(chǎn)生的一種確定性網(wǎng)絡(luò)，它注重連接的服務(wù)質(zhì)量，關(guān)心數(shù)據(jù)冗余.AFDX網(wǎng)絡(luò)將交換式以太網(wǎng)和ARINC 429總線的技術(shù)優(yōu)勢進行了有效融合，它基于以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和傳輸介質(zhì)，采用ARINC 429點對多點的通信機制，通過整形、調(diào)度、冗余等一系列的優(yōu)化策略[2]，提供了一個具有冗余容錯性能的確定性網(wǎng)絡(luò).

AFDX網(wǎng)絡(luò)主要包括端系統(tǒng)和交換機兩部分，其中端系統(tǒng)在整個網(wǎng)絡(luò)的確定性保證中起主要作用.本文設(shè)計的端系統(tǒng)由兩部分組成，分別為網(wǎng)絡(luò)接口模塊和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧.其中網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成端系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口功能，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是段系統(tǒng)的核心，完成端系統(tǒng)的協(xié)議接口功能，直接影響端系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，負責完成流量整形、虛鏈路調(diào)度和發(fā)送冗余管理.

本文依據(jù)AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準(ARINC 664 Part 7)，研究端系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)，完成端系統(tǒng)協(xié)議棧級、可編程邏輯級、板級三個方面的設(shè)計，重點研究網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實現(xiàn).

1 AFDX網(wǎng)絡(luò)

AFDX網(wǎng)絡(luò)起源于20世紀90年代空客A380項目，最早由法國空客公司在商用交換以太網(wǎng)基礎(chǔ)上建立.2005年6月，AFDX被航空標準化機構(gòu)——美國航空無線電設(shè)備通訊公司/美國航空公司電子工程委員會飛機數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)工程組(ARINC/AEEC AND)定義為一項確定性的網(wǎng)絡(luò)標準，通過ARINC 664Part 7進行具體的電氣定義和協(xié)議規(guī)范.

AFDX網(wǎng)絡(luò)充分利用商用組件技術(shù)，基于以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和傳輸介質(zhì)，采用ARINC 429總線點對多點的通信機制，通過流量整形、虛鏈路調(diào)度、冗余管理等一系列優(yōu)化策略提供一個具有冗余容錯性能的確定性網(wǎng)絡(luò).

1.1 系統(tǒng)組成

AFDX網(wǎng)絡(luò)主要包括應(yīng)用系統(tǒng)、端系統(tǒng)和交換機三部分，系統(tǒng)組成[3]如圖1所示.

1)應(yīng)用系統(tǒng)(Application System)

在AFDX網(wǎng)絡(luò)中，一臺計算機為多個應(yīng)用子系統(tǒng)提供計算環(huán)境，各應(yīng)用子系統(tǒng)之間通過分區(qū)實現(xiàn)彼此之間的隔離，通過限制每個分區(qū)的地址空間和CPU分配給每個分區(qū)的工作空間對各個應(yīng)用子系統(tǒng)加以區(qū)分.

2)端系統(tǒng)(End System)

端系統(tǒng)在AFDX網(wǎng)絡(luò)中起到總線接口單元和協(xié)議接口單元的作用，它負責將應(yīng)用系統(tǒng)連接到AFDX網(wǎng)絡(luò)，同時保證各系統(tǒng)設(shè)備之間通過簡單的消息端口實現(xiàn)通訊.整個網(wǎng)絡(luò)的“確定性”性能主要通過端系統(tǒng)來保證，發(fā)送過程中它通過流量整形、虛鏈路調(diào)度等優(yōu)化策略保證各虛鏈路數(shù)據(jù)實時、無干擾的發(fā)送到目的地；接收過程中它通過完整性檢查和冗余管理機制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蛲暾院涂煽啃?

3)交換機(Switch)

AFDX交換機作為將消息幀傳送到正確目的地的互連設(shè)備，與商用交換機“學(xué)習和自老化”的策略不同，它采用靜態(tài)虛鏈路表的方式進行端口尋址，有效控制交換節(jié)點的時延，從而保證網(wǎng)絡(luò)延遲的確定性.

圖1 AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

1.2 核心概念

AFDX網(wǎng)絡(luò)的核心概念是虛鏈路(Virtual Link)，它定義了從一個唯一數(shù)據(jù)源端到一個或多個目的端邏輯上的、具有最大帶寬使用限制的單向連接，如圖2所示.虛鏈路具有如下兩個特性：

(1)一條虛鏈路類似于一條邏輯上的ARINC 429總線；

(2)每條虛鏈路的最大可用帶寬由系統(tǒng)設(shè)計者分配.

圖2 虛鏈路和ARINC 429

1.3 AFDX網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

圍繞虛鏈路，AFDX網(wǎng)絡(luò)主要包括流量整形、虛鏈路調(diào)度、冗余管理等三個關(guān)鍵技術(shù).在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，通過整形進行虛鏈路帶寬的有效分配，通過虛鏈路調(diào)度合理的調(diào)度虛鏈路[4]；在數(shù)據(jù)接收過程中，通過冗余管理提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?

1)流量整形

流量整形技術(shù)主要是為了解決突發(fā)流量給網(wǎng)絡(luò)帶來的擁塞問題而產(chǎn)生的，它通過將突發(fā)流量限制在一個預(yù)先設(shè)定的范圍之內(nèi)，從而提高整個網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量.

AFDX網(wǎng)絡(luò)通過流量整形策略對每條虛鏈路所占用的帶寬進行預(yù)先分配，保證虛鏈路帶寬，從而提高整個網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量.在端系統(tǒng)的輸出端，特定虛鏈路上的幀流特性主要通過帶寬分配間隔BAG(Bandwidth Allocation Gap)和抖動(Jitter)兩個特性參數(shù)控制.如果一個數(shù)據(jù)幀從調(diào)度器出來后沒有抖動，那么BAG定義為同一虛鏈路上兩個連續(xù)數(shù)據(jù)幀之間的最小時間間隔[5].端系統(tǒng)對每條虛鏈路上的數(shù)據(jù)流進行整形控制，保證同一虛鏈路上一個BAG時間間隔內(nèi)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀不超過一個，如圖3所示.

圖3 流量整形

2)虛鏈路調(diào)度

在AFDX網(wǎng)絡(luò)中，端系統(tǒng)可能是多條虛鏈路的數(shù)據(jù)發(fā)起端，如圖4所示，多條虛鏈路共享端系統(tǒng)的物理鏈路帶寬，端系統(tǒng)能否合理的調(diào)度虛鏈路直接影響到整個網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣.

圖4 虛鏈路調(diào)度

在端系統(tǒng)的輸出端，對于給定的虛鏈路數(shù)據(jù)幀要出現(xiàn)在有限的時間間隔內(nèi)，這個時間間隔定義為該虛鏈路最大可以允許的抖動(Max_Jitter).這個抖動不是由數(shù)據(jù)流本身造成的，而是由調(diào)度器引入的，最大帶寬使用情況下的Jitter效應(yīng)，如圖5所示.

圖5 最大帶寬使用情況下的Jitter效應(yīng)

在端系統(tǒng)的輸出端，為了控制對網(wǎng)絡(luò)延遲確定性的影響，每條虛鏈路的最大抖動Max_Jitter滿足如下公式的限制：

其中，Nbw是物理連接帶寬100Mb/s，Lmaxi是虛鏈路VLi允許的最大幀長.第一個公式的時延是由其他虛鏈路數(shù)據(jù)幀所引起的，40μs是典型的固定技術(shù)延遲；第二個公式是一個硬性限制，與虛鏈路數(shù)量無關(guān).

3)冗余管理

傳統(tǒng)的提高以太網(wǎng)可靠性的基本方法是：采用虛擬鏈路技術(shù)和冗余管理,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院痛_定性[6].與傳統(tǒng)方法不同，AFDX網(wǎng)絡(luò)為了提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，雙通道同時進行數(shù)據(jù)發(fā)送，在接收端進行冗余管理，如圖6所示.

冗余管理(Redundancy management)在每條虛鏈路的基礎(chǔ)上進行操作，發(fā)送和接收端系統(tǒng)按下面的方式進行特定虛鏈路上的通信：冗余配置下，發(fā)送端將每個數(shù)據(jù)幀在數(shù)據(jù)字段之后添加一個1字節(jié)的順序號(Sequence Number)字段并復(fù)制成兩份，分別通過物理上獨立的交換設(shè)備向目的端系統(tǒng)發(fā)送；接收端通過對順序號進行完整性檢查，根據(jù)“接收最先收到且有效”(First Valid Wins)的原則，重建一個沒有副本的單一序列流.

如果兩個都傳輸正常，則后到的被丟棄，如果一個傳輸出現(xiàn)了故障，用另一個來替代.這樣一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的癱瘓不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的通信，從而減少了數(shù)據(jù)的丟失，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性.

圖6 冗余管理

2 端系統(tǒng)設(shè)計概述

本文將端系統(tǒng)的設(shè)計分為網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計兩大部分，其中網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成端系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口功能，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧完成端系統(tǒng)的協(xié)議接口功能.

2.1 端系統(tǒng)實現(xiàn)功能

端系統(tǒng)在AFDX網(wǎng)絡(luò)中起到網(wǎng)絡(luò)接口單元和協(xié)議接口單元的作用，它負責將應(yīng)用系統(tǒng)連接到AFDX網(wǎng)絡(luò)，同時保證各系統(tǒng)設(shè)備之間通過簡單的消息端口實現(xiàn)通訊.整個網(wǎng)絡(luò)的確定性主要由端系統(tǒng)保證，主要實現(xiàn)以下功能：

(1)系統(tǒng)管理：對端系統(tǒng)中各條虛鏈路進行配置，配置內(nèi)容包括：網(wǎng)絡(luò)ID、設(shè)備ID和狀態(tài)，虛鏈路中的帶寬分配間隔BAG、最大幀長Lmax、冗余管理等參數(shù).

(2)信息封裝/解封：發(fā)送過程中對應(yīng)用層過來的信息進行UDP、IP、MAC的逐層封裝，封裝的首部內(nèi)容由虛鏈路的配置參數(shù)決定；接收過程中對網(wǎng)絡(luò)上過來的信息進行MAC、IP、UDP的逐層解封并提交給應(yīng)用層.

(3)流量整形：發(fā)送之前虛鏈路整形器對消息幀流進行整形，保證每條虛鏈路在一個BAG時間內(nèi)所發(fā)出的數(shù)據(jù)包不超過一個.

(4)虛鏈路調(diào)度：當發(fā)送端擁有多條虛鏈路時，虛鏈路調(diào)度器對來自整形器的數(shù)據(jù)幀流進行調(diào)度，以滿足具有不同實時性要求的應(yīng)用.

(5)冗余管理：為了保證信息的可靠傳輸，在發(fā)送端系統(tǒng)中對每條虛鏈路的數(shù)據(jù)幀采用兩條獨立的網(wǎng)絡(luò)路徑進行傳輸；在接收端系統(tǒng)中首先對每條路徑中數(shù)據(jù)幀順序號進行完整性檢查，然后根據(jù)“最先收到且有效”的原則進行冗余管理，消除數(shù)據(jù)幀的冗余拷貝.

2.2 端系統(tǒng)設(shè)計方案

本文依據(jù)端系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，將端系統(tǒng)的設(shè)計分成兩大部分：網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計，總體設(shè)計方案如圖7所示.

1)網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成端系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口功能，主要包括硬件原理設(shè)計、FPGA邏輯設(shè)計兩部分設(shè)計.其中，F(xiàn)PGA邏輯設(shè)計是研究重點，主要是設(shè)計提供AFDX網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制MAC控制器IP核，實現(xiàn)100Mbps傳輸速率以及半雙工和全雙工兩種工作模式.

2)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧完成端系統(tǒng)的協(xié)議接口功能，直接影響端系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，是端系統(tǒng)設(shè)計的核心.

圖7 端系統(tǒng)實現(xiàn)方案

3 AFDX網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計的重點是FPGA邏輯設(shè)計,FPGA邏輯設(shè)計主要是設(shè)計提供AFDX網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制兩個獨立的MAC控制器IP核，實現(xiàn)100Mbps傳輸速率以及半雙工和全雙工兩種工作模式.

MAC控制器IP核提供AFDX網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制功能，向上層協(xié)議提供符合PCI規(guī)范主機接口，向物理層芯片PHY提供標準的MII接口，實現(xiàn)100Mbps傳輸速率以及半雙工和全雙工兩種工作模式.

本文將整個MAC控制器IP核的設(shè)計包括三部分工作：MAC層設(shè)計、主機接口設(shè)計、MII接口設(shè)計.總體設(shè)計框圖如圖8所示.

圖8 MAC控制器IP核總體設(shè)計框圖

1)MAC層設(shè)計

主要包括發(fā)送模塊、接收模塊、MAC狀態(tài)模塊、MAC控制模塊的4個模塊的設(shè)計.發(fā)送接收模塊主要提供MAC幀的發(fā)送和接收功能，完成MAC幀的封包和解包以及差錯檢查操作；MAC狀態(tài)模塊監(jiān)視MAC操作過程中的各種狀態(tài)信息；MAC控制模塊執(zhí)行全雙工模式中的流量控制功能.

2)MII接口設(shè)計

通過MII管理模塊向物理層芯片PHY提供符合IEEE802.3標準的MII接口，完成MAC和PHY之間的數(shù)據(jù)傳遞和控制.

3)主機接口設(shè)計

通過主機接口模塊向上層協(xié)議提供符合PCI規(guī)范的接口，并提供用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的隊列緩沖區(qū)以及對控制器內(nèi)部的各種寄存器(控制、狀態(tài)、命令)的設(shè)置.

4 協(xié)議棧設(shè)計方案

4.1 協(xié)議棧實現(xiàn)架構(gòu)

AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是整個端系統(tǒng)設(shè)計的核心，要實現(xiàn)信息的逐層封裝/解封，完成整形、調(diào)度、冗余等影響端系統(tǒng)關(guān)鍵特性的關(guān)鍵技術(shù).

依據(jù)AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實現(xiàn)的功能，借鑒開源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的設(shè)計方法，本文提出AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實現(xiàn)架構(gòu)如圖9所示.在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，主要是設(shè)計實現(xiàn)虛鏈路調(diào)度算法和流量整形算法，其中流量整形算法完成鏈路帶寬資源的有效分配；虛鏈路調(diào)度控制虛鏈路數(shù)據(jù)傳輸延遲抖動.在數(shù)據(jù)接收過程中，通過設(shè)計完整性檢查和冗余管理算法，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蛲暾院涂煽啃?

為了提高協(xié)議的運行效率，本文在協(xié)議棧設(shè)計過程中通過定義虛鏈路控制塊Vlcblk獲取構(gòu)建數(shù)據(jù)幀首部所需的信息，從而傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議棧的動態(tài)地址映射協(xié)議無需實現(xiàn)，在協(xié)議級有效地規(guī)避了動態(tài)地址映射帶來的處理時延.

圖9 協(xié)議棧實現(xiàn)架構(gòu)

4.2 發(fā)送協(xié)議棧設(shè)計

根據(jù)本文提出的協(xié)議棧實現(xiàn)架構(gòu)，用戶在完成對端系統(tǒng)中虛鏈路的配置后，通過通訊端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到端系統(tǒng)協(xié)議棧進行處理.從應(yīng)用層過來的數(shù)據(jù)到達傳輸層，首先通過調(diào)用UDP輸出例程填充UDP首部信息；然后調(diào)用IP輸出例程進行網(wǎng)際層處理，主要是進行IP分片處理、首部校驗和計算、填充IP首部信息，并完成數(shù)據(jù)幀首部信息的填充和基于虛鏈路的順序號添加，將封裝后的數(shù)據(jù)幀掛在對應(yīng)虛鏈路控制塊VLcblk的發(fā)送隊列vlcb_txq中；最后進行鏈路層處理，主要是完成流量整形、虛鏈路調(diào)度和發(fā)送冗余管理.

4.3 接收協(xié)議棧設(shè)計

數(shù)據(jù)接收過程中，從網(wǎng)絡(luò)上過來的數(shù)據(jù)，首先進行數(shù)據(jù)鏈路層的完整性檢查和接收冗余管理，重建一條沒有副本的單一序列流，然后進入網(wǎng)際層進行IP首部校驗、分片重組的處理，最后經(jīng)傳輸層傳送到相應(yīng)通訊端口并提交給應(yīng)用.

5 實驗驗證

協(xié)議棧測試屬于軟件黑盒測試的范疇，通過控制觀察協(xié)議棧實現(xiàn)的外部行為對其進行評價.

5.1 驗證方案

本文借鑒協(xié)議測試理論的相關(guān)方法，對所設(shè)計的協(xié)議棧實體主要進行一致性和協(xié)議性能兩個方面的測試.AFDX具有獨立的發(fā)送和接收通道，是一種全雙工網(wǎng)絡(luò).對于 AFDX協(xié)議棧，在虛擬鏈路層的仿真驗證只需要分別對發(fā)送功能模塊和接收功能模塊進行頂層模塊仿真驗證.

仿真驗證中，輸入數(shù)據(jù)設(shè)定為 60bytes，發(fā)送功能模塊的寫接口為 32bits，分15個字寫入.同時配置冗余發(fā)送狀態(tài)VL0、VL1和 VL2分別為冗余發(fā)送、只發(fā)送到網(wǎng)絡(luò) A、只發(fā)送到網(wǎng)絡(luò) B.接受功能模塊類似于發(fā)送功能模塊的驗證流程.將接收功能模塊在集成綜合環(huán)境ISE軟件下進行編譯，然后編寫相應(yīng)的測試程序，在仿真平臺上對所實現(xiàn)的接收功能模塊進行仿真.根據(jù)由仿真平臺配置的仿真參數(shù)，對其進行仿真，并觀察仿真結(jié)果.

5.2 驗證結(jié)論

通過協(xié)議一致性和協(xié)議性能兩個方面的測試，結(jié)合具體的波形結(jié)果，表明本文所設(shè)計AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧滿足AFDX網(wǎng)絡(luò)標準的靜態(tài)符合性要求，可以有效保證虛鏈路帶寬和服務(wù)質(zhì)量，滿足AFDX網(wǎng)絡(luò)的順序完整性要求，具備冗余容錯性能，實現(xiàn)了預(yù)期的主要設(shè)計指標.

6 結(jié)束語

結(jié)合AFDX網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點，借鑒網(wǎng)絡(luò)QoS流量分類方法，本文提出了一種適合AFDX網(wǎng)絡(luò)的“分層優(yōu)先級隊列”端系統(tǒng)調(diào)度算法，并基于網(wǎng)絡(luò)演算方法建立數(shù)學(xué)模型對其進行了性能分析，為AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)設(shè)計提供了必要的前期準備.提出了AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，完成了端系統(tǒng)協(xié)議棧級、可編程邏輯級、板級三個方面的設(shè)計，重點研究網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實現(xiàn)，突破了整形、調(diào)度、冗余等關(guān)鍵技術(shù)，給出了關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)算法.經(jīng)過測試表明：本文研究實現(xiàn)的內(nèi)容符合AFDX網(wǎng)絡(luò)標準規(guī)范的要求，實現(xiàn)了預(yù)期的主要設(shè)計指標. 以上研究成果為推動AFDX網(wǎng)絡(luò)的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，可以為具有實時性和可靠性要求的軍用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供參考和借鑒.

如何通過FPGA嵌入軟核處理器NiosII實現(xiàn)板載協(xié)議棧，進一步提高協(xié)議運行效率；如何在端系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，開展AFDX交換機的應(yīng)用研究，最終完成對AFDX網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究是下一步研究的課題.

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