AFDX-TAP設備研究與實(shí)現

摘要 提出了一種串聯(lián)植入式的AFDX網(wǎng)絡(luò )TAP設備實(shí)現方法，從AFDX組網(wǎng)方式分析驗證該TAP設備可以實(shí)現對AFDX網(wǎng)絡(luò )的透明監測，并針對這種實(shí)現方式，提出軟硬件解決方案，驗證了該串聯(lián)植入方式的TAP設備，可以有效地監測AFDX網(wǎng)絡(luò )的工作狀態(tài)和測試航空交換式以太網(wǎng)的可靠性與穩定性。
關(guān)鍵詞 交換式以太網(wǎng)；測試接入點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò )監測

航空全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full PuplexSwitched Ethernet，AFDX)通過(guò)采用電信標準的異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)概念來(lái)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計具有更高的可靠性，星形拓撲結構可以實(shí)現更好的網(wǎng)絡(luò )拓撲，在實(shí)時(shí)性方面得到了改進(jìn)，更好地適應于航空電子的需求。AFDX網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)封閉的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，如圖1所示AFDX網(wǎng)絡(luò )主要由端系統(End-System)、交換機(Switch)以及傳輸鏈路(Link)組成。每一個(gè)端系統有一條直接的雙向鏈路連到交換機，另外端系統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構保證了端系統之間的數據通路以及帶寬，使所有數據以一種確定性的方式在網(wǎng)絡(luò )中傳輸。
測試是航空系統集成過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節，掌握航空系統每個(gè)單獨模塊以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò )在正常工作或出現網(wǎng)絡(luò )錯誤時(shí)所表現的特征是重要的。航空交換式以太網(wǎng)為確保網(wǎng)絡(luò )上數據及時(shí)的傳送以及數據的完整性，需要對網(wǎng)絡(luò )的性能進(jìn)行測試。AFDX網(wǎng)絡(luò )TAP(Test Access Point)是AFDX網(wǎng)絡(luò )測試過(guò)程中的重要設備。AFDX網(wǎng)絡(luò )TAP在傳統設備的基礎上，需要測試AFDX網(wǎng)絡(luò )的確定性、容錯性、可靠性等。

1 AFDXTAP設備功能分析
傳統以太網(wǎng)TAP方式是將TAP設備植入到以太網(wǎng)中，一方面TAP設備的植入對以太網(wǎng)數據通信無(wú)影響，另一方面，TAP設備將以太網(wǎng)中的數據“復制”，對數據進(jìn)行分析監測；傳統以太網(wǎng)TAP卡可以永久植入到以太網(wǎng)中，也可以根據需要臨時(shí)串接，TAP設備對以太網(wǎng)無(wú)影響。傳統的以太網(wǎng)TAP設備可以實(shí)現以太網(wǎng)數據幀的轉發(fā)、捕獲功能。
AFDX網(wǎng)絡(luò )由于其應用場(chǎng)景以及實(shí)現方式的特殊性，除了保證實(shí)現數據幀的轉發(fā)和捕獲功能、TAP設備的植入對AFDX網(wǎng)絡(luò )的數據通信無(wú)影響等傳統以太網(wǎng)TAP設備具有的功能外，網(wǎng)絡(luò )可靠性、實(shí)時(shí)性、容錯性以及組網(wǎng)合理性等AFDX網(wǎng)絡(luò )重要的特點(diǎn)應該得到測試驗證。
有些芯片中，通過(guò)IEEE1149．1規定的接口作為芯片的TAP，在儲如此類(lèi)的芯片中，JTAG通常具有掃描芯片、測試等多種功能；在A(yíng)FDX網(wǎng)絡(luò )中，TAP設備可以具有JTAG相類(lèi)似的功能，可以?huà)呙鐰FDX網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，監測AFDX網(wǎng)絡(luò )具有多少ES節點(diǎn)、交換機等，另外通過(guò)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(gè)重要功能，檢查網(wǎng)絡(luò )對錯誤的反應和錯誤容限是AFDX網(wǎng)絡(luò )測試過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節；TAP卡作為AFDX網(wǎng)絡(luò )的監測設備，應該具有對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 )上數據通信的錯誤監測和AFDX網(wǎng)絡(luò )對錯誤數據幀的響應；冗余鏈路數據幀的捕獲、解析可以監測網(wǎng)絡(luò )上錯誤數據幀；另外，TAP設備應該能實(shí)現錯誤注入功能，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(guò)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，以測試AFDX網(wǎng)絡(luò )的容錯性能。
根據前述分析，TAP設備至少具有AFDX網(wǎng)絡(luò )數據幀的捕獲與解析、數據轉發(fā)、數據鏈路的建立、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設備
由圖1可知，AFDX網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)復雜，端系統(ES)和交換機(SW)是AFDX網(wǎng)絡(luò )重要的組成部分，TAP端口放在端系統與交換機之間可以有效監測兩者之間的通信鏈路，兩種設備的工作狀態(tài)。在端系統與交換機之間放置TAP設備是AFDX組網(wǎng)的理想選擇。TAP設備可以串聯(lián)植入到AFDX網(wǎng)絡(luò )中，圖2所示為將TAP設備植入到典型的AFDX網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中。

圖2所示的組網(wǎng)形式，TAP設備串聯(lián)植入到AFDX網(wǎng)絡(luò )中，這種方式TAP設備可以實(shí)現交換機與端系統之間的透明數據通路，即TAP設備可以認為是一個(gè)“中繼器”，這樣AFDX網(wǎng)絡(luò )的工作無(wú)任何影響。這個(gè)結構也可以實(shí)現交換機與端系統數據通路的數據捕獲，進(jìn)而監測AFDX網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)。TAP設備可以在數據轉發(fā)的過(guò)程中對AFDX網(wǎng)絡(luò )注入錯誤，這種錯誤注入可以在A(yíng)FDX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設備可以觸發(fā)數據的虛擬鏈路，通過(guò)發(fā)起的虛擬鏈路以及自身的響應可以自動(dòng)識別整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構。

3 串聯(lián)植入方式的TAP設備實(shí)現
數據轉發(fā)是AFDX-TAP設備最重要的功能特征，另外數據采集是監測系統完成監測的主要實(shí)現過(guò)程，從實(shí)現的角度來(lái)說(shuō)，數據的處理較為靈活。在數據處理中，控制電路要實(shí)現端系統和交換機之間的數據交換，還可以獨立的完成數據幀的發(fā)送，這個(gè)電路結構在FPGA中實(shí)現比較合適。圖3是一種串聯(lián)植入方式的AFDX-TAP設備硬件實(shí)現方案。AFDX總線(xiàn)為全雙工冗余網(wǎng)絡(luò )，協(xié)議規定沒(méi)路的數據帶寬為10／100 Mbit·s-1，對于TAP設備，若實(shí)現全雙工冗余鏈路的數據捕獲，則TAP設備與上位機之間的數據帶寬要滿(mǎn)足≤100 Mbit·s-1x2×2=400 Mbit·s-1；設計選用USB2．0作為T(mén)AP設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(mǎn)足設備對數據帶寬的需求。在設計中，使用FPGA作為數據處理的核心器件，可以靈活處理數據流的傳送方式。在監測模式下，端系統與交換機之間的數據鏈路經(jīng)過(guò)TAP設備的PHY芯片進(jìn)入FPGA，在FGPA內部，MII的數據鏈路一方面不經(jīng)過(guò)MAC進(jìn)行數據轉發(fā)；另一方面，數據送至MAC，MAC將數據解析打包后送至TAP設備數據緩存區，等待USB將數據發(fā)送至上位機；傳送至上位機的數據幀為簡(jiǎn)單處理的數據，上位機接收數據后還需進(jìn)一步對數據進(jìn)行解析以達到對網(wǎng)絡(luò )監控的目的。另外，TAP設備可以實(shí)現數據鏈路的錯誤注入，ES與交換機之間的數據，TAP設備捕獲后，在數據幀中注入不同等級的錯誤，如數據幀的CRC錯誤、幀大小錯誤等，通過(guò)MAC將數據幀發(fā)送，進(jìn)而可以觀(guān)察AFDX網(wǎng)絡(luò )其他設備的響應，從而達到對AFDX網(wǎng)絡(luò )容錯能力的測試。

根據TAP設備傳送的數據，上位機可以實(shí)時(shí)監控AFDX網(wǎng)絡(luò )的工作狀態(tài)，上位機軟件通過(guò)USB接口接收AFDX數據幀，并對數據實(shí)時(shí)解析，通過(guò)數據解析只能分析AFDX網(wǎng)絡(luò )的工作狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò )上的數據傳送情況，根據監測需求對AFDX網(wǎng)絡(luò )數據解析，以對AFDX各方面進(jìn)行監測。上位機軟件可以把解析AFDX網(wǎng)絡(luò )數據幀進(jìn)行重新打包，通過(guò)USB接口快速傳送至TAP設備，TAP設備按照上位機的指示對AFDX網(wǎng)絡(luò )錯誤注入，進(jìn)而達到對AFDX網(wǎng)絡(luò )錯誤容錯能力的測試。圖4為T(mén)AP設備監控網(wǎng)絡(luò )錯誤統計界面。圖5為T(mén)AP設備監測AFDX網(wǎng)絡(luò )數據幀的界面。

4 結束語(yǔ)
在傳統以太網(wǎng)TAP設備的基礎上，研究了AFDX網(wǎng)絡(luò )TAP設備在網(wǎng)絡(luò )中應完成的功能，討論了AFDX-TAP應在A(yíng)FDX監控測試中所承擔的任務(wù)，基于提出的問(wèn)題，設計了一種串聯(lián)植入方式的AFDX網(wǎng)絡(luò )TAP設備，并證明，這種TAP設備可以有效地實(shí)現對AFDX網(wǎng)絡(luò )可靠性、確定性、容錯性等各種功能的監測。