1.AFDX應(yīng)用情況
    1.1. 空客

    AFDX在空中客車A380和A400M中均有使用。
    AFDX作為A380大型客機(jī)的航空電子綜合化網(wǎng)絡(luò)，對(duì)機(jī)上飛行控制、座艙、動(dòng)力、燃油、機(jī)艙等系統(tǒng)的電子設(shè)備進(jìn)行互連，并考慮到飛機(jī)的冗余控制和左右的空間布局，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问綖椋汗歉山粨Q機(jī)與接入交換機(jī)，每個(gè)接入交換機(jī)與大約20個(gè)端系統(tǒng)全雙工相連，總共150~200節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)連接具有冗余鏈路。

    1.2. 波音

    AFDX的應(yīng)用實(shí)例還包括波音787 和波音767-400ER通信與飛行管理系統(tǒng)。

    1.3. 國(guó)內(nèi)

    我國(guó)的大飛機(jī)已確定用AFDX系統(tǒng)，在AFDX被提出之前，我國(guó)也對(duì)交換式以太網(wǎng)在軍用平臺(tái)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，其中，雙冗余交換式以太網(wǎng)已經(jīng)在我國(guó)的艦船上得到了應(yīng)用，艦載電子設(shè)備空間分布廣，與大型機(jī)上的應(yīng)用環(huán)境有著類似的地方。
    目前，我國(guó)對(duì)AFDX的研究是與先進(jìn)航空電子綜合化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行的，各相關(guān)的科研院所、大專院校均已用GE的AFDX的產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)與工程應(yīng)用。

2. AFDX技術(shù)
    2.1. 什么是AFDX

    AFDX全稱為航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)（Avionics Full Duplex SwitchedEthernet ），簡(jiǎn)稱AFDX，它是為在航空子系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而定義的一種協(xié)議（IEEE 802.3和ARINC 664 Part7）標(biāo)準(zhǔn)，是基于ARINC429和1553B基礎(chǔ)之上的一種總線通信協(xié)議規(guī)范（ARINC664）。
    AFDX是機(jī)載交換式網(wǎng)絡(luò)的代表，也是大型機(jī)航空電子網(wǎng)絡(luò)的有價(jià)值的候選方案。AFDX發(fā)源于商用交換式以太網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)航空電子的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了改造，獲得產(chǎn)業(yè)界的廣泛支持，并且已由航空電子工程委員會(huì)（AEEC）發(fā)布了ARINC 664 part 1~part 8規(guī)范草案。

    2.2. AFDX用途

    AFDX網(wǎng)絡(luò)是大型運(yùn)輸機(jī)和民用機(jī)載電子系統(tǒng)綜合化互聯(lián)的適宜的解決方案。
    傳統(tǒng)大型飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)的信息處理密度小于主戰(zhàn)飛機(jī)，它們的航空電子系統(tǒng)由成套的分立式設(shè)備組成。然而，大型飛機(jī)的航空電子系統(tǒng)不會(huì)停滯不前，機(jī)載電子系統(tǒng)會(huì)涉及到高性能的處理與信息綜合與融合任務(wù)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，綜合式模塊化是航空電子系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。因此，我們的確需要從實(shí)際情況出發(fā)，采用一種既能夠滿足信息綜合強(qiáng)度和實(shí)時(shí)性能保證的要求，又能夠兼顧多代既有的航電設(shè)備，而且能夠穩(wěn)步地過(guò)渡到先進(jìn)的航空電子體系結(jié)構(gòu)的開放式網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)，航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)（AFDX）就是這種應(yīng)用條件下成功的典范。

2.3. AFDX與1553B,ARINC429的區(qū)別

    ARINC429和1553B兩種實(shí)用化機(jī)載總線都經(jīng)過(guò)了多年的實(shí)際應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)也是毋庸置疑的。但是，它們同時(shí)也存在不同程度的缺點(diǎn)。MIL-STD-1553B總線的主要缺點(diǎn)是采用了總線控制器，整個(gè)總線系統(tǒng)的通信是在總線控制器的指揮下完成的，這給總線帶來(lái)潛在的單點(diǎn)故障可能性，一旦總線控制器失效，將造成整個(gè)總線系統(tǒng)的癱瘓。雖然可以增加一個(gè)備用總線控制器來(lái)提高總線的可靠性，但這樣就大大增加了系統(tǒng)軟硬件的復(fù)雜程度。同時(shí)1553B總線雖然提高了綜合化程度，但是單條1553B總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)目不能超過(guò)31個(gè)，集中式的總線調(diào)度限制了系統(tǒng)升級(jí)和適應(yīng)多任務(wù)的靈活性。

    ARINC429總線雖然沒(méi)有總線控制器，但是為了使消息在總線上有序的傳輸而不發(fā)生碰撞，其付出的代價(jià)是只能使一個(gè)信源連接一條ARINC429總線，這必然大大增加了電纜重量和聯(lián)接器的數(shù)量，這給航空電子系統(tǒng)進(jìn)行更大規(guī)模的綜合帶來(lái)不可逾越的障礙。

    AFDX的傳輸速度可以達(dá)到100Mbit/s甚至更高，傳輸介質(zhì)為銅制電纜或光纖。AFDX中沒(méi)有總線控制器，不存在1553B中的集中控制問(wèn)題。同時(shí)，AFDX采用接入交換和骨干交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使它的覆蓋范圍和可以支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了1553B總線。

    在ARINC429中，一個(gè)發(fā)送機(jī)可以連接20個(gè)接收機(jī)。而在AFDX中，發(fā)送機(jī)連接的接收機(jī)的數(shù)量?jī)H由交換機(jī)端口的數(shù)目限制。同樣，通過(guò)交換機(jī)的串連，可以很容易的將接收機(jī)的數(shù)量增加到需要的數(shù)目。另外，根據(jù)ARINC 664 part7 “確定型網(wǎng)絡(luò)”草案的規(guī)定，AFDX采用虛擬鏈路（virtual link, VL）技術(shù)替代數(shù)目眾多的ARINC 429單向傳輸總線，大大減少了電纜的重量和聯(lián)接器的數(shù)量，使航空電子系統(tǒng)可以進(jìn)行大規(guī)模的綜合。

    幾種總線性能指標(biāo)對(duì)比如下：
ARINC429 1553B AFDX 商用 以太網(wǎng) FC 應(yīng)用機(jī)種 A310，A300，600 波音757-767 F16，F(xiàn)18，B-1 A380，A400M 波音787 ，波音767-400ER 傳輸速率 低速為12～14.5kb/s；高速為100kb/s 1Mbps 10/100/ 1000M/bit 10/100 /1000M/bit 1Gbps 實(shí)時(shí)性 高 較高 高 低 高 消息最大數(shù)據(jù)字節(jié) 4 32 1518 1518 2112 傳輸方式 單工 半雙工 全雙工 半雙工/全雙工 仲裁環(huán) 通訊方式 異步 異步 傳輸碼型 雙極性歸零碼 曼徹斯特雙極性碼 耦合方式 直接耦合 變壓器耦合 傳輸介質(zhì) 屏蔽雙絞線 屏蔽雙絞線 光纖/電纜 光纖/電纜 光纖 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 總線型 星型 星型 星型 最大終端數(shù) 20 32 冗余特性 不支持 支持 支持 不支持 不支持 標(biāo)準(zhǔn)頒布時(shí)間 1977 1978     目前機(jī)載總線主要有ARINC429、1553B、AFDX、商用以太網(wǎng)和FC等。

    ARINC429總線傳輸速率僅有100Kbps，由于是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式，所以多個(gè)分系統(tǒng)之間相互傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要多條數(shù)據(jù)總線，從而大大增加了機(jī)載電纜的數(shù)量。

    1553B總線實(shí)時(shí)性較高，總線速度最高只能達(dá)到1Mbps，并且需要總線控制器進(jìn)行總線的統(tǒng)一調(diào)度，比較適用于分系統(tǒng)之間控制指令的傳輸，不適合分系統(tǒng)間大數(shù)據(jù)量的傳輸。

    FC的傳輸速率雖然達(dá)到1Gbps，但構(gòu)建機(jī)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成本較高，再加上目前國(guó)內(nèi)技術(shù)不成熟，無(wú)法直接用于機(jī)載型號(hào)的研制。

    商用以太網(wǎng)傳輸速度可以達(dá)到10/100/1000M/bit，適合大數(shù)據(jù)量的傳輸，但商用以太網(wǎng)協(xié)議本身并不能保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

    AFDX的傳輸速率一般為100Mbps，采用商用以太網(wǎng)的MAC和物理鏈路，從而大大降低了總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全壽命周期成本，另外通過(guò)對(duì)商用以太網(wǎng)的傳輸協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造，并增加了虛擬鏈路（VL）的概念，同時(shí)通過(guò)雙余度的傳輸網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。目前，AFDX總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到民用客機(jī)A380、B787、ARJ21和軍用運(yùn)輸機(jī)A400M上。

    2.4. AFDX組成

    2.4.1. AFDX網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>

    AFDX具有封閉的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌�拓�(fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型。AFDX網(wǎng)絡(luò)主要由端系統(tǒng)（end-system），AFDX交換機(jī)（switch）以及傳輸鏈路（link）組成。

2.4.2. 端系統(tǒng)

    端系統(tǒng)是構(gòu)成AFDX網(wǎng)絡(luò)的一種重要網(wǎng)絡(luò)元件，它嵌入在每個(gè)航空電子子系統(tǒng)中，將子系統(tǒng)與AFDX網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，它負(fù)責(zé)消息的發(fā)送和接收。AFDX“確定型網(wǎng)絡(luò)”的特性主要由端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，這些特性主要包括：流量整形、完整性檢測(cè)和冗余管理等。

    2.4.3. AFDX交換機(jī)

    交換機(jī)就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備。相比于商用以太網(wǎng)交換機(jī)，AFDX交換機(jī)具備了過(guò)濾功能、交換功能、故障隔離、靜態(tài)路由等特點(diǎn)。

2.5. 功能

    2.5.1. AFDX幀結(jié)構(gòu)

    AFDX網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男盘?hào)和以太網(wǎng)一樣是以幀的形式存在的，幀是以太網(wǎng)通信信號(hào)的基本單元。AFDX幀結(jié)構(gòu)遵守由IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)。

 2.5.2. 實(shí)時(shí)性

    AFDX是一種確定型網(wǎng)絡(luò)，其確定性其中很重要的一部分是指時(shí)間的確定性，即網(wǎng)絡(luò)保證給定的處理（或通信傳輸）會(huì)在確定的時(shí)間段內(nèi)（截止期限）內(nèi)完成。AFDX的實(shí)時(shí)性是通過(guò)流量整形機(jī)制來(lái)保證的。在介紹流量整形機(jī)制之前首先對(duì)幾個(gè)AFDX中的重要概念進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

    2.5.3. 冗余管理

    AFDX網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行時(shí)需要兩個(gè)互為冗余的交換網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B），AFDX通過(guò)冗余路徑來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。在端系統(tǒng)中，每個(gè)需要發(fā)送的幀都被復(fù)制，然后分別發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B上，最后幀和其副本都被傳送到目的端系統(tǒng)中。

3.航電系統(tǒng)方案
    AFDX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，航電系統(tǒng)通過(guò)端系統(tǒng)與AFDX仿真網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接。端系統(tǒng)嵌入在航電系統(tǒng)中。一般來(lái)說(shuō)，航電系統(tǒng)能夠支持多個(gè)航空電子子系統(tǒng)。任務(wù)分區(qū)給同一個(gè)航電系統(tǒng)中的航空電子子系統(tǒng)提供了隔離。

4.AFDX船舶系統(tǒng)可行性方案
    新型的船舶主動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)是以雙環(huán)冗余工業(yè)以太網(wǎng)及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，結(jié)合嵌入式雙冗余主機(jī)系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)（現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換）、智能人機(jī)交互系統(tǒng)、智能圖像監(jiān)控采集終端、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端等嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和智能模塊構(gòu)成的對(duì)船舶主動(dòng)力系統(tǒng)（包括柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、推進(jìn)電機(jī)等及附件）進(jìn)行監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

    但這種雙環(huán)冗余工業(yè)以太網(wǎng)還是存在著以太網(wǎng)的先天缺陷：即通訊的不可控、不確定和強(qiáng)占帶寬等缺點(diǎn)。

    AFDX網(wǎng)絡(luò)可解決這些潛在的通訊問(wèn)題，其存在優(yōu)勢(shì)如下：

    · 現(xiàn)有的船舶主動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)是以雙環(huán)冗余工業(yè)以太網(wǎng)及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，而AFDX網(wǎng)絡(luò)也是基于以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)范改進(jìn)的。

    · 隨著船舶主動(dòng)力系統(tǒng)日趨復(fù)雜，船舶主動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。AFDX可滿足高可靠性要求。

    · AFDX在國(guó)外的大飛機(jī)上得到成功應(yīng)用，國(guó)內(nèi)大飛機(jī)AFDX系統(tǒng)已在各研究所得到測(cè)試和仿真。這種星型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可拓展的很多領(lǐng)域，尤其船舶行業(yè)最為被看好，將來(lái)會(huì)有大量的應(yīng)用空間。

    · 首先船舶內(nèi)部通訊、聯(lián)絡(luò)裝置各節(jié)點(diǎn)分布類似大飛機(jī)的各個(gè)ES,如果用AFDX網(wǎng)絡(luò)替代原有的1553和其它總線，這必然大大減少了電纜重量和聯(lián)接器的數(shù)量，這給船舶電子系統(tǒng)進(jìn)行更大規(guī)模綜合的控制和組網(wǎng)帶來(lái)革命性的改變。

    · AFDX的傳輸速度、信息綜合強(qiáng)度和實(shí)時(shí)性、冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全可以滿足現(xiàn)代各種船舶的控制需求。

    · AFDX的低成本及開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是下一代船舶控制的最佳選擇。

    · 同時(shí)，AFDX采用接入交換和骨干交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使它的覆蓋范圍和可以支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了1553B總線。