AFDX网络端系统测试方法及实现

分类：计算机网络论文发表 时间：2020-12-15 10:00 关注：(1)

　　AFDX端系统是AFDX网络与航空电子系统之间的接口部件，为各类航电设备提供高实时性和高可靠性的通信服务。为了有效验证端系统功能性能，设计了一种AFDX端系统测试平台。经测试验证，该测试设备能有效地对AFDX端系统进行测试和评估。

　　关键词：AFDX端系统；PCES仿真卡；测试

　　1概述

　　AFDX(AvionicsFullDuplexSwitchedEthernet)网络是一种高实时性、高可靠性、低延时性和确定性的航空总线[1]。AFDX网络通过控制虚链路的传输速率提高网络的实时性；通过完整性校验和冗余管理实现网络传输的高可靠性，通过采用全双工交换机和异步传输方式，来减少数据帧的延时，通过采用固定拓扑结构实现网络配置的确定性。以上技术使得AFDX网络具有极好的通信性能，并在航电系统中得到了广泛应用。AFDX网络采用星型双余度拓扑结构，主要由端系统、交换机和虚链路3部分组成。其中AFDX端系统能够发送和接收AFDX数据，完成虚链路VL（VirtualLink）隔离、发送端流量整形、接收端冗余数据管理、接收端VL标号识别、完整性检测等操作[2]。为了测试端系统的功能性能，设计出了一种满足多种测试需求的AFDX端系统测试平台，并在实验室环境下，对AFDX端系统模块的各项性能指标进行了测试。

　　2AFDX端系统

　　AFDX网络协议可以分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。其中，物理层基于AFDX端系统的两路PHY芯片实现，每个PHY芯片能提供一路通信接口；数据链路层协议通过FPGA逻辑实现，完成AFDX端系统的VL调度功能和冗余管理；网络层和传输层协议由运行在处理器上的驱动软件实现，完成对数据的封装、分片、重组等功能。AFDX端系统通过硬件和软件的配合使用能够实现以上4层协议的功能。应用层功能主要包含基于ARINC664通信的主机应用功能、SNMP网络管理功能及文件加卸载功能，这部分应用软件通常运行在主机端模块上。AFDX端系统需要保障数据在传输中的安全性和可靠性。其主要功能包括：（1）配置加载。通信配置是AFDX网络通信的基础，AFDX端系统的通信配置应该包括：端系统基本配置、通信端口配置、虚链路配置、ICMP配置信息。（2）端口通信。通过AFDX端口完成数据的发送与接收。AFDX网络提供3种通信端口，其中采样端口和队列端口为通信端口，SAP端口为上层服务端口。采样端口只有一个缓冲区，当有新消息时，缓冲区内已有的消息将被覆盖。而队列端口设置有多个缓冲区，采用先进先出的机制缓冲数据。SAP端口主要用于文件传输和网络管理等功能。（3）虚链路调节。虚链路VL之间实现逻辑独立是通过限制虚链路的带宽分配间隙BAG(BandwidthAllo-cationGap)和AFDX数据帧的最大长度Lmax实现的。为了确保每条虚链路的带宽分配间隙，调整器在发送前会对消息帧流进行调整。（4）多路调度。当端系统有多个发送任务时，调度器会根据BAG通过流量控制实现多路数据流的信道复用，防止信息帧发送冲突。（5）完整性检查。为了保证每条虚链路上数据传输的可靠性，端系统会对接收到的数据进行完整性检查。当没有故障时，完整性检查会直接将接收到的数据帧传递给冗余管理。当发生故障时，完整性检查将去除无效帧。完整性检查功能对顺序号在[PSN+1,PSN+2]的区间中进行帧检查，PSN为该VL接收到前一个有效帧的顺序号[5]。（6）冗余管理。为了能够保证数据能安全发送，避免数据在传输过程中丢失，AFDX网络采用两个独立的冗余网络进行数据传输。冗余管理会比较两个通过完整性检查帧的序列号，按照先到有效的策略对两个数据帧进行处理，并将有效的数据帧传递到UDP/IP协议栈进行处理。

　　3测试平台环境

　　所使用的测试平台主要由配备PCES仿真卡的PC机、AFDX驱动程序和AFDX测试程序组成。PCES仿真卡作为测试台的核心部件采用纯硬件实现，不包含软件部分，与其配合使用的仿真卡驱动软件与测试程序均在PC机上运行。PCES测试程序主要分为3部分，通信测试软件、SNMP功能测试软件和文件加卸载功能测试软件，其中在SNMP功能测试软件和文件加卸载功能测试软件中分别实现了SNMP网络管理端功能和ARINC615A加载端功能。被测端系统由具有AFDX设备、AFDX驱动程序和测试应用程序的组成，驱动程序和应用程序驻留在被测端系统中。测试环境结构如图1所示。PCES仿真卡是单PMC结构，使用时安装在PMC-PCI载板上，插入PC机的PCI插槽中使用[3]。PCES仿真卡具有一个PCI桥片，用于PCI总线和板上局部总线的桥接。该桥片符合PCIv2.2规范，支持33MHz、3.3V/5V、32位的PCI总线，具有2个独立的DMA通道。FPGA作为PCES仿真卡的核心，主要实现AFDX协议栈中数据链路层功能，逻辑主要包含：局部总线接口、发送缓冲区、接收缓冲区、控制寄存器、发送控制、接收控制、网络MAC等部分。PCES仿真卡提供两路AFDX端口，通过网线和被测试端系统线连接。当测试程序需要发送数据时，PC机通过PCI总线将数据写入PCES仿真卡的缓冲区，并执行发送操作；接收时，仿真卡将收到的数据帧放入缓冲区，采用中断或者查询的方式，主机从缓冲区取数据。

　　4测试内容

　　AFDX端系统测试包括8个测试类别，测试类别主要分为自检测功能测试、通信功能测试、网络管理功能测试和数据加/卸载功能测试。具体测试项如下：（1）自检测功能测试：测试上电自检测、周期自检测和维护自检测功能是否正常。（2）端系统基础通信测试：测试不同数据内容发送和接收的正确性。（3）虚拟链路测试：测试端系统能否在不同虚拟链路配置下通信的正确性。（4）包间隔测试：测试端系统以不同BAG进行通信时能否满足要求。（5）队列/采样/SAP端口测试：测试端系统的采样端口、队列端口和服务访问点端口通信能否实现。（6）冗余管理测试：测试接收和发送端系统能否对帧进行顺序号的识别，以及完整性检测和冗余管理。（7）SNMP功能测试：测试端系统的网络管理功能。（8）文件加卸载功能测试：测试终端系统能否按照ARINC615A和ARINC665标准进行文件加载[4]。

　　5测试方法

　　根据测试内容的不同，测试用例执行前PCES测试台和被测端系统都需要进行初始化并加载相应的配置，配置内容包括发送VL、接收VL、发送端口（采样、列队、SAP）、接收端口等信息，此外，还需要确定测试性用力的负载长度和数据内容等信息。端系统采用命令/响应的测试策略，运行在PC机上的测试程序根据不同的测试用例，向被测试设备发送测试请求，请求的内容包含命令字段和数据字段[6]。被测端系统收到请求数据后，解析命令并返回确认消息接受测试请求。当请求阶段成功后，测试平台和被测设备会执行请求对应的测试用例。在执行相应操作时，被测试端系统需要将设备运行状态和测试运行结果反馈给测试平台。当测试用例执行结束后测试平台依据被测设备的反馈结果和合格判据，给出该测试用例的测试结果。

　　6结语

　　AFDX网络已经在航空电子系统中得到广泛应用，如何有效地对AFDX端系统的功能性能进行测试和检验变得非常重要。在论述AFDX端系统特性的基础上设计了一种用于AFDX端系统测试的解决方案。通过不同的测试用例，实现了对AFDX端系统的全面测试。并以此设计基于PCES仿真卡的测试平台，完成了测试方案的论证。为AFDX端系统的测试验证基础提供了很好的保障。

　　作者：袁万腾 王晨博 刘洋