一种AFDX交换机的高效检测方法*

何向栋，白 杨，田 园，贾世伟

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)

一种AFDX交换机的高效检测方法*

何向栋，白 杨，田 园，贾世伟

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西 西安710065)

航空电子全双工交换以太网(AFDX)是为航电信息系统之间进行数据通信而专门制定的协议标准，具有确定性、双余度和可靠性等优点，已成功应用于新一代航电网络。分析了ARINC664Part7中交换机章节及对应的通信架构等关键技术特点，提出一种高效率适合AFDX交换机的通信测试方法。通过测试与验证，证明该方法对通信功能的测试正确且效率较高。

AFDX；交换机；高效率；通信测试

0 引言

航空电子全双工交换以太网(AFDX)[1]基于IEEE 802.3标准，结合航空电子系统特殊需求对该协议的部分MAC进行适应性修改，使其成为具有高速和确定性的网络，形成航空以太网数据网络标准ARINC 664，其中第7部分重点对AFDX网络的各项内容进行详述，并且已成功应用到空客A380、波音787和A400M等大型飞机的航电系统中。

AFDX网络作为航空数据通信的确定性专用网络，顺利成为航电系统中通信“骨架”，在大中型运输机中有很强的适应性，相比于传统机载数据总线，其具备速率高、质量小、稳定可靠、技术成熟、成本低等优势，具有很好的应用前景。随着AFDX应用规模的不断扩大及外场维修等的特殊要求，本文提出了一种针对AFDX交换机物理端口的高效率测试方法。

1 AFDX交换机功能

AFDX交换机实现的功能有：帧交换、内嵌端系统、帧过滤、警管、配置表和监控功能，如图1所示。

图1 AFDX交换机功能示意图

过滤功能：对进入交换机内部的帧进行完整性检查，过滤内容包括：CRC有效性；目的MAC地址有效性；VL与输入端口是否匹配；帧长为字节的整数倍；帧长小于等于配置表中定义的最大帧长；帧长大于等于配置表中定义的最小帧长。

警管功能：采用基于令牌桶算法的流量管制策略对进入交换机帧进行丢弃判定，具体算法见参考文献[2]。

配置表功能：交换机虚拟链路VL的端口配置及通信规则配置。

端系统功能：实现交换机信息配置、网络管理和数据加卸载等功能，但不支持规范定义的双余度功能。

帧交换功能：将输入的数据帧根据配置表转发至输出端口。

捕获功能：通过配置映射将交换机任意物理端口或者虚拟链路VL数据实时采集并输出。

交换机实现技术可参考文献[3]，文献中详细分析了AFDX交换功能机理和工程化实现。

2 AFDX交换机设计及现有测试方法

2.1 交换机设计

基于ARINC664P7协议规范内容，AFDX交换机设计框图如图2所示。

图2 交换机设计框图

设计主要由两大部分组成，分别为：处理器控制电路和交换控制电路。处理器控制电路包括：处理器，负责处理内嵌端系统、协议栈、网络管理等功能；SDRAM，负责运行时的程序和数据存放；Flash，负责Boot、操作系统、应用和测试程序的固化存放；CPLD，负责上电启动控制、复位管理、控制/地址解析等功能。交换机控制电路包括：DPRAM(tx)，负责内嵌端系统发送帧数据缓存；DPRAM(rx)，负责内嵌端系统接收帧数据缓存；SSRAM，负责各个端口间帧转发缓存；PHY接口，交换机物理层接口电路，通过MII接口与FPGA通信；FPGA电路，负责实现过滤、警管、帧存储控制转发、配置表、捕获等功能。AFDX交换机测试即为对上述电路或资源进行测试检查，并测试AFDX通信功能。

2.2 现有测试方法

现有AFDX交换机的测试方法主要采用集成多端口的专用测试设备进行交换机功能/性能测试[4-5]，如图3所示。

图3 现有交换机测试示意图

图3中模拟端系统A(或模拟端系统B)可以通过专门编写特定测试用例来检验被测交换机的路由及转发等功能，并通过模拟端系统B(或模拟端系统A)来检验判定转发帧是否正确。为模拟大量帧数据经交换机的转发功能，需要专用AFDX网络测试设备模拟多个AFDX通信终端接口，并编排多种网络应用，包括：不同BAG带宽，不同帧长度，不同转发端口等综合测试设计来验证交换机在复杂通信环境下的功能/性能，同时也对专用网络测试设备提出了较高的要求。

现有测试方法有一个共同特点：测试系统需要外部设备来产生帧激励源，并判定结果。随着AFDX网络的成熟，其功能/性能指标已完全能够满足设计需求，并随着产品数量的增加而广泛应用，而现有的测试方法需要大量外部测试节点作为激励等，不利于后续产品检验和维护，为提高AFDX交换机快速检测和产品排故诊断，利用AFDX交换机内嵌端系统功能提出一种高效测试方法。

3 高效率通信测试方法

本测试结合AFDX交换机内嵌端系统功能和IEEE 802.3全双工通信等技术特点，设计高效率通信测试方法。通信测试思路为：利用AFDX交换机内嵌端系统作为AFDX交换机的测试激励和判定节点；利用IEEE 802.3的全双工特点，设计自环通信电缆，即线缆设计为：TX+与RX+连接、TX-与RX-连接。

测试环境如图4所示。从图中看出该测试验证环境相比其他测试环境简化很多，仅包括一台用于显示的工控机以及自环电缆。

图4 高效测试环境示意图

测试数据流如图5所示。依据图5的测试数据流可测试和验证交换机资源和功能，如图6所示。

根据图5和图6所示，高效率通信测试流程为：

流程0：AFDX交换机启动。上电启动，通过配置控制引导启动Boot和操作系统。此流程可验证资源：CPU、Flash、SDRAM、RS232、电源、时钟、复位、CPLD、PROM等；验证功能：交换机基本启动功能。

流程1：启动测试程序。内嵌端系统启动高效率通信测试程序。此流程可验证资源：CPU、SDRAM、RS232、电源、时钟、CPLD控制；验证功能：内嵌端系统功能。

图5 测试数据流示意图

图6 测试数据流与相关资源及功能验证对应图

流程2：测试帧组建。启动TCP/IP协议栈，针对端口X配置对应测试帧信息，并编写测试帧内容。此流程可验证资源：CPU、SDRAM；验证功能：内嵌端系统。

流程3：内嵌端系统发送帧缓存。将测试帧放入DPRAM(TX)缓存，并通知FPGA控制。此流程可验证资源：CPU、SDRAM、DPRAM(TX)；验证功能：内嵌端系统。

流程4：帧调度1。FPGA读取发送测试帧，并将测试帧信号写入转发控制逻辑进行调度。此流程可验证资源：FPGA；验证功能：配置、交换。

流程5：存储转发。测试帧缓存。此流程可验证资源：SSRAM、FPGA；验证功能：交换。

流程6：帧调度2。调度控制读取帧缓存，并根据转发配置进行调度，同时控制MAC进入收发控制。测试帧经外部自环电缆，再次进入FPGA。此流程可验证资源：FPGA、SSRAM；验证功能：交换。

流程7：收发控制。对测试帧进行收发控制，并对帧内容进行解析和转发调度。此流程可验证资源：FPGA、PHY等；验证功能：过滤、警管、配置、交换。

流程8：内嵌端系统接收帧缓存。经调度，FPGA将帧写入DPRAM(RX)缓存。此流程可验证资源：FPGA、DPRAM(RX)等；验证功能：交换。

流程9：测试帧验证。内嵌端系统读取接收帧内容，并依据发送帧进行内容核对判断。此流程可验证资源：CPU、DPRAM(RX)；验证功能：内嵌端系统。

流程10：循环测试。对未检测物理端口进行循环通信测试。

通过上述测试流程分析，该测试方法可对交换机全部硬件资源和AFDX功能(除捕获功能)进行验证测试。

4 验证测试

采用航空工业计算所货架产品24端口AFDX交换机作为被测试对象，自制单端口测试电缆，外部通过RS232接入工控机超级终端进行测试显示和交互。

结合AFDX交换机特点，设置测试项目如表1所示。

表1 测试项目

通过上述测试用例检测，得出此检测方法具有较高的通信测试效率。

在实际应用中，对上述测试程序进行产品驻留，当有测试需求时，只需一根自环测试电缆，就可以快速判定交换机诊断状态，对后期产品维护和诊断提供了简便而高效的方法。

5 结论

本文通过对AFDX交换机功能的理解和研究，利用其内嵌端系统和IEEE802.3全双工的技术特点，提出了一种高效率的自环通信检测方法。经测试验证，此测试方法具有简单、便捷、高效等特点，方便测试人员快速诊断交换机通信故障，提高测试效率。

[1] ARINC公司.ARINC 664,aircraft data network[S].2002.

[2] 王建宇,王世奎.AFDX交换机管制功能测试方法的研究与设计[J].测控技术,2012,31(7): 82-84.

[3] 王绮卉.AFDX核心交换技术的研究与实现[D].西安：安石油大学，2010.

[4] 吴海荣,罗庆,陈晓晨.AFDX交换机测试分析系统[J].飞机设计，2014，34(3)：59-62.

[5] 赵永库,唐来胜,李贞.AFDX网络测试技术研究[J].计算机测量与控制，2012，20(4)：93-95.

The method of AFDX switch high efficient testing

He Xiangdong,Bai Yang,Tian Yuan,Jia Shiwei

(AVIC Aeronautical Computing Technique Research Institute,Xi’an 710065,China)

Avionics Full Duplex Switched Ethernet(AFDX),an avionics specified Ethernet communication protocol standard,is the new generation aircraft data network,with the feature of strong real-time,redundant and high reliability and so on. By analyzing the characteristics of communication structure in the ARINC 664 Part7,a highly efficient communication test method suitable for AFDX switches is proposed. Through testing and verification,it is proved that the method is correct and efficient in communication function testing.

AFDX; switch; high efficiency; communication testing

国家重点基金项目(31511020102)

TP393.07

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.024

何向栋，白杨，田园，等.一种AFDX交换机的高效检测方法J.微型机与应用，2017,36(24)：84-86，91.

2017-06-28)

何向栋(1985-)，通信作者，男，硕士，工程师，主要研究方向：机载网络。E-mail:dongxianghe@163.com。

白杨(1987-)，男，硕士，工程师，主要研究方向：机载网络。

田园(1985-)，男，硕士，工程师，主要研究方向：机载网络。