AFDX-TAP設備研究與實現

摘要 提出了一種串聯植入式的AFDX網絡TAP設備實現方法，從AFDX組網方式分析驗證該TAP設備可以實現對AFDX網絡的透明監測，并針對這種實現方式，提出軟硬件解決方案，驗證了該串聯植入方式的TAP設備，可以有效地監測AFDX網絡的工作狀態和測試航空交換式以太網的可靠性與穩定性。
關鍵詞 交換式以太網；測試接入點；網絡監測

航空全雙工交換式以太網(Avionics Full PuplexSwitched Ethernet，AFDX)通過采用電信標準的異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)概念來解決IEEE802．3以太網的缺陷，以冗余網絡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現更好的網絡拓撲，在實時性方面得到了改進，更好地適應于航空電子的需求。AFDX網絡是一個封閉的網絡拓撲結構，如圖1所示AFDX網絡主要由端系統(End-System)、交換機(Switch)以及傳輸鏈路(Link)組成。每一個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絡中傳輸。
測試是航空系統集成過程中的一個重要環節，掌握航空系統每個單獨模塊以及整個網絡在正常工作或出現網絡錯誤時所表現的特征是重要的。航空交換式以太網為確保網絡上數據及時的傳送以及數據的完整性，需要對網絡的性能進行測試。AFDX網絡TAP(Test Access Point)是AFDX網絡測試過程中的重要設備。AFDX網絡TAP在傳統設備的基礎上，需要測試AFDX網絡的確定性、容錯性、可靠性等。

1 AFDXTAP設備功能分析
傳統以太網TAP方式是將TAP設備植入到以太網中，一方面TAP設備的植入對以太網數據通信無影響，另一方面，TAP設備將以太網中的數據“復制”，對數據進行分析監測；傳統以太網TAP卡可以永久植入到以太網中，也可以根據需要臨時串接，TAP設備對以太網無影響。傳統的以太網TAP設備可以實現以太網數據幀的轉發、捕獲功能。
AFDX網絡由于其應用場景以及實現方式的特殊性，除了保證實現數據幀的轉發和捕獲功能、TAP設備的植入對AFDX網絡的數據通信無影響等傳統以太網TAP設備具有的功能外，網絡可靠性、實時性、容錯性以及組網合理性等AFDX網絡重要的特點應該得到測試驗證。
有些芯片中，通過IEEE1149．1規定的接口作為芯片的TAP，在儲如此類的芯片中，JTAG通常具有掃描芯片、測試等多種功能；在AFDX網絡中，TAP設備可以具有JTAG相類似的功能，可以掃描AFDX網絡的拓撲結構，監測AFDX網絡具有多少ES節點、交換機等，另外通過拓撲掃描可以智能判別AFDX組網是否具有物理上的冗余網絡，以驗證AFDX網絡組網的正確性與合理性。
容錯性是AFDX網絡的一個重要功能，檢查網絡對錯誤的反應和錯誤容限是AFDX網絡測試過程中的一個重要環節；TAP卡作為AFDX網絡的監測設備，應該具有對AFDX網絡容錯性能的測試。容錯性的測試包括對AFDX網絡上數據通信的錯誤監測和AFDX網絡對錯誤數據幀的響應；冗余鏈路數據幀的捕獲、解析可以監測網絡上錯誤數據幀；另外，TAP設備應該能實現錯誤注入功能，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。通過對網絡的不同錯誤注入測試AFDX網絡對錯誤注入的響應，以測試AFDX網絡的容錯性能。
根據前述分析，TAP設備至少具有AFDX網絡數據幀的捕獲與解析、數據轉發、數據鏈路的建立、冗余鏈路管理、網絡拓撲掃描等功能。

2 一種串聯植入式的AFDXTAP設備
由圖1可知，AFDX網絡組網復雜，端系統(ES)和交換機(SW)是AFDX網絡重要的組成部分，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。在端系統與交換機之間放置TAP設備是AFDX組網的理想選擇。TAP設備可以串聯植入到AFDX網絡中，圖2所示為將TAP設備植入到典型的AFDX網絡拓撲結構中。

圖2所示的組網形式，TAP設備串聯植入到AFDX網絡中，這種方式TAP設備可以實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“中繼器”，這樣AFDX網絡的工作無任何影響。這個結構也可以實現交換機與端系統數據通路的數據捕獲，進而監測AFDX網絡狀態。TAP設備可以在數據轉發的過程中對AFDX網絡注入錯誤，這種錯誤注入可以在AFDX網絡的物理層、鏈路層、協議層，不同層面的錯誤注入可以測量AFDX網絡不同層次容錯性能。另外TAP設備可以觸發數據的虛擬鏈路，通過發起的虛擬鏈路以及自身的響應可以自動識別整個網絡的拓撲結構。

3 串聯植入方式的TAP設備實現
數據轉發是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現過程，從實現的角度來說，數據的處理較為靈活。在數據處理中，控制電路要實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送，這個電路結構在FPGA中實現比較合適。圖3是一種串聯植入方式的AFDX-TAP設備硬件實現方案。AFDX總線為全雙工冗余網絡，協議規定沒路的數據帶寬為10／100 Mbit·s-1，對于TAP設備，若實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足≤100 Mbit·s-1x2×2=400 Mbit·s-1；設計選用USB2．0作為TAP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過TAP設備的PHY芯片進入FPGA，在FGPA內部，MII的數據鏈路一方面不經過MAC進行數據轉發；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將數據發送至上位機；傳送至上位機的數據幀為簡單處理的數據，上位機接收數據后還需進一步對數據進行解析以達到對網絡監控的目的。另外，TAP設備可以實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MAC將數據幀發送，進而可以觀察AFDX網絡其他設備的響應，從而達到對AFDX網絡容錯能力的測試。

根據TAP設備傳送的數據，上位機可以實時監控AFDX網絡的工作狀態，上位機軟件通過USB接口接收AFDX數據幀，并對數據實時解析，通過數據解析只能分析AFDX網絡的工作狀態和網絡上的數據傳送情況，根據監測需求對AFDX網絡數據解析，以對AFDX各方面進行監測。上位機軟件可以把解析AFDX網絡數據幀進行重新打包，通過USB接口快速傳送至TAP設備，TAP設備按照上位機的指示對AFDX網絡錯誤注入，進而達到對AFDX網絡錯誤容錯能力的測試。圖4為TAP設備監控網絡錯誤統計界面。圖5為TAP設備監測AFDX網絡數據幀的界面。

4 結束語
在傳統以太網TAP設備的基礎上，研究了AFDX網絡TAP設備在網絡中應完成的功能，討論了AFDX-TAP應在AFDX監控測試中所承擔的任務，基于提出的問題，設計了一種串聯植入方式的AFDX網絡TAP設備，并證明，這種TAP設備可以有效地實現對AFDX網絡可靠性、確定性、容錯性等各種功能的監測。