航空全雙工交換式以太網(wǎng)(avionicsfullpuplexswitchedethernet，afdx)通過采用電信標(biāo)準(zhǔn)的異步傳輸模式(asynchronoustransfermode，atm)概念來解決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(shè)計(jì)具有更高的可靠性，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在?shí)時(shí)性方面得到了改進(jìn)，更好地適應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示afdx網(wǎng)絡(luò)主要由端系統(tǒng)(end-system)、交換機(jī)(switch)以及傳輸鏈路(link)組成。每一個(gè)端系統(tǒng)有一條直接的雙向鏈路連到交換機(jī)，另外端系統(tǒng)還有一條雙向鏈路連接到另一臺(tái)交換機(jī)以保證冗余的通信鏈路。這種交換式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保證了端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通路以及帶寬，使所有數(shù)據(jù)以一種確定性的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。
測(cè)試是航空系統(tǒng)集成過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，掌握航空系統(tǒng)每個(gè)單獨(dú)模塊以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在正常工作或出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤時(shí)所表現(xiàn)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(shù)據(jù)及時(shí)的傳送以及數(shù)據(jù)的完整性，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行測(cè)試。afdx網(wǎng)絡(luò)tap(testaccesspoint)是afdx網(wǎng)絡(luò)測(cè)試過程中的重要設(shè)備。afdx網(wǎng)絡(luò)tap在傳統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，需要測(cè)試afdx網(wǎng)絡(luò)的確定性、容錯(cuò)性、可靠性等。
1afdxtap設(shè)備功能分析
傳統(tǒng)以太網(wǎng)tap方式是將tap設(shè)備植入到以太網(wǎng)中，一方面tap設(shè)備的植入對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信無影響，另一方面，tap設(shè)備將以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)“復(fù)制”，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)；傳統(tǒng)以太網(wǎng)tap卡可以*植入到以太網(wǎng)中，也可以根據(jù)需要臨時(shí)串接，tap設(shè)備對(duì)以太網(wǎng)無影響。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)tap設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)、捕獲功能。
afdx網(wǎng)絡(luò)由于其應(yīng)用場(chǎng)景以及實(shí)現(xiàn)方式的特殊性，除了保證實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)和捕獲功能、tap設(shè)備的植入對(duì)afdx網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信無影響等傳統(tǒng)以太網(wǎng)tap設(shè)備具有的功能外，網(wǎng)絡(luò)可靠性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性以及組網(wǎng)合理性等afdx網(wǎng)絡(luò)重要的特點(diǎn)應(yīng)該得到測(cè)試驗(yàn)證。
有些芯片中，通過ieee1149．1規(guī)定的接口作為芯片的tap，在儲(chǔ)如此類的芯片中，jtag通常具有掃描芯片、測(cè)試等多種功能；在afdx網(wǎng)絡(luò)中，tap設(shè)備可以具有jtag相類似的功能，可以掃描afdx網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)afdx網(wǎng)絡(luò)具有多少es節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)等，另外通過拓?fù)鋻呙杩梢灾悄芘袆eafdx組網(wǎng)是否具有物理上的冗余網(wǎng)絡(luò)，以驗(yàn)證afdx網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的正確性與合理性。
容錯(cuò)性是afdx網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要功能，檢查網(wǎng)絡(luò)對(duì)錯(cuò)誤的反應(yīng)和錯(cuò)誤容限是afdx網(wǎng)絡(luò)測(cè)試過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)；tap卡作為afdx網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，應(yīng)該具有對(duì)afdx網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性能的測(cè)試。容錯(cuò)性的測(cè)試包括對(duì)afdx網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)通信的錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)和afdx網(wǎng)絡(luò)對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀的響應(yīng)；冗余鏈路數(shù)據(jù)幀的捕獲、解析可以監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)上錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀；另外，tap設(shè)備應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤注入功能，錯(cuò)誤注入包括幀級(jí)的錯(cuò)誤注入、錯(cuò)誤的虛擬鏈路id、錯(cuò)誤的幀序列。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)的不同錯(cuò)誤注入測(cè)試afdx網(wǎng)絡(luò)對(duì)錯(cuò)誤注入的響應(yīng)，以測(cè)試afdx網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性能。
根據(jù)前述分析，tap設(shè)備至少具有afdx網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的捕獲與解析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)鏈路的建立、冗余鏈路管理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋻呙璧裙δ堋?br>2一種串聯(lián)植入式的afdxtap設(shè)備
由圖1可知，afdx網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)復(fù)雜，端系統(tǒng)(es)和交換機(jī)(sw)是afdx網(wǎng)絡(luò)重要的組成部分，tap端口放在端系統(tǒng)與交換機(jī)之間可以有效監(jiān)測(cè)兩者之間的通信鏈路，兩種設(shè)備的工作狀態(tài)。在端系統(tǒng)與交換機(jī)之間放置tap設(shè)備是afdx組網(wǎng)的理想選擇。tap設(shè)備可以串聯(lián)植入到afdx網(wǎng)絡(luò)中，圖2所示為將tap設(shè)備植入到典型的afdx網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。
圖2所示的組網(wǎng)形式，tap設(shè)備串聯(lián)植入到afdx網(wǎng)絡(luò)中，這種方式tap設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)與端系統(tǒng)之間的透明數(shù)據(jù)通路，即tap設(shè)備可以認(rèn)為是一個(gè)“中繼器”，這樣afdx網(wǎng)絡(luò)的工作無任何影響。這個(gè)結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)與端系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)捕獲，進(jìn)而監(jiān)測(cè)afdx網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。tap設(shè)備可以在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過程中對(duì)afdx網(wǎng)絡(luò)注入錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤注入可以在afdx網(wǎng)絡(luò)的物理層、鏈路層、協(xié)議層，不同層面的錯(cuò)誤注入可以測(cè)量afdx網(wǎng)絡(luò)不同層次容錯(cuò)性能。另外tap設(shè)備可以觸發(fā)數(shù)據(jù)的虛擬鏈路，通過發(fā)起的虛擬鏈路以及自身的響應(yīng)可以自動(dòng)識(shí)別整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
3串聯(lián)植入方式的tap設(shè)備實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是afdx-tap設(shè)備zui重要的功能特征，另外數(shù)據(jù)采集是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成監(jiān)測(cè)的主要實(shí)現(xiàn)過程，從實(shí)現(xiàn)的角度來說，數(shù)據(jù)的處理較為靈活。在數(shù)據(jù)處理中，控制電路要實(shí)現(xiàn)端系統(tǒng)和交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，還可以獨(dú)立的完成數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，這個(gè)電路結(jié)構(gòu)在fpga中實(shí)現(xiàn)比較合適。圖3是一種串聯(lián)植入方式的afdx-tap設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)方案。afdx總線為全雙工冗余網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議規(guī)定沒路的數(shù)據(jù)帶寬為10／100mbit·s-1，對(duì)于tap設(shè)備，若實(shí)現(xiàn)全雙工冗余鏈路的數(shù)據(jù)捕獲，則tap設(shè)備與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)帶寬要滿足≤100mbit·s-1x2×2=400mbit·s-1；設(shè)計(jì)選用usb2．0作為tap設(shè)備與上位機(jī)之間的通信接口，理論zui大速率可達(dá)480mbit·s-1，滿足設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)帶寬的需求。在設(shè)計(jì)中，使用fpga作為數(shù)據(jù)處理的核心器件，可以靈活處理數(shù)據(jù)流的傳送方式。在監(jiān)測(cè)模式下，端系統(tǒng)與交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)鏈路經(jīng)過tap設(shè)備的phy芯片進(jìn)入fpga，在fgpa內(nèi)部，mii的數(shù)據(jù)鏈路一方面不經(jīng)過mac進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；另一方面，數(shù)據(jù)送至mac，mac將數(shù)據(jù)解析打包后送至tap設(shè)備數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等待usb將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)；傳送至上位機(jī)的數(shù)據(jù)幀為簡(jiǎn)單處理的數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后還需進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析以達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的目的。另外，tap設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的錯(cuò)誤注入，es與交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)，tap設(shè)備捕獲后，在數(shù)據(jù)幀中注入不同等級(jí)的錯(cuò)誤，如數(shù)據(jù)幀的crc錯(cuò)誤、幀大小錯(cuò)誤等，通過mac將數(shù)據(jù)幀發(fā)送，進(jìn)而可以觀察afdx網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的響應(yīng)，從而達(dá)到對(duì)afdx網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力的測(cè)試。
根據(jù)tap設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控afdx網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)，上位機(jī)軟件通過usb接口接收afdx數(shù)據(jù)幀，并對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解析，通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)需求對(duì)afdx網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)解析，以對(duì)afdx各方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。上位機(jī)軟件可以把解析afdx網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重新打包，通過usb接口快速傳送至tap設(shè)備，tap設(shè)備按照上位機(jī)的指示對(duì)afdx網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤注入，進(jìn)而達(dá)到對(duì)afdx網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤容錯(cuò)能力的測(cè)試。圖4為tap設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)界面。圖5為tap設(shè)備監(jiān)測(cè)afdx網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的界面。
4結(jié)束語
在傳統(tǒng)以太網(wǎng)tap設(shè)備的基礎(chǔ)上，研究了afdx網(wǎng)絡(luò)tap設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)完成的功能，討論了afdx-tap應(yīng)在afdx監(jiān)控測(cè)試中所承擔(dān)的任務(wù)，基于提出的問題，設(shè)計(jì)了一種串聯(lián)植入方式的afdx網(wǎng)絡(luò)tap設(shè)備，并證明，這種tap設(shè)備可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)afdx網(wǎng)絡(luò)可靠性、確定性、容錯(cuò)性等各種功能的監(jiān)測(cè)。