AFDX航空網(wǎng)絡(luò)的可靠性建模與性能分析.pdf

1、航空電子系統(tǒng)的可靠性很大程度上依賴(lài)與負(fù)責(zé)航空電子子系統(tǒng)之間通信和交互的航電網(wǎng)絡(luò)的性能，而隨著現(xiàn)代具有更全面的功能和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的航電系統(tǒng)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的航空電子總線（ARINC429、1553B等）已經(jīng)難以為新一代航空電子子系統(tǒng)提供充分可靠的通信保證了，首先，傳統(tǒng)總線的低帶寬不能滿足持續(xù)增加的航空數(shù)據(jù)的通信要求。其次，在現(xiàn)代更復(fù)雜的航電系統(tǒng)的背景下，傳統(tǒng)總線子系統(tǒng)間端到端直接布線的特點(diǎn)使得飛機(jī)的重量急劇增加，造成飛機(jī)的額外過(guò)多的載重和消耗

2、。再次，傳統(tǒng)總線擴(kuò)展性差、布線復(fù)雜、成本高昂，也使得其不滿足現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)的發(fā)展方向。
　　航空全雙工交換以太網(wǎng)（Avionics Full Duplex Switched Ethernet,簡(jiǎn)稱(chēng)AFDX）在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生，有效的解決了傳統(tǒng)總線中存在的問(wèn)題，并逐步的被應(yīng)用到了空客A380、波音787等大型客機(jī)上。ARINC664標(biāo)準(zhǔn)的第七部分，定義了AFDX中航空電子子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的電器和協(xié)議規(guī)范，但是，由于AFDX采用

3、異步傳輸模式的理念（Asynchronous transfer mode），不同子系統(tǒng)之間通過(guò)同一個(gè)主干網(wǎng)進(jìn)行通信，不同數(shù)據(jù)幀在交換機(jī)上需要信息元中繼，共享通信和計(jì)算資源，這使得集合數(shù)據(jù)流的傳輸出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，從而給AFDX的新理念和新機(jī)制的綜合可靠性驗(yàn)證提出了新的要求。本文依據(jù)AFDX的協(xié)議描述和工作機(jī)制，使用故障樹(shù)理論對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的可達(dá)性進(jìn)行了分析和建模，并針對(duì)航空電子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?qiáng)實(shí)時(shí)性要求，利用網(wǎng)絡(luò)演算及其概率擴(kuò)展理論進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)時(shí)

4、延的分析與計(jì)算。
　　論文的主要工作和研究成果如下：
　?。?）使用靜態(tài)故障樹(shù)對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)建模。分析了AFDX網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)體的拓?fù)浞植家约肮ぷ鳈C(jī)制，抽象出了虛擬鏈路端到端的故障樹(shù)邏輯架構(gòu)，分類(lèi)考慮了由于網(wǎng)路系統(tǒng)功能部件失效造成的數(shù)據(jù)幀丟失，以及網(wǎng)絡(luò)功能部件正常工作時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議造成的丟幀，最后依據(jù)各個(gè)基本事件的失效率，利用布爾代數(shù)的方法進(jìn)行了數(shù)據(jù)幀丟失概率的定量計(jì)算。
　　（2）根據(jù)AFDX網(wǎng)絡(luò)中存在的事件動(dòng)態(tài)依賴(lài)特性

5、，對(duì)AFDX靜態(tài)故障樹(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和完善。利用動(dòng)態(tài)故障樹(shù)對(duì)靜態(tài)故障樹(shù)中無(wú)法描述的動(dòng)態(tài)故障特性進(jìn)行了建模，主要指故障樹(shù)中對(duì)事件發(fā)生序列敏感的功能模塊，包括AFDX鏈路冗余算法模塊，各個(gè)交換機(jī)的冗余備份等，基于馬爾科夫鏈對(duì)AFDX動(dòng)態(tài)故障樹(shù)進(jìn)行了定性和定量分析。
　?。?）利用網(wǎng)絡(luò)演算對(duì)確定性傳輸時(shí)延進(jìn)行了分析。針對(duì)AFDX的SP-FIFO調(diào)度策略，將數(shù)據(jù)幀在單服務(wù)節(jié)點(diǎn)上的時(shí)延分離為本優(yōu)先級(jí)隊(duì)列數(shù)據(jù)流造成的內(nèi)部時(shí)延和其他優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流造成

6、的外部時(shí)延，分別考慮了本優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的最差競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果和其他優(yōu)先級(jí)隊(duì)列最差到達(dá)情況，得出了單服務(wù)節(jié)點(diǎn)上可能的最大時(shí)延，同時(shí)對(duì)確定性時(shí)延進(jìn)行了端到端多跳路徑上的擴(kuò)展，通過(guò)黑盒網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)計(jì)算了端到端時(shí)延。
　　（4）論文對(duì)時(shí)延的分布概率進(jìn)行了基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算的分析。針對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)中不同數(shù)據(jù)流的安全要求級(jí)別和交換機(jī)的差分服務(wù)架構(gòu)，分別對(duì)飛行控制數(shù)據(jù)流和其他航空數(shù)據(jù)流進(jìn)行了概率約束時(shí)延的計(jì)算，比較了確定性時(shí)延和概率約束時(shí)延的差別和適用場(chǎng)景。<