AFDX-TAP设备研究与实现

摘要 提出了一种串联植入式的AFDX网络TAP设备实现方法，从AFDX组网方式分析验证该TAP设备可以实现对AFDX网络的透明监测，并针对这种实现方式，提出软硬件解决方案，验证了该串联植入方式的TAP设备，可以有效地监测AFDX网络的工作状态和测试航空交换式以太网的可靠性与稳定性。
关键词 交换式以太网；测试接入点；网络监测

    航空全双工交换式以太网(Avionics Full PuplexSwitched Ethernet，AFDX)通过采用电信标准的异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)概念来解决IEEE802．3以太网的缺陷，以冗余网络的形式提供了比单通道设计具有更高的可靠性，星形拓扑结构可以实现更好的网络拓扑，在实时性方面得到了改进，更好地适应于航空电子的需求。AFDX网络是一个封闭的网络拓扑结构，如图1所示AFDX网络主要由端系统(End-System)、交换机(Switch)以及传输链路(Link)组成。每一个端系统有一条直接的双向链路连到交换机，另外端系统还有一条双向链路连接到另一台交换机以保证冗余的通信链路。这种交换式的拓扑结构保证了端系统之间的数据通路以及带宽，使所有数据以一种确定性的方式在网络中传输。
    测试是航空系统集成过程中的一个重要环节，掌握航空系统每个单独模块以及整个网络在正常工作或出现网络错误时所表现的特征是重要的。航空交换式以太网为确保网络上数据及时的传送以及数据的完整性，需要对网络的性能进行测试。AFDX网络TAP(Test Access Point)是AFDX网络测试过程中的重要设备。AFDX网络TAP在传统设备的基础上，需要测试AFDX网络的确定性、容错性、可靠性等。

1 AFDXTAP设备功能分析
    传统以太网TAP方式是将TAP设备植入到以太网中，一方面TAP设备的植入对以太网数据通信无影响，另一方面，TAP设备将以太网中的数据“复制”，对数据进行分析监测；传统以太网TAP卡可以永久植入到以太网中，也可以根据需要临时串接，TAP设备对以太网无影响。传统的以太网TAP设备可以实现以太网数据帧的转发、捕获功能。
    AFDX网络由于其应用场景以及实现方式的特殊性，除了保证实现数据帧的转发和捕获功能、TAP设备的植入对AFDX网络的数据通信无影响等传统以太网TAP设备具有的功能外，网络可靠性、实时性、容错性以及组网合理性等AFDX网络重要的特点应该得到测试验证。
    有些芯片中，通过IEEE1149．1规定的接口作为芯片的TAP，在储如此类的芯片中，JTAG通常具有扫描芯片、测试等多种功能；在AFDX网络中，TAP设备可以具有JTAG相类似的功能，可以扫描AFDX网络的拓扑结构，监测AFDX网络具有多少ES节点、交换机等，另外通过拓扑扫描可以智能判别AFDX组网是否具有物理上的冗余网络，以验证AFDX网络组网的正确性与合理性。
    容错性是AFDX网络的一个重要功能，检查网络对错误的反应和错误容限是AFDX网络测试过程中的一个重要环节；TAP卡作为AFDX网络的监测设备，应该具有对AFDX网络容错性能的测试。容错性的测试包括对AFDX网络上数据通信的错误监测和AFDX网络对错误数据帧的响应；冗余链路数据帧的捕获、解析可以监测网络上错误数据帧；另外，TAP设备应该能实现错误注入功能，错误注入包括帧级的错误注入、错误的虚拟链路ID、错误的帧序列。通过对网络的不同错误注入测试AFDX网络对错误注入的响应，以测试AFDX网络的容错性能。
    根据前述分析，TAP设备至少具有AFDX网络数据帧的捕获与解析、数据转发、数据链路的建立、冗余链路管理、网络拓扑扫描等功能。

2 一种串联植入式的AFDXTAP设备
    由图1可知，AFDX网络组网复杂，端系统(ES)和交换机(SW)是AFDX网络重要的组成部分，TAP端口放在端系统与交换机之间可以有效监测两者之间的通信链路，两种设备的工作状态。在端系统与交换机之间放置TAP设备是AFDX组网的理想选择。TAP设备可以串联植入到AFDX网络中，图2所示为将TAP设备植入到典型的AFDX网络拓扑结构中。

    图2所示的组网形式，TAP设备串联植入到AFDX网络中，这种方式TAP设备可以实现交换机与端系统之间的透明数据通路，即TAP设备可以认为是一个“中继器”，这样AFDX网络的工作无任何影响。这个结构也可以实现交换机与端系统数据通路的数据捕获，进而监测AFDX网络状态。TAP设备可以在数据转发的过程中对AFDX网络注入错误，这种错误注入可以在AFDX网络的物理层、链路层、协议层，不同层面的错误注入可以测量AFDX网络不同层次容错性能。另外TAP设备可以触发数据的虚拟链路，通过发起的虚拟链路以及自身的响应可以自动识别整个网络的拓扑结构。

3 串联植入方式的TAP设备实现
    数据转发是AFDX-TAP设备最重要的功能特征，另外数据采集是监测系统完成监测的主要实现过程，从实现的角度来说，数据的处理较为灵活。在数据处理中，控制电路要实现端系统和交换机之间的数据交换，还可以独立的完成数据帧的发送，这个电路结构在FPGA中实现比较合适。图3是一种串联植入方式的AFDX-TAP设备硬件实现方案。AFDX总线为全双工冗余网络，协议规定没路的数据带宽为10／100 Mbit·s-1，对于TAP设备，若实现全双工冗余链路的数据捕获，则TAP设备与上位机之间的数据带宽要满足≤100 Mbit·s-1x2×2=400 Mbit·s-1；设计选用USB2．0作为TAP设备与上位机之间的通信接口，理论最大速率可达480 Mbit·s-1，满足设备对数据带宽的需求。在设计中，使用FPGA作为数据处理的核心器件，可以灵活处理数据流的传送方式。在监测模式下，端系统与交换机之间的数据链路经过TAP设备的PHY芯片进入FPGA，在FGPA内部，MII的数据链路一方面不经过MAC进行数据转发；另一方面，数据送至MAC，MAC将数据解析打包后送至TAP设备数据缓存区，等待USB将数据发送至上位机；传送至上位机的数据帧为简单处理的数据，上位机接收数据后还需进一步对数据进行解析以达到对网络监控的目的。另外，TAP设备可以实现数据链路的错误注入，ES与交换机之间的数据，TAP设备捕获后，在数据帧中注入不同等级的错误，如数据帧的CRC错误、帧大小错误等，通过MAC将数据帧发送，进而可以观察AFDX网络其他设备的响应，从而达到对AFDX网络容错能力的测试。

    根据TAP设备传送的数据，上位机可以实时监控AFDX网络的工作状态，上位机软件通过USB接口接收AFDX数据帧，并对数据实时解析，通过数据解析只能分析AFDX网络的工作状态和网络上的数据传送情况，根据监测需求对AFDX网络数据解析，以对AFDX各方面进行监测。上位机软件可以把解析AFDX网络数据帧进行重新打包，通过USB接口快速传送至TAP设备，TAP设备按照上位机的指示对AFDX网络错误注入，进而达到对AFDX网络错误容错能力的测试。图4为TAP设备监控网络错误统计界面。图5为TAP设备监测AFDX网络数据帧的界面。

4 结束语
    在传统以太网TAP设备的基础上，研究了AFDX网络TAP设备在网络中应完成的功能，讨论了AFDX-TAP应在AFDX监控测试中所承担的任务，基于提出的问题，设计了一种串联植入方式的AFDX网络TAP设备，并证明，这种TAP设备可以有效地实现对AFDX网络可靠性、确定性、容错性等各种功能的监测。