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使得飛機的重量急劇增加，造成飛機的額外過多的載重和消耗

2、。再次，傳統(tǒng)總線擴展性差、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,簡稱AFDX）在這種背景下應(yīng)運而生，有效的解決了傳統(tǒng)總線中存在的問題，并逐步的被應(yīng)用到了空客A380、波音787等大型客機上。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)之間通過同一個主干網(wǎng)進行通信，不同數(shù)據(jù)幀在交換機上需要信息元中繼，共享通信和計算資源，這使得集合數(shù)據(jù)流的傳輸出現(xiàn)競爭，從而給AFDX的新理念和新機制的綜合可靠性驗證提出了新的要求。本文依據(jù)AFDX的協(xié)議描述和工作機制，使用故障樹理論對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的可達性進行了分析和建模，并針對航空電子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹妼崟r性要求，利用網(wǎng)絡(luò)演算及其概率擴展理論進行了網(wǎng)絡(luò)時

4、延的分析與計算。
　　論文的主要工作和研究成果如下：
　?。?）使用靜態(tài)故障樹對AFDX網(wǎng)絡(luò)建模。分析了AFDX網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實體的拓?fù)浞植家约肮ぷ鳈C制，抽象出了虛擬鏈路端到端的故障樹邏輯架構(gòu)，分類考慮了由于網(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由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議造成的丟幀，最后依據(jù)各個基本事件的失效率，利用布爾代數(shù)的方法進行了數(shù)據(jù)幀丟失概率的定量計算。
　?。?）根據(jù)AFDX網(wǎng)絡(luò)中存在的事件動態(tài)依賴特性

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

6、的外部時延，分別考慮了本優(yōu)先級隊列中的最差競爭結(jié)果和其他優(yōu)先級隊列最差到達情況，得出了單服務(wù)節(jié)點上可能的最大時延，同時對確定性時延進行了端到端多跳路徑上的擴展，通過黑盒網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)計算了端到端時延。
　?。?）論文對時延的分布概率進行了基于隨機網(wǎng)絡(luò)演算的分析。針對AFDX網(wǎng)絡(luò)中不同數(shù)據(jù)流的安全要求級別和交換機的差分服務(wù)架構(gòu)，分別對飛行控制數(shù)據(jù)流和其他航空數(shù)據(jù)流進行了概率約束時延的計算，比較了確定性時延和概率約束時延的差別和適用場景。<