基于AFDX网络演算的性能分析技术研究

【摘要】航空全双工交换式以太网（AFDX）是用于安全关键应用领域的数据传输网络，它采用带宽划分提供确定性的服务质量。AFDX将用于新一代航空电子系统的数据传输网络。网络演算是一种基于非线性代数的确定性排队理论，是计算延迟和积压等端到端性能参数的确界的有效工具。本文围绕网络演算在AFDX网络中计算延迟边界的应用及近年研究成果进行了总结和分析比较，并指出了未来的研究方向。

【关键词】航空电子全双工交换以太网；网络演算；延迟；边界；确定性

1.引言

机载网络技术已成为电传操纵系统和整个航空电子系统的“神经中枢”，通过网络技术实现电传操纵系统中各传感器和各个执行功能单元之间、以及各个航空电子系统单元之间的数据通信，实现信息共享和功能综合。

新一代民用飞机综合化的程度越来越高，飞机航空电子各功能子系统之间需要大量交互数据，以前ARINC429总线由于传输速率只有100kbps，只能支持点到点的连接，难以满足民用飞机的综合化的需要。民用飞机力求从COTS（商用成熟技术）寻找解决方案，在商用以太网络基础进行了改进和扩充，形成航电全双工以太网技术（简称ARINC664）标准。航空电子全双工交换以太网（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX）[1]在商用以太网技术的基础上增加了虚链路带宽、余度网络、网络静态配置等特性，提高了网络通信延迟确定性和传输可靠性。该技术已成功应用到新一代民用飞机（如A380，Boeing 787）的航电主干网络，代表了未来民用机载网络技术的发展方向。

2.AFDX网络

AFDX网络是一种基于虚拟链路进行通信的网络，具有最大延时、能够确保带宽、最大抖动和丢失概率的确定性网络。AFDX技术基于IEEE802.3和TCP/IP，其核心思想是通过限制数据包之间的发送时间间隔，实现一条物理链路中多条虚拟链路的并行通信，并互不干扰。故该技术采用了特殊强制实时传输策略和AFDX交换机，以达到数据安全传输的特性从而满足了航空电子系统信息传输的可靠性和确定性需求。该技术的特点主要体现在绝对寻址策略、传输定时约定、冗余管理、带宽控制、实时性保证策略、声音/图像和二进制代码同时高效传输等方面。

航空电子计算机系统通过AFDX交换机进行互连，并能通过网关计算机系统与互联网进行互连。AFDX网络采用AFDX交换机替代传统以太网中的集线器、网桥和路由器，克服了传统以太网由于传输链路共享造成的信道冲突。从图中可以看出AFDX网络主要硬件设备由终端系统（End System，ES）、虚拟链路（Virtual Link）和AFDX交换机（Switch）[2]组成。

3.网络演算

网络演算理论是最近发展起来的一种新的网络QoS理论，属于“奇异代数”（Exotic Algebras）或“主题代数”（Topical Algebras）。[4]它是最小加代数（Min-Plus Algebra）和最大加代数（Max-Plus Algebra）在网络分析中所取得的一系列应用结果的集合。网络演算主要是以幂等和余理论数学理论为基础理论。

网络演算是一种确定性的排队论，在计算机网络中应用网络演算的目的是计算某些端到端参数如积压、延迟的上确界或下确界。网络演算对计算机网络进行了抽象描述，将计算机网络看作是由互联的网络元素组成，从这种观点出发，所有传输线、服务器、路由器、源和目的都是网络元素，这些网络元素的共性是它们都对网络中的数据流提供某些服务，因此也可以将网络元素称为服务器。

从功能上可以将网络元素分为两大类：

（1）服务曲线元素：保证向输入流提供一个最小的服务量；

（2）整形器：保证输出流受到某个到达函数限制。

可以采用函数描述网络中的数据流的流量特征与网络元素的服务能力，描述流的函数称为流的达到曲线，描述服务器的函数称为服务器的服务曲线。在分析单个服务器时，可以通过到达曲线和服务曲线来计算网络性能参数的确界。网络演算的主要概念包括到达曲线、服务曲线以及最小加代数下的卷积和反卷积运算。其中到达曲线限制了进入进程，而服务曲线则限制了网络节点的输入和输出行为，服务的最大时延可由到达曲线和服务曲线之间的水平距离决定。

下面给出了到达曲线和服务曲线的定义[5]：

定义3.1（到达曲线）：设广义增函数A，α∈F，如果对所有s≤t满足公式（1）。

服务的最大延迟由服务曲线和到达曲线的水平距离决定。

以图1为例，横坐标为时间轴，纵坐标为数据量，α（t）为到达曲线，β（t）为服务曲线，wmax为滞后数据量，dmax为最大延迟。数据流经过一个网络节点的最大延迟可以由服务曲线和进入曲线的水平距离得出[6][7][8]。

任何端到端的通路都可以看成是由网络元素串联而成，不管多复杂的网络都可以被抽象为提供某个服务曲线的网络元素。因此对于复杂的网络，仍然可以采用与单独服务器相同的方法计算网络性能参数的确界。可以总结出网络演算具有如下特点：

a.网络演算可以求得性能指标的上确界和下确界，并且为最差情况下的结果；

b.网络演算假设网络中的所有数据流都是被整形的，即受某个到达曲线的限制；

c.任何规模的网络都可以被抽象为一个网络元素。

1991年，Cruz在文献[10]和[11]中最先系统地提出网络演算，并给出了可以用于计算任意拓扑结构的分组交换网中端到端的延迟和抖动的理论与方法，从延迟的角度较好的解决了网络性能评价问题。2005年，在文献[12]中Charara和Fraboul率先将网络演算方法运用到AFDX的延迟计算中。而后网络演算理论分析AFDX延迟的研究屡见不鲜。

4.总结

网络演算的高可靠和高有效性保证了关键系统的硬实时通信。在今后的网络演算的理论和方法已经比较成熟，延迟上下确界的紧凑性将会成为研究的重点和热点，因为它能更好地指导配置AFDX网络系统，更高效地利用网络资源。

参考文献

[1]ARINC664part7draft3.AvionicsfullduplexswitchedEthernet-determi-nisitc network[S].Annapolis：Aeronautical Radio Incorporated，2004.

[2]杜亚娟.航空全双工交换式以太网探究[J].计算机工程，2009，35（11）：77-79.

[3]ARINC 664，Aircraft Data Network，Part 7：Deterministic Networks[S].2003.

[4]张连明，陈志刚，黄国盛.网络演算理论及应用研究[J].计算机工程与应用，2006.27：8-11.

[5]J.Y.L.Boudec，work Calculus：A Theory of Deterministic Queuing System for the Internet[M].Online Version：Springer-Verlag，2004.

[6]Boudec JYL，Thiran P.A short tutorial on network calculus I：Fundamental bounds in communication networks[C].Proc of IEEE Int Symposium on Circuits and Systems.Geneva，2000：93-96

[7]Boudec J Y L，Thiran P，Giordano S.A short tutorial on network calculus II：M in-plus system theory app lied to communication network s[A].Proc of IEEE Int Symposium on Circuits and Systems[C].Geneva，2000：97-100.

[8]张信明，陈国良，顾钧.基于网络演算的流量整形模型[J].软件学报，2000，13（12）：2225-2230.

[9]Le boundec J Y，Thiran work Calculus[M].London，Britain：Springer Verlag Lecture Note in Computer Science number 2050，2004.

[10]Rene L.Cruz.A calculus for network delay，part I：Network elements in isolation[J].IEEE Trans.Information Theory，1991，37（1）：114-131.

[11]Rene L.Cruz.A calculus for network delay，part II：network analysis[J].IEEE Trans.Information Theory，1991，37（1）：132-141.

[12]H.Charara，C.Fraboul.Modelingandsimulationofanavionicsfullduplexswitchedethernet[C].//Advanced Industrial Conference on Telecommunications/ServiceAssurancewith Partial and Intermittent Resources Conference，2005.