[发明专利]具有时空分离特性的AFDX网络交换机

说明书

技术领域

本发明涉及一种交换机，尤其涉及一种具有时空分离特性的航空全双工交换式以太网（Avionics Full DupleX ethernet，AFDX）网络交换机。

背景技术

AFDX作为新型的航空数据总线，其目的是为高性能航空电子系统提供安全可靠的传输方案，满足复杂、恶劣条件下的飞行控制要求。早在上世纪末，世界航空业界的巨头波音和空客公司就将科研重点转向了使用商用的以太网技术对下一代的飞行控制总线进行改造。研究结果导致了AFDX的诞生。空客公司已经成功地将其应用于A380项目上，并且波音公司已经制定明确计划将在Boeing787上使用该技术。AFDX网络解决方案以IEEE 802.3为基础，针对航空电子子系统的特殊需求进行适应性的修改，使其成为了具有商业以太网特性的航空网络。

作为航空以太网数据标准ARINC664的第七部分，AFDX协议为航空电子子系统定义了电子电气相关的规定和数据交换的协议。AFDX协议在整个设计和研发过程中使用了很多具有创新性的技术，比如对带宽控制采用了多带宽的应用策略，以及将ATM协议复杂性、健壮性和以太网简单链路进行高效的组合等。所以相比于早先提出的ARINC429和MIL-STD-1553总线技术，AFDX网络在灵活性、扩展性、模块性、传输速率和效率上都有了很大的提高。

传统的航空通信协议中，ARINC429和MIL-STD-1553是研究和应用最为广泛的。ARINC429协议采用的是总线节点拓扑，设备与设备之间必须通过双绞线连接才能收发数据，各个航空子系统之间数据通信速率仅为100kpbs，只为AFDX网络的千分之一，同时航空电子系统必须要给每个子系统的各个通信信道分配一条具有多个端点的ARINC429总线。这样的网络设计，使得整个ARINC429总线系统结构的质量和成本都非常大。相比而言，AFDX采用的是交换式以太网架构，各个子系统直接与交换机相连接，新增加的设备只需要将其与交换机端口相连接即可。同时，在ARINC429的总线架构中，一个发送端最多可以发送至20个接收端，而在AFDX网络中，由于交换机的级数和数量可以按需增加，所以可用的接收端数量只取决于总的交换机端口数目。所以，不管从扩展性还是从灵活性上考虑，AFDX网络比ARINC429的总线架构都具有更明显的优势。与ARINC429类似，MIL-STD-1533协议也是采用总线架构，但是其传输速率过低，仅为12.5kbps。缺陷更明显的是，MIL-STD-1533协议采用半双工和异步传输模式，需要增加一个总线控制器对总线上挂载的所有设备之间的通信进行控制。这种设计在扩展性、灵活性以及传输速率上与AFDX都有不小的差距。

在AFDX网络中，最重要的组成部分是由AFDX交换机互连组成的AFDX互连系统（AFDX Interconnect），所有设备之间的数据通信都经由AFDX互连系统的路由转发，最后到达目的设备。对于航空网络这样一个对任务和数据处理具有强实时性性能要求的系统中，在特定资源的条件下，数据包能否在给定时延上限内到达目的设备，是至关重要的。而AFDX互连系统主要由AFDX交换机组成，所以AFDX交换机的性能对于整个AFDX网络的性能起着举足轻重的作用。

在传统的计算机网络例如ATM网络和以太网中，交换机技术已经非常成熟，有非常多的交换机架构模式，其中共享内存架构相比其它的架构，有硬件成本低、利用率高、吞吐量大等优点。然而，共享内存架构也有明显的缺点，就是其容量和带宽不易扩展，数据包经过交换机的时延与抖动非常大。现有技术中共享内存交换机的架构如图1所示，其中共享内存架构存在两个瓶颈，第一个是共享内存，共享内存的容量和带宽就是整个交换机的容量和带宽的上限，而以目前的内存技术，共享内存的容量和带宽是远远达不到AFDX网络的需求的；第二个是交换机控制器，由于只存在一个交换机控制器，所以交换机控制器的负担非常重，每一个时隙交换机都必须轮循所有输入端口和输出端口，这势必造成数据包进入交换机和离开交换机的时间都是不确定的，亦即时延和抖动非常大。这与航空数据网络实时性与确定性的要求相背离。由此可见，需要对共享内存架构进行改进以适应AFDX网络的需求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有时空分离特性的AFDX网络交换机，在时间分离性方面，该架构很好地继承了共享内存架构的优点，硬件利用率高、硬件成本低以及吞吐量大；在空间分离性方面，该架构充分利用AFDX网络的静态特性，极大程度上地消除了共享内存架构内存空间竞争与冲突的缺点。