航空全双工以太网交换机若干关键技术研究与实现

论文摘要

以太网因其巨大的网络基础和长期的技术积累已成为当前局域网的主流传输技术,但为了满足工业控制系统的特殊需求,如现场环境、拓扑结构、可靠性等要求,必须对标准的IEEE802.3以太网协议做出调整和补充,以保证以太网技术在工业现场应用的可靠性,即我们常说的工业以太网。目前,在控制级通信网络领域中,工业以太网解决方案已经得到了广泛的认可和接受。但不可否认的是工业以太网技术在向最底层的现场级控制系统渗透时遇到了难以克服的障碍——通信的实时性和确定性。ARINC664作为新一代的机载数据网络标准,制定了航空系统专用的具有确定性QoS保证的实时以太网方案,已经通过了航空电子委员会(AEEC)的审议并有着美好的发展前景和应用空间。美国波音公司和欧洲空中客车公司已经根据该标准研制出了成熟的产品,并且投入了使用。不过由于西方国家高科技产品的对华限制,目前我国还没有发布成熟的机载AFDX网络设备产品。随着“大型飞机”项目的启动,我国航空事业的发展即将进入一个高峰期,设计出具有我国自主产权的新一代数据网络设备已经成为一个现实而又迫切的目标。结合实验室承担的科研项目——机载全双工以太网(AFDX)交换机开发,即设计并实现满足ARINC664标准第7部分“Aircraft Data Network Part7 Avionics Full Duplex Switched Ethernet(AFDX) Network”中定义的AFDX交换机及核心交换芯片,要求交换机支持16个100Mbps的以太网物理端口实现全双工、无阻塞的数据分组交换,本论文主要讨论了交换系统存储队列管理模块、数据交换总线模块、端口监测功能模块的设计与实现以及AFDX整体网络仿真及性能分析。存储队列管理给出了一种用于分组交换机缓存队列链表管理的方法,提出了应用FPGA实现的设计方案,仿真结果和实际硬件测试证明了该设计方案具有高效简单的特点;数据交换总线模块将接收缓存、发送缓存和片外存储器连接起来,完成数据帧由接收缓存经片外存储器至发送缓存的转移。支持在调度器控制下的数据流的双向、多播传输;捕获功能模块设计并实现了具可编程配置的捕获端口,通过捕获端口可以监测任意的输入端口、输出端口和虚链路,即在输入端口和输出端口内部总线上增加额外的数据传输通道到选定的监测端口,完成信息的捕获功能。AFDX整体网络仿真及性能分析部分设计了简单的单级网络仿真环境,介绍了所设计的网络和节点的仿真模型以及获得的仿真结果,为评估系统性能、确定系统关键参数奠定了基础。实际系统测试表明上述功能模块设计正确,能够达到机载全双工以太网交换的性能要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 以太网技术简介及其在航空电子系统中的应用分析
• 1.2.1 以太网技术简介
• 1.2.2 实时以太网实施技术
• 1.2.3 确定性实时以太网在航空电子系统中的应用
• 1.3 ARINC664 标准第7 部分
• 1.3.1 系统整体特性介绍
• 1.3.2 端系统
• 1.3.3 AFDX 交换机
• 1.4 论文的内容及安排
• 第2章 AFDX 交换机系统设计方案
• 2.1 任务目标
• 2.1.1 硬件需求
• 2.1.2 功能需求
• 2.2 系统设计方案
• 2.2.1 交换模块
• 2.2.2 控制模块
• 第3章 存储队列管理
• 3.1 缓存队列管理策略
• 3.2 方案设计
• 3.2.1 设计思想
• 3.2.2 设计方案
• 3.2.3 仿真分析
• 第4章 数据交换总线
• 4.1 设计方案
• 4.2 模块功能与信号定义
• 4.3 仿真分析
• 第5章 捕获端口
• 5.1 设计思路
• 5.2 模块工作流程和接口设计说明
• 第6章 系统建模与仿真分析
• 6.1 系统建模
• 6.2 仿真模型
• 6.2.1 端系统
• 6.2.2 交换机
• 6.3 仿真环境及结果
• 6.3.1 仿真环境
• 6.3.2 仿真结果
• 6.4 建模仿真对实际系统的指导意义
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果