专利名称：帧交换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机载网络领域，更具体地，涉及一种用于将多个机载设备连接在一起和/或连接到AFDX(Avionics Full DuplexSwitched Ethernet,航空电子设备全双工通信制以太网交换)网络的帧交换装置。
背景技术：
安全性是设计飞行器的主要问题。特别是，保证某些类型的测量数据(这些数据被视为飞行器飞行的关键)的完整性是绝对必要的。在这些数据中，可能提到涉及飞行器定位的那些数据或者进一步给出燃料余量的那些数据。这些数据通常由传感器通过机载网络传输到计算机。反之亦然，计算机可以经由网络将飞行命令传输到执行器(actuator)。
图1示出了已知的允许多个设备IIO经由AFDX(航空电子设备全双工通信制以太网交换)网络发射和/或接收数据的架构。该设备可以是将测量数据传输到机载计算机150的传感器或者从该计算机接收设置数据的执行器。 设备110通过连接网络140连接到集线器装置120，连接网络140可以是，在汽车领域中众所周知的所谓"现场总线"(例如CAN总线)或者是Arinc 429型号的网络。集线器装置自身被连接到AFDX网络，用于向不同设备传输数据和/或从不同设备接收数据。集线器装置在连接网络140和AFDX网络130之间起转换网关的作用。 下面回顾一下为满足航空需求发展起来的AFDX网络是基于交换式以太网网络的。在交换式以太网网络中，每个终端、源或收报人(addressees)分别连接到帧交换机，并且交换机通过物理链路连接在一起。AFDX网络采用虚拟链路(定义为经过网络的第2级定向路径)的概念，始于源端，并服务于(serving) —个或多个收报人。虚拟链路的收报人终端称作是该链路的用户。 AFDX网络是Arinc 664标准的第7部分中的标准化的对象。AFDX网络的描述将主要可参见标题为"AFDX协议指南(AFDXprotocol tutorial)"的文件，其可通过URLhttp: 〃sierrasales. com/pdfs/AFDXTutorial. pdf获取，虚拟链路的介绍可在以本申请人的名义提交的FR-A-2832011中找到。这里将简单回顾一下，AFDX网络是全双工、确定性的和冗余的。 对于全双工，应理解的是每个终端都可以在虚拟链路上同时传输和接收帧。AFDX网络是确定性的，在这个意义上，虚拟链路在时延边界、流量的物理隔离、带宽和吞吐量方面表现出保护特征。这样做的每个虚拟链路具有通过网络的端到端的保留路径。最后，因为基本的以太网网络由于有效性的原因是复制出的，因此AFDX网络是冗余的。数据作为以太网帧中的封装IP包来传输。不同于传统的以太网交换(使用收件人的以太网地址)，AFDX网络上的帧交换使用包含在帧报头中的虚拟链路标识符。当交换机在其输入端口中的一个上接收帧时，其读取虚拟链路标识符并且从其交换表确定通过其应被发射的输出端口。交换机检查飞行器上所传输的帧的完整性，如果帧是错误的，则无需重传移除检测出错误的帧。虚拟链路上传输中的帧被依次编号。 一旦接收，收报人终端检查帧序列的完整性。
图1中所示的连接架构有异构的缺点。因此，其需要AFDX网络和现场总线/网络之间的转换网关，用于连接不同设备。 第一解决方案可由将不同的设备直接连接到AFDX网络的帧交换机构成。然而，如果大量设备机载在飞行器上，这就需要使用大量这样的交换机。此外，由于交换机通常设在航空电子设备的支架中，即，通常远离传感器/执行器，因此这种解决方案将包括很多长线连接的使用，这将不利于航空器的质量平衡。 因此，本发明的一个目的是提出了一种架构，大量的机载设备可以使用该架构连接到AFDX网络而没有上述缺点。 本发明的另一目的是提出了一种帧交换装置，多个机载设备可以使用该帧交换装置连接在一起，并且允许多个机载设备(如果需要)接入AFDX网络。
发明内容
本发明提出了用于AFDX网络的帧交换装置，包括第一端口，用于连接到所述网络的交换机或者连接到终端；以及多个第二端口 ，用于分别连接到机载设备。所述装置按照以下方式操作 第一端口上的每个入射帧被复制在所述第二端口中的每一个上； 所述第二端口被周期性地依次轮询，第二轮询端口上出现的每个帧被传送到所述
第一端口上。 优选地，当第一端口上的每个入射帧在第一端口上被接收时，其被逐步复制到第二端口中的每一个上。 每个第二端口有利地与其中存储该端口上的入射帧的输入缓冲器相关联，每个端口通过检查与其相关联的缓冲器是否包含帧而被轮询，如果是，则所述帧被从所述缓冲器清空，以被传输到所述第一端口上。每个第二端口通常以t《500i!s的轮询周期被轮询。
清空输入缓冲器并将其传输到第一端口上的总时间被有利地选择为小于t /N，其中，t和N分别是轮询周期和第二端口的数目。 优选地，所述输入缓冲器具有(t/N)D位的大小，其中，D是第一端口上的二进制吞吐量。 本发明还提供了一种机载系统，其包括分别连接到以上限定的帧交换装置的第二端口的多个设备，每个设备被配置为使得每500 y s最多只传输一个帧。此外，每个设备通常被配置为用于在小于500 s的时间内传输所述帧。 本发明还涉及一种用于将多个机载设备连接在一起和/或将多个机载设备连接到计算机的帧交换装置，其包括用于经由以太网链路连接到所述设备或者连接到所述计算机的多个(N个)输入/输出端口，所述装置包括用于依次轮询所述输入端口的复制帧、并且在所有输出端口上拷贝出入射在输入端口上的每个帧的装置，其中，每个输入端口以确定的轮询周期被轮询。 本发明最后涉及一种用于将多个机载设备连接在一起和/或将多个机载设备连接到计算机的帧交换装置，所述装置包括多个(P个)基本帧交换装置，每个基本装置包括用于经由以太网链路连接到所述设备、所述计算机或者另一个基本交换装置的多个(N个)输入/输出端口 ，每个基本交换装置包括用于轮询所述输入端口的复制帧的装置，每个输
5入端口直接连接到一个设备或者所述计算机，第一输入端口以第一确定周期被轮询，每个 输入端口连接到另一个基本交换装置，第二输入端口以比第一周期短的第二周期被轮询， 复制装置在所有的输入端口上拷贝出入射在第一输入端口上的任意帧，并在除与第二输入 端口相关联的输出端口之外的所有输出端口上拷贝出后者上的入射帧。
图1示出了现有技术中已知的用于将多个设备连接到AFDX网络的架构； 图2A示出了根据本发明第一可选实施方式的用于将多个设备连接到AFDX网络的
架构； 图2B示出了根据本发明第二可选实施方式的用于将多个设备连接到AFDX网络的 架构； 图3示意性示出了在上行链路的情况下，根据本发明第一实施方式的帧交换装置 的操作； 图4示意性示出了在下行链路的情况下，根据本发明第一实施方式的帧交换装置 的操作； 图5示出了根据本发明的涉及来自机载设备的虚拟链路以及通过帧交换装置的 传输的时间约束； 图6A示意性示出了根据本发明第三可选实施方式的用于连接多个机载设备的架 构； 图6B示意性示出了根据本发明第四可选实施方式的用于连接多个机载设备的架 构； 图7A示意性示出了根据本发明第二实施方式的帧交换装置； 图7B示意性示出了根据本发明第二实施方式的帧交换装置。
具体实施例方式
基于本发明的第一构想包括通过比传统的帧交换机更简单的帧交换装置，将不 同机载设备连接到AFDX网络而无需任何转换网关。这种交换装置可以位于其连接的传感 器/执行器附近。 图2A示出了根据本发明的实施方式的连接架构。设备210(例如传感器或执行 器)被直接连接到帧交换装置220。该装置可以被连接到网络的传统交换机SW或者直接 连接到计算机(主机)250。更具体来说，装置220 —方面包括N个输入/输出端口 A，..， AN，分别连接到N个机载设备210上，另一方面包括输入/输出端口 B，连接到交换机SW端 口 ，或者直接连接计算机250。重要的是应注意，交换装置220与传统的帧交换机SW —样是 AFDX网络的一部分。从Arinc 664标准的意义上来说，机载设备210和计算机250是终端 (终端系统)。在任何情况下，数据在设备210与计算机250之间通过一个或多个虚拟链路 传输，如下将详细看到这部分。 根据图2B中所示的可选实施方式，AFDX网络被设为冗余的，即，其由包括第一交 换设置221的第一网络和包括第二交换装置222的第二网络组成，第一交换装置和第二交 换装置与图2A中的220中所示的交换装置相同。在每个网络中，交换装置221、222被连接到该网络的帧交换机或者被直接连接到计算机250。当数据帧必须由计算机250传输时，则 该帧的两个相同的拷贝随后在两个网络上被平行发送，并且经由第一连接装置和第二连接 装置到达收报人设备。收报人设备只保存第一接收帧。反之，当数据帧必须由机载设备210 传输到计算机250时，该帧的两个拷贝经由第一交换装置和第二交换装置分别在两网络上 传输。以与以上相同的方式只保存第一接收帧。 机载设备210被配置为每时间周期A t jittCTMX传输不超过 一 个帧，其 中，A Tjitte"x是AFDX网络中的终端(终端系统)最大允许抖动，在现有标准中， 图3示出了在上行链路的情况下(即，当设备210将帧传输到机载计算机250时) 根据本发明的帧交换装置的操作。 输入/输出端口 A" . . ， AN中的每一个与输入缓冲器相关联，并且可选地与输出缓 冲器(未示出)相关联。输入/输出端口B被可选地与输入缓冲器和/或输出缓冲器(未 示出)相关联。输入缓冲器以及输出缓冲器(如果需要)是存储缓冲器，其可以被作为例 如寄存器或RAM的存储器区。 每个输入/输出端口 An通过例如双绞线对( 一对用于上行链路， 一对用于下行链 路)被连接到设备210。此外，输入/输出端口B通过例如双绞线对被连接到网络的交换机 或者直接连接到机载计算机。可以使用光链路替代绞线对。 在N个端口 A" .. ， A,上接收的帧以预设的大小L分别存储在N个输入缓冲器 1\，. . . ，TN中，这将在下文中详细说明。如果在端口 An上接收到帧，并且当时相关联的缓冲 器i;已经包含帧，则后者被简单删除(在同一地址开始写入)。此外，如果入射帧具有大于 L的长度，则实际上该帧在写入缓冲器之后立即被截断(truncate)到长度L。
B端口上的缓冲器L，... ，Tw中的每一个以"Ar;^的周期被依次清空。因此，对 于在虚拟链路上以最小时空约束BAG(BandwidthAllocation G即，带宽分配空隙)传输帧 的给定的设备，交换装置的输出帧在虚拟链路上将相对于可能的传输瞬间t。+BAG， t。+2BAG， t。+3BAG，...具有最大抖动A t jittjax，其中，t。是任意时间基准。实际上，存储于交换装置 的输入缓冲器中的帧在网络中被传输之前将等待最多A TjittCTmax。 图5中示出了这种情况，其中，第一时间轴上示出了有关虚拟链路的可能的传 输瞬间ti = t。+i.BAG，第二时间轴上示出了用于清空输出端口上的输入缓冲器的瞬间 ^-ro+Mz^:。如果帧F在瞬间ik之前出现在缓冲器i;中，该帧在瞬间^被传送到输 出端口B上。另一方面，如果帧F在该瞬间之后出现在缓冲器i;中，其将只在瞬间^+1被 传送。因此，由交换装置引入的时延9i总是小于最大容忍抖动A TjittCTmax。
对于每个输入缓冲器，清空帧并将该帧传输到端口 B上的总时间应被选择为小于 t /N。因此，缓冲器的清空将在通过下一缓冲器之前完成。大小L被有利地选择为等于(t / N)D，其中，D是端口 B的输出二进制吞吐量。 交换装置不执行帧头的任何读取，更不用说不执行任何CRC检查。该帧通过拷贝 其被简单传送到端口 B上。S卩，由于这种交换装置没有进行任何处理或者拒绝，因此入射错 误帧将被传输。特别地，因此具有错误CRC的截断帧由于这种原因将被传输。最终的收报 人将在检查CRC之后立即拒绝错误/截断帧。 如果一个设备不遵守传输约束，例如如果其用小于A t ,.itte x的周期传输帧，则来自该设备的帧可以在缓冲器被清空之前删除其中的上一帧。然而，这对于由其他设备传 输的数据帧没有影响。 图4示出了在下行链路的情况下(即，当设备210从机载计算机250接收帧时) 交换装置的操作。 与上行链路不同的是，这里的交换装置起到简单的集线器的作用。S卩，端口 B上的 任何入射帧被自动复制在交换装置的端口 A" . . . ， A,上。当入射帧被接收时，这种复制被 有利地逐步执行，不需要缓冲器中的任何存储或者其CRC的任何检查。因此，该入射帧不受 交换装置的争用时间的限制，只受复制操作的固有的延迟的限制。 当虚拟链路具有用于收报人的一个设备210时，通过网络的虚拟链路的路由不需 要知道该设备被连接到装置220的哪个输出端口。实际上，在该虚拟链路上传输的数据帧 将被交换装置广播到与其相连接的所有设备。然而，未向该虚拟链路预定的(subscribed) 每个设备，将通过通知在该帧中的虚拟链路的特定标识符对其是未知的来拒绝该帧。最后， 只有有关虚拟链路的收报人将保存有关帧。 以上所述的交换装置的架构特别简单和健壮。具体来说，上行链路和下行链路上
的差错跟踪功能以及下行链路上的交换功能被远程部署在终端上。尽管如此简单，根据本
发明的交换允许不同设备作为虚拟链路的源或者收报人，以及具有连接到AFDX网络的服
务，用于上传该网络上使用的软件包，以特别受益于测试工具、故障诊断。 在下文中，我们示出了交换装置220的数字的示例性实施方式。 我们假定交换装置通过10Mbits/s的链路被连接到5个机载设备。即，每个设备每
/^^==50(^ 只能传输125个字节的帧。这些125个可用字节应被分配如下12个字节用
于帧间间隙的现场IFG，7个字节用于前同步信号，1个字节用于界定帧的开始或者SFD(起
始帧分隔符)，14个字节用于以太网报头，20个字节用于IP报头，8个字节用于UDP报头，
l个字节用于序列号，4个字节用于差错检验(FCS)。因此，该帧可能最终只包含58个字节
的有效载荷。 因此，如果设备是与1毫秒的时空BAG(根据AFDX标准目前预期的最小时空)相 关联的虚拟网络的源，该设备可以每毫秒传输58字节，S卩，在该链路上的464kbits/s的 保证带宽。最小帧间间隔是500ii s，该设备可以支持两个464kbits/s的虚拟链路，即， 928kbits/s的总保证带宽。后者为有关设备保留，不与连接到交换装置的其他设备共享。 同时，该设备可以在下行链路接收帧。 在这种情况下，示出该设备与机载计算机之间的最大延迟时间可能在下行链路是 1. 5毫秒、在上行链路是2毫秒。 图6A示出了根据本发明的第三可选的实施方式的一种用于连接多个机载设备的 架构。对于该可选的实施方式，多个机载设备610可以被连接在一起，如果需要，其可以直 接或通过AFDX网络被连接到主机(计算机)。 不同于以上可选的实施方式，有关设备通过帧交换装置620被连接在一起。再次 假定每个设备610能够以最小时间间隔(BAG)约束来传输帧。每个设备610通过以太网链 路615被连接到装置620的输入/输出端口 Bn(n = 1，. . ，N)。交换装置的输入/输出端口 中的一个可以被连接到计算机或者被连接到AFDX网络的帧交换机。在后者的情况下，不同 设备具有通过交换装置620对网络的接入。应注意，这里的以太网链路615不是AFDX网络
8的一部分，因此在这些链路上传输的以太网帧不必遵循Arinc 664标准的格式。具体来说， 在这些链路上传输的帧不必必须遵守最大抖动A 、,tter,约束。 图7A示意地示出了交换装置620的结构。该装置包括N个输入端口 761和N个 输出端口 762。每个输入端口 761包括用于存储入射帧的足够大小的输入缓冲器。输出端 口 762可以包括或者不包括输出缓冲器。在后者的情况下，帧在连接到输出端口的链路上 被直接传输。 交换装置进一步包括复制装置670，象征性地示为具有N个位置的旋转交换机。这 些复制装置670在所有的输出端口 = 1， . . ， N)上拷贝出入射在输入端口 Bkin中的
一个上的任意帧。更具体来说，装置670依次轮询不同的输入端口，以及将出现在输入端口 上的帧传输到输出端口的每一个上，包括传输到与已经接收到入射帧的输入端口相关联的 一个输出端口上。输入端口被轮询，即，其输入缓冲器被以周期t读取，换而言之，装置620 执行持续时间t的交换周期。应重点注意的是，帧交换装置的操作与集线器的操作有显著 的不同在于-其通过周期轮询其输入端口同步执行。
-没有帧的冲突。 轮询周期t应进一步遵守以下约束 T^tz;"d^ 其中，如已经所描述的，BAG是由设备传输的两帧之间的最小时间间隔，以及1\是 传输由连接到交换装置的端口 Bi的设备传输的最长帧所需要的时间。
例如，如果交换装置的端口的数量是N = 8，则二进制吞吐量为D = 100Mbits/s， 有效载荷的长度为L = 100字节，MAC/IP/UDP+CRC报头的长度为I = 46字节，两以太网帧 (IFG+前同步信号)之间的最小间隔为E = 20、T = N(L+I+E). 8/D = 106. 24y s，以及如果 BAG = 500 ii s，则可以选择t = 490 ii s的轮询周期。 图6B示出了根据本发明的第四个可选实施方式的一种用于连接多个机载设备的 架构。 该可选实施方式与以上实施方式不同，因为它包括级联连接的多个(P个)基本交 换装置(这里的631、632)，每个基本装置包括N个输入/输出端口 ，以及整个装置提供将 最多P(N-1)个机载设备连接在一起的连接。该装置还可以通过如所述的直接连接到输入 /输出端口 (B21)或者通过AFDX网络，将机载设备连接到计算机650。 有利地，机载设备和/或基本交换机由以太网网络供电，则双绞线对被用做电源 以及用于传输数据。在名称为PoE(Power overEthernet，以太网供电)的指导下该技术是 公知的，在IEEE 802.af标准中描述了该技术。以这种方式，不可制定独立的电源总线的规 定，但可以改善装置的质量平衡。应指出的是，更不用说该技术可应用于图6A的构架。
图7B简要示出了图6B的架构中使用的基本交换装置的结构。这样的装置类似于 图7A中所示的装置，相同的元件用相同的参考标号来表示。然而，复制装置771的功能是 显著的。实际上，如果考虑具有两基本装置631和632的结构，如图6B所示，以及如果Blkin 和B2k°ut分别表示将第一装置连接到第二装置的第一装置的输入和输出部分，则输入端口
9B^n将比其他端口更频繁地被轮询N-l次。更特别地，如果Bnin(l^k)的轮询周期是T， 其中，T是为非级联的基本装置确定的轮询周期，则B^n的轮询周期小于或等于T/N-l，端 口B^n上的入射帧的流量比其他端口高N-l倍。更一般地，如果P是串联安装的基本装置
的数目，则保证与另一个基本装置互连的输入端口的轮询周期将小于或等于t / (N-l) p—、
复制装置771与以上的装置770也不同，因为装置771不执行将输入端口 Blkin拷 贝出到输出端口 B^。ut上。此外，对于交换装置632，没有将B^n拷贝出到B^ut上，更一般 地，对于保证两个基本交换装置之间的互连的任意端口 ，本地拷贝是禁止的。通过对有关端 口禁止任意本地拷贝，使得避免基本交换装置之间的无限反馈成为可能。
在下文中，我们将给出在图6B中所示的级联的两个基本装置的情况下的数值实 例，即，P = 2。如上所假定的，N = 8， D = 100Mbits/s， L = 100字节，以及I = 46字节， 两个以太网帧(IFG+前同步信号)之间的最小间隔E = 20。传输所有入射帧的最短时间T 为14 (100+46+20) .8/100 = 185.92)。如果BAG = 500 y s，可以假定直接连接到设备的输 入端口的轮询时间t为490i!s以及与其它基本交换装置的互连端口的轮询时间t'为 70 ii s。
10
权利要求
一种用于AFDX网络的帧交换装置，包括第一端口(B)，用于连接到终端(250)或者所述网络的交换机(SW)；以及多个第二端口(A1，...，AN)，用于分别连接到机载设备(210)，其特征在于所述第一端口上的每个入射帧被复制到所述第二端口中的每一个上；所述第二端口被周期性地依次轮询，在经轮询的第二端口上出现的每个帧被传送到所述第一端口上。
2. 根据权利要求1所述的帧交换装置，其特征在于，当所述第一端口上的每个入射帧 在所述第一端口被接收时，所述入射帧被逐步复制到所述第二端口中的每一个上。
3. 根据权利要求2所述的帧交换装置，其特征在于，每个第二端口与其中存储该端口 上的所述入射帧的输入缓冲器0\，.. ，TN)相关联，每个端口通过检查与其相关联的所述缓 冲器是否包含帧而被轮询，如果是，则所述帧被从所述缓冲器清空，以被传输到所述第一端 口上。
4. 根据权利要求3所述的帧交换装置，其特征在于，每个第二端口以t《500iis的轮 询周期被轮询。
5. 根据权利要求3所述的帧交换装置，其特征在于，清空输入缓冲器并将其传输到所 述第一端口的总时间小于t/N，其中，t和N分别是轮询周期和第二端口的数目。
6. 根据权利要求5所述的帧交换装置，其特征在于，所述输入缓冲器具有(t /N)D位的 大小，其中，D是所述第一端口上的二进制吞吐量。
7. —种机载系统，包括分别连接到根据权利要求4所述的帧交换装置的所述第二端口 的多个设备(210)，每个设备被配置为每500 s传输最多一帧。
8. 根据权利要求7所述的机载系统，其特征在于，每个设备被配置为在小于500 s的 时间内传输所述帧。
9. 一种用于将多个机载设备(110)连接在一起和/或将多个机载设备(110)连接到计 算机(650)的帧交换装置，包括多个(N个)输入/输出端口，用于经由以太网链路连接到 所述设备或者所述计算机，其特征在于，其包括用于依次轮询所述输入端口来复制帧、并在 所有的所述输出端口上拷贝出入射在输入端口上的任何帧的装置(770)，其中，每个输入端 口以经过确定的轮询周期被轮询。
10. 根据权利要求9所述的帧交换装置，其特征在于，所述轮询周期被确定为长于由所 述设备在每条所述链路上传输最长的帧所需要的总时间，并短于分隔由设备在链路上传输 的两连续帧的最短时间。
11. 一种用于将多个机载设备(110)连接在一起和/或将多个机载设备(110)连接到 计算机(650)的帧交换装置，所述装置包括多个(P个)帧交换基本装置(631、632)，每个基 本装置包括用于经由以太网链路被连接到所述设备(610)、所述计算机(650)或者另一基 本交换装置(632、631)的多个(N个)输入/输出端口，其特征在于，每个基本交换装置包 括用于轮询所述输入端口的帧复制装置(771)，每个输入端口被直接连接到一个设备或者 所述计算机，第一输入端口以第一确定周期被轮询，每个输入端口被连接到另一基本交换 装置，第二输入端口以比所述第一周期短的第二周期被轮询，所述复制装置在全部所述输 出端口上拷贝出入射在所述第一输入端口上的任意帧，并在除与第二输入端口相关联的输 出端口之外的全部输出端口上拷贝出入射在后者上的任意帧。
12. 根据权利要求11所述的帧交换装置，其特征在于，其由级联的两个基本交换装置 组成，所述第二轮询周期(t ')小于或等于t/(N-1)，其中，t是所述第一轮询周期，N是 基本交换装置的输入/输出端口的数目。
13. 根据权利要求9至12中任一项所述的帧交换装置，其特征在于，所述以太网链路的 至少一些遵照IEEE 802. af标准。
全文摘要
本发明涉及一种AFDX网络的帧交换装置，所述装置包括第一端口，用于连接到终端(例如计算机)或者所述网络的交换机；以及多个第二端口，用于分别连接到机载设备，入射到第一端口上的每个帧被复制在所述第二端口中的每一个上；所述第二端口被周期性地依次轮询，在经轮询的第二端口上出现的每个帧被传送到所述第一端口。
文档编号H04L12/56GK101796780SQ200880105472
公开日2010年8月4日 申请日期2008年9月3日 优先权日2007年9月3日
发明者斯特凡娜·莫尼耶 申请人:空中客车运作股份公司