航空全双工交换以太网监测处理系统及方法

专利名称：航空全双工交换以太网监测处理系统及方法
技术领域：
本发明涉及航空电子网络通信领域，具体而言，涉及一种航空全双工交换以太网 监测处理系统及方法。
背景技术：
航空电子网络通信系统对于现代的飞机起着关键的系统综合作用，对于提高飞机 的作战能力非常重要。航空电子网络监控系统以综合显示与控制系统为核心，集成了大量 的机载设备如任务计算机、大气数据系统、雷达系统、惯性导航系统、外挂管理系统、无线电 通讯系统，敌我识别系统等。然而传统的MIL-1553B或者ARINC429总线技术存在着数据交 换速度慢、电缆复杂等缺陷。在航空领域中尽管802. 3局域网具有很高的传输速度、较低的成本以及良好的商 用性，但是，802. 3局域网常常缺乏对于带宽和服务质量的保障，而这恰恰是航空通信网所 必须的，航空电子全双工交换式以太网(Avioni cs Full Duplex Switched Ethernet，简称 为AFDX)就是针对这一问题给出的解决方案。AFDX最早由空中客车公司用于大型客机A380 的新一代航空电子网络，它与以往的航空总线或者网络有着较好的兼容性。冗余性和确定性是AFDX网络的主要特性。为了确保关键数据能够到达需要传输 的终端，并达到冗余性的要求，AFDX采用了冗余通道的方式。为了达到确定性的要求，AFDX 网络引入虚拟链路(Virtual Link)。虚拟链路是AFDX网络的基础，每一个虚拟链路定义了 一个单向的数据流，这个数据流可能来自于一个终端，目的地可能是一个或多个终端，在这 里虚拟链路也解决了一部分关于多播的问题。基于AFDX总线的网络与普通网络的区别主要在于实时性和传输时间的确定性 的应用上，主要包含以下几点固定带宽或带宽限制AFDX对数据发送和接收都有严格地 延时要求，这就指定了保证带宽的最大数据包大小；数据包的顺序数据包必须按发送的 顺序接收；双端口 双冗余设计，两个端口发送相同数据；虚拟链接(Visual Link，简称为 VL)继承了 ARINC429的技术。AFDX采用星形拓扑结构，将点与点之间的数据线连接用一种虚拟链路(VL)代替， 在终端之间传送数据帧。虚拟链路定义了从一个唯一源端到一个或多个目的端逻辑上的单 向连接，且任意一个虚拟链路只能有一个源端。为了确保数据帧带宽和延迟的确定性，AFDX网络规划采用了静态路由和VL个体 设计的思想，报文的路由信息、所占有的带宽、发送的频率等都由设计人员在网络规划阶段 就要完成设计并进行优化。在物理设备接入网络中后，网络运行的细节对于网络的设计者 和管理者来说都是一个“黑匣子”，因此，监测网络性能、校验带宽的有效利用，路由设计是 否正确、完善等方面成为设计者所面临的问题。通过监测可以知道AFDX网络中是否发生了阻塞，故障产生的具体终端系统。通过 积累这些数据就可以深入的观察AFDX网络业务的规划效果。当AFDX网络发生故障时，网 络管理者希望发现并排除故障，不中断网络的正常流量的监测为最佳手段。
图1是根据相关技术的网络监测系统的结构示意图。如图1所示，目前人们常用的监测网络的方式是利用交换机的镜像端口实现网络监测。端口镜像通过配置将通过交换机的所有数据包或者来自于一个指定端口(端口 1) 的数据包都发送到一个特定的端口(即镜像端口)和目的端口(端口 2)。利用交换机的镜 像端口来监测网络是相对简单、易行的方法。但利用镜像端口存在一些无法避免的问题，包 括监测多个端口会出现丢包现象；监测端口占用交换机的资源，会影响交换机的性能。AFDX网络虽然来源于以太网，又区别于它，在AFDX交换机中采用的是静态路由信 息，如果需要将数据通过镜像端口送出，则需要修改交换机中配置的静态路由信息，从而导 致在监测模式下的网络拓扑与实际工作时并不相同。同样，由于增加了目的端口，会占用原 有的AFDX交换机内部的交换带宽，影响交换机本身的性能。目前AFDX网络交换机都属于专用产品，在ARINC664协议中，并没有关于监测端口 的概念和定义，标准的AFDX交换机并不能提供监控端口 /镜像端口，因此采用镜像端口进 行网络监测的方法并不是一个好的选择。但现有技术监测AFDX网络交换机时，可以采用在 AFDX网络交换机上定义一个端口，当交换机发送数据报时不仅发送到对应的端口，也发送 到该定义端口，则该定义端口执行的功能与镜像端口相同，故存在相同的技术问题。针对相关技术中AFDX的网络监控方法影响AFDX的网络数据链路信息的交换，导 致交换的数据链路信息丢失的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容
本发明的主要目的在于提供一种AFDX网络监测处理系统及方法，以解决相关技 术中AFDX的网络监控方法影响AFDX的网络数据链路信息的交换，导致交换的数据链路信 息丢失的问题。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种AFDX网络监测处理系统。根据本发明的AFDX网络监测处理系统可以包括AFDX交换机和终端，还包括监控 设备，该监控设备通过监控链路连接于AFDX交换机和终端之间的数据链路节点，获取并处 理AFDX网络传输的数据链路信息。进一步地，监控设备可以设有监测端口对，AFDX交换机和终端之间具有第一和第 二数据链路，监测端口对的第一和第二监测端口通过监控链路一对一地分别连接到第一和 第二数据链路。进一步地，监控设备具有多个监测端口对，可以分别连接于AFDX交换机与各相应 的终端之间。进一步地，监控设备还可以包括可控开关，连接于监测端口对，选择性地接通或 断开监控设备内部的处理单元与第一和第二数据链路的连接；缓冲器，连接于可控开关，将 处理单元与监测端口对隔离，并向处理单元发送隔离后的数据链路信息；处理单元，连接于 缓冲器，接收并处理来自缓冲器的数据链路信息，并将处理后的数据链路信息输出到输出 设备。进一步地，缓冲器将监控链路逻辑隔离，可以得到监听路径和传输交互路径，监听 路径和传输交互路径分别传输监测数据链路信息和交换数据链路信息，并发送监测数据链路信息到处理单元。进一步地，处理单元还可以包括端口处理单元，接收缓冲器发送的数据链路信 息，并对数据链路信息进行解码及数模转换；时戳处理单元，使用计时系统记录解码和数模 转换后的数据链路信息的到达时间，得到具有时间戳信息的数据链路信息；过滤处理单元， 对具有时间戳信息的数据链路信息按照预定规则进行过滤，并发送过滤后的数据链路信 息；交换处理单元，接收过滤后的数据链路信息，将过滤后的数据链路信息放入缓存区；输 出处理单元，将缓存区内的数据链路信息发送到输出设备。实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种AFDX网络监测处理方法。根据本发明的AFDX网络监测处理方法可以包括监控设备获取AFDX交换机和终 端交换的数据链路信息以对AFDX网络进行监控，其中，AFDX网络包括AFDX交换机和终端。进一步地，监控设备获取AFDX交换机和终端交换的数据链路信息以对AFDX网络 进行监控可以包括监控设备的监测端口接收AFDX交换机和终端交互的数据链路信息；监 控设备对数据链路信息进行监测处理，将监测处理后的数据链路信息发送到输出端口 ；将 输出端口处的数据链路信息提交到输出设备。进一步地，监控设备对数据链路信息进行监测处理的步骤中，可以包括对监测端 口接收到的数据链路信息进行隔离，得到监测信号；将监测信号进行解码和数模转换；记 录解码和数模转换后的监测信号的到达时间，并生成插入时间戳的监测信号；根据预定过 滤规则对插入时间戳的监测信号进行过滤处理，得到过滤后的符合预定过滤规则的数据链 路信息。进一步地，将过滤后的数据链路信息可以放入交换处理单元的缓存区后等待提交 发送。通过本发明，采用该监控设备通过监控链路连接于AFDX交换机和终端之间的数 据链路节点，获取并处理AFDX网络传输的数据链路信息，解决了相关技术中AFDX的网络监 控方法影响AFDX的网络数据链路信息的交换，导致交换的数据链路信息丢失的问题，进而 达到了在AFDX的网络监控过程中，实现不改变AFDX网络的拓扑结构，达到保证AFDX网络 数据传输完整的同时节省交换机的存储空间并保证交换机的稳定性的效果。


此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1是根据相关技术的网络监测系统的结构示意图；图2是根据本发明实施例的AFDX网络监测处理系统的示意图；图3是根据图2所示AFDX网络监测处理系统的监控设备的结构示意图；图4是根据图2所示AFDX网络监测处理系统的接口处理单元的结构示意图；图5是根据本发明实施例的处理单元的处理方法的流程图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图2是根据本发明实施例的AFDX网络监测处理系统的示意图。如图2所示，该AFDX网络监测处理系统包括AFDX交换机和终端，还包括监控设备，该监控设备通过监控链路连接于AFDX交换机和终端之间的数据链路节点，获取并处理 AFDX网络传输的数据链路信息。本发明通过在AFDX交换机和终端之间插入监控设备实现AFDX网络监测处理系 统，监控设备执行AFDX网络交换数据的监测处理及用户感兴趣数据的过滤/选择性接收功 能。实现不需要在AFDX交换机上设置端口执行监测功能，将AFDX网络的数据传输的传输 交换路径和监听路径分开，不改变原有的AFDX网络拓扑结构，不影响数据帧的传输，不占 用AFDX交换机内部交换带宽，从而不会出现丢包现象，从而保证数据传输完整。同时监控 设备接收到数据帧后将处理后的数据保存到对应的缓冲区，不占用AFDX交换机的端口、内 存等资源，不影响交换机的性能。进一步地，监控设备可以设有监测端口对，AFDX交换机和终端之间具有第一和第 二数据链路，监测端口对的第一和第二监测端口通过监控链路一对一地分别连接到第一和 第二数据链路；监控设备具有多个监测端口对，可以分别连接于AFDX交换机与多个终端之 间。如图2所示的本发明实施例中，将本发明采用端口对的连接方法将监控设备两个 端口连接入终端系统与AFDX交换机中间，待监测的终端系统设备通过以太网线接入到监 控设备的监测端口对中的一个端口，监测端口对中的另外一个与AFDX交换机之间也采用 以太网相连接，因而，终端系统到AFDX交换机的连接路径变成了两条，路经一为本发明监 控设备到AFDX交换机的通信路径，路经二为终端到本发明监控设备的通信路径。由于在本发明监控设备内部的监测端口对之间是直接连通的，因此从网络拓扑结 构角度来看，原有的终端系统与AFDX交换机的连接关系没有改变，保证了本发明设备的接 入并不影响网络拓扑。其中，由于监控设备设置有多组端口对，终端系统1、终端系统2直到终端系统η都 可以通过端口对与监控设备连接，故本发明的监测处理系统可以实现在多个终端系统与交 换机之间监测数据流，监控设备通过提供的端口对连入AFDX网络系统，本发明提供了多路 AFDX网络流量的监控。监控设备监测处理后的数据会提交到上位机，由后续软件进一步对 数据进行分析处理。图3是根据图2所示AFDX网络监测处理系统的监控设备的结构示意图；图4是根 据图2所示AFDX网络监测处理系统的接口处理单元的结构示意图。如图3和图4所示，监控设备还可以包括可控开关21，连接于监测端口对，选择 性地接通或断开监控设备内部的处理单元与第一和第二数据链路的连接；缓冲器22，连接 于可控开关，将处理单元与监测端口对隔离，并向处理单元发送隔离后的数据链路信息；处 理单元，连接于缓冲器，接收并处理来自缓冲器的数据链路信息，并将处理后的数据链路信 息输出到输出设备。进一步地，缓冲器22将监控链路逻辑隔离，可以得到监听路径和传输交互路径， 监听路径和传输交互路径分别传输监测数据链路信息和交换数据链路信息，并发送监测数 据链路信息到处理单元。本发明实施例的监控设备是一种能够在多个终端系统与交换机间监测数据流的硬件设备，设备所提供的端口对是被串联入原有的网络连接当中，为了能够在掉电的情况下仍能够照常工作，本发明实施例中采用继电器21完成此项功能。如图4所示。当设备掉 电时继电器21断开，原有的网络连接关系保持不变，监听路径断开，对AFDX网络没有任何 影响；当设备正常供电时，继电器21闭合，电流可以流入完成测试功能，因而在掉电的情况 下，继电器21保证了监控设备不会影响AFDX网络的正常工作。为了保证本发明监控系统只监测输出的信号而不修改、衰减流过设备的数据流， 监控设备的电气连接部分采用了高速缓冲器22的设计来隔离监测端口的存在。缓冲器22 可以使监测端口的信号既不回流也不会衰减原有的信号功率，因此监测端口对不会影响原 有网络端口的信号。缓冲器22将信号在此部分分为两路，得到监听路径和传输交互路径， 终端系统与交换机之间的信号在传输交换路径中传输，外部看来终端系统于交换机之间直 接连通，缓冲器后的监测信号进入处理单元进一步处理。监测信号的处理结果发送至上位 机进行分析。进一步地，处理单元还包括端口处理单元11，接收缓冲器发送的数据链路信息， 并对数据链路信息进行解码及数模转换；时戳处理单元12，使用计时系统记录解码和数模 转换后的数据链路信息的到达时间，得到具有时间戳信息的数据链路信息；过滤处理单元 13，对具有时间戳信息的数据链路信息按照预定规则进行过滤，并发送过滤后的数据链路 信息；交换处理单元14，接收过滤后的数据链路信息，将过滤后的数据链路信息放入缓存 区；输出处理单元，将缓存区内的数据链路信息发送到输出设备。图5是根据本发明实施例的处理单元的处理方法的流程图。步骤101，端口处理单元接收监测到的数据信号，端口处理模块完成数据的解码、 模数转换。本发明实施例中，监测信号进入监控设备后要进行解码操作，端口处理单元执 行解码操作，完成物理电平的整理。同时监测信号进入网络CPU或者现场可编程门列阵 (FPGA)后，首先根据数据到达时间取得高精度的时统信息。本发明设备采用具备高精度的 计时系统，粗通道时统信息分辨率为10ms，精通道时统信息分辨率达到了 lus，粗通道的时 统信息可以采用多种来源，包括但不限于IRIG-B码时统信息等，精通道可以采用本地计时 系统。在粗通道和精通道的时统信息重合部分以粗通道信息为校准信息。步骤102，将计数系统中的时统信息插入数据帧中。本发明实施例中，监控设备接收到数据帧后立刻在数据帧中插入高精度的时戳， 将接收到的数据帧的部分数据替换为所需的时戳信息，即对监测到的AFDX数据帧信息插 入时统信息，打上时间戳。同时，由于数据的改变，相应的CRC32的校验结果也是在设备中 重新计算并进行了替换。在上位机接收到监测数据后，通过反向变换，得到原有的网络数据 fn息ο本发明提供的高精度时戳植入，将外输入系统时统与本地时统间进行了融合，即 解决了系统测试的全网同步要求，又足了测试所需的高精度时统要求。进一步的在设备内 部的复杂过滤机制保证了所关注数据的检出和记录，对于复杂网络的分析是必不可少的。步骤103，根据VL获取的配置信息对插入时间戳的AFDX数据帧进行过滤操作，过 滤配置信息由上位机加载。本发明监控设备将插入时戳的信号发送到过滤处理单元，在此需要对接收到的AFDX网络信号进行过滤，保证符合条件的数据才能进入后续的交换处理单元。其中，过滤的条件包括但不限于数据的VL信息、源MAC地址、目的MAC地址、源IP地址、目的IP地址、源UDP端口、目的UDP端口，数据有效(Data payload)部分中的特定信 息。过滤的条件由复杂的与/或条件构成，即上述的过滤元素可以通过不同的与/或逻辑 关系构成，完成特定数据的监测。步骤104，对符合规则的数据信息进行检查/过滤。符合用户设置的数据帧将执行 步骤S104，否者则返回系统。用户设置信息包括目的MAC、源/目的IP和源/目的UDP等。步骤105，数据提交交换单元。将符合用户设置规则的数据信息过滤后送到接收缓 冲区等待交换处理单元进行处理。本发明实施例中，如图3所示，满足过滤条件的数据将被送到交换处理单元等待 交换查询，被轮询到的监测端口对的数据将被送到单一的监测端口上传。交换处理单元检 查各端口对的缓冲区，并将数据转发至监测端口输出。步骤106，交换处理单元的数据结果提交上位机处理。交换处理单元通过监测端口将结果提交，其中，监测端口包括但不限于各种高速 串行总线，比如Gigabit以太网端口，USB，IEEE1394等。综上，本发明实现了一种测试、监测和分析的设备，达到了对原有的网络拓扑没有 改变，只监测输出信号而不修改、衰减流经设备的数据流的目的。根据本发明的实施例，提供了一种AFDX网络监测处理方法。该方法包括监控设 备获取AFDX交换机和终端交换的数据链路信息以对AFDX网络进行监控，其中，AFDX网络 包括AFDX交换机和终端。监控设备工作不影响AFDX交换机和终端之间的数据通信。进一步地，监控设备获取AFDX交换机和终端交换的数据链路信息以对AFDX网络 进行监控可以包括监控设备的监测端口接收AFDX交换机和终端交互的数据链路信息；监 控设备对数据链路信息进行监测处理，将监测处理后的数据链路信息发送到输出端口 ；将 输出端口处的数据链路信息提交到输出设备。其中输出设备可以为上位机。进一步地，监控设备对数据链路信息进行监测处理的步骤中，可以包括对监测端 口接收到的数据链路信息进行隔离，得到监测信号；将监测信号进行解码和数模转换；记 录解码和数模转换后的监测信号的到达时间，并生成插入时间戳的监测信号；根据预定过 滤规则对插入时间戳的监测信号进行过滤处理，得到过滤后的符合预定过滤规则的数据链 路信息。过滤规则为用户在上位机上定义的过滤配置信息。进一步地，将过滤后的数据链路信息可以放入交换处理单元的缓存区后等待提交 发送。缓存区的使用节省了交换机的空间，不需要在ADFX交换机上设置专门的监测端口和 存储数据的缓存空间。需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的 计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不 同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果本发明提供了一种一对 多的AFDX网络测试分析能力。它不仅可以监测一条网络路径，而且可以根据输入数据路径 的不同监测不同的对应路径。与现有技术相比较，本发明设备在进行测试和分析的过程中， 对于网络拓扑不做修改，对AFDX交换机没有提出进一步要求。该设备不仅满足了基本的AFDX网络的测试和分析能力，还提供了很多实用、有意义的功能。本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本 领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应 属于本发明所附的权利要求的保护范围。显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用 的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成 的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储 在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们 中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的 硬件和软件结合。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种航空全双工交换以太网监测处理系统，包括航空全双工交换以太网AFDX交换机和终端，其特征在于，还包括监控设备，该监控设备通过监控链路连接于所述AFDX交换机和所述终端之间的数据链路节点，获取并处理航空全双工交换以太网传输的数据链路信息。
2.根据权利要求1所述的航空全双工交换以太网监测处理系统，其特征在于，所述监 控设备设有监测端口对，所述AFDX交换机和所述终端之间具有第一和第二数据链路，所述 监测端口对的第一和第二监测端口通过所述监控链路一对一地分别连接到所述第一和第 二数据链路。
3.根据权利要求2所述的航空全双工交换以太网监测处理系统，其特征在于，所述监 控设备具有多个监测端口对，分别连接于所述AFDX交换机与各相应的终端之间。
4.根据权利要求2所述的航空全双工交换以太网监测处理系统，其特征在于，所述监 控设备还包括可控开关，连接于所述监测端口对，选择性地接通或断开所述监控设备内部的处理单 元与所述第一和第二数据链路的连接；缓冲器，连接于所述可控开关，将所述处理单元与所述监测端口对隔离，并向所述处理 单元发送隔离后的数据链路信息；所述处理单元，连接于所述缓冲器，接收并处理来自所述缓冲器的所述数据链路信息， 并将处理后的数据链路信息输出到输出设备。
5.根据权利要求4所述的航空全双工交换以太网监测处理系统，其特征在于，所述缓 冲器将所述监控链路逻辑隔离，得到监听路径和传输交互路径，所述监听路径和传输交互 路径分别传输监测数据链路信息和交换数据链路信息，并发送所述监测数据链路信息到处 理单元。
6.根据权利要求4所述的航空全双工交换以太网监测处理系统，其特征在于，所述处 理单元还包括端口处理单元，接收所述缓冲器发送的数据链路信息，并对所述数据链路信息进行解 码及数模转换；时戳处理单元，使用计时系统记录所述解码和数模转换后的数据链路信息的到达时 间，得到具有时间戳信息的数据链路信息；过滤处理单元，对所述具有时间戳信息的数据链路信息按照预定规则进行过滤，并发 送过滤后的数据链路信息；交换处理单元，接收所述过滤后的数据链路信息，将所述过滤后的数据链路信息放入 缓存区；输出处理单元，将缓存区内的数据链路信息发送到所述输出设备。
7.一种航空全双工交换以太网监测处理方法，其特征在于，包括监控设备获取航空 全双工交换以太网AFDX交换机和终端交换的数据链路信息以对所述航空全双工交换以太 网进行监控，其中，所述航空全双工交换以太网包括所述AFDX交换机和所述终端。
8.根据权利要求7所述的航空全双工交换以太网监测处理方法，其特征在于，监控设 备获取AFDX交换机和终端交换的数据链路信息以对所述航空全双工交换以太网进行监控 包括所述监控设备的监测端口接收所述AFDX交换机和所述终端交互的数据链路信息； 所述监控设备对所述数据链路信息进行监测处理，将所述监测处理后的数据链路信息 发送到输出端口；将所述输出端口处的所述数据链路信息提交到输出设备。
9.根据权利要求8所述的航空全双工交换以太网监测处理方法，其特征在于，所述监 控设备对所述数据链路信息进行监测处理的步骤中，进一步包括对所述监测端口接收到的所述数据链路信息进行隔离，得到监测信号； 将所述监测信号进行解码和数模转换；记录所述解码和数模转换后的监测信号的到达时间，并生成插入时间戳的监测信号； 根据预定过滤规则对所述插入时间戳的监测信号进行过滤处理，得到过滤后的符合所 述预定过滤规则的数据链路信息。
10.根据权利要求9所述的航空全双工交换以太网监测处理方法，其特征在于，将所述 过滤后的数据链路信息放入所述交换处理单元的缓存区后等待提交发送。
全文摘要
本发明公开了一种航空全双工交换以太网监测处理系统，包括AFDX交换机和终端，还包括监控设备，该监控设备通过监控链路连接于AFDX交换机和终端之间的数据链路节点，获取并处理AFDX网络传输的数据链路信息。通过本发明，能够保证AFDX网络数据传输完整的同时节省交换机的存储空间，并保证交换机的稳定性。
文档编号H04L12/26GK101834751SQ20101013051
公开日2010年9月15日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者张博, 范智刚 申请人:北京经纬恒润科技有限公司