AFDX网络管理的规划与分析

０引言

大型飞机采用总线或网络将嵌入式航空电子设备或模块组件连接成为分布式系统。在先进的大型民用飞机采用航空电子网络取代过去的分立的点到点电缆，其中空中客车Ａ３８０和波音７８７均采用经过适用性改造的以太网———航空电子全双工交换式以太网（ａｖｉｏｎｉｃｓｆｕｌｌｄｕｐｌｅｘｓｗｉｔｃｈｅｄＥｔｈｅｒｎｅｔ，ＡＦＤＸ）作为分布式综合模块化航电系统构架（ＩＭＡ）的互连基础设施。

ＡＦＤＸ网络的空分全双工交换资源和灵活的组网方案为开放式的宽带通信提供使能条件，但是，不同于普通的数据网络，航空电子网络与通信任务的实时性、可靠性的性能属性息息相关，尽管ＡＦＤＸ网络采用虚拟链路（Ｖｉｒ－ｔｕａｌＬｉｎｋ，ＶＬ）、速率约束、流量管制（ｔｒａｆｆｉｃｐｏｌｉｃｉｎｇ）和静态路由等机制，但合理的网络行为仍依赖于严格的系统层面设计，以及运行时间的监控。异步的通信任务及其交互模式使得网络流量存在调度、突发、聚合和拥塞的不确定性，不确定性的累积可行导致系统工作不稳定的隐患［１］。因此，影响ＡＦＤＸ网络运行的重要参数必须被有效地管理和监控。ＡＦＤＸ网络管理由ＡＲＩＮＣ６６４“飞机数据网络（ＡＤＮ）”规范族的第７部分定义，并引用该规范族的第４部分的内容，规定了经过改造的ＳＮＭＰ协议。目前，ＡＦＤＸ网络所采用的仍是传统的网络管理模式———即：采用集中式的网络管理信息收集，被动地进行数据的“存储—转发”，管理端采用轮询机制进行管理，容易造成管理中心的“瓶颈”，且可扩展性差［２］。

为了克服集中式网络管理的弊端，主动有效的控制策略是整个航空电子系统正常安全运行的保证。对于航空电子网络，不仅要求在运行时间下监视组件的完好状态，而且可能涉及ＶＬ调度、静态路由分配等与应用任务有关的性能问题。这一方面要求减小网络管理开销对正常通信流量特性（包含平均意义下的带宽占用率，以及最坏情况下的突发度）的影响，另一方面需要应对管理对象分散、管理任务交叉耦合的挑战，在宿主机分区有限处理资源的约束下得到及时和可用的信息。基于策略的主动的和智能的网路管理方式为有效地进行ＡＦＤＸ网络管理提供了思路。在互联网领域，对基于策略的网络管理体系结构的研究，提出了自己的体系结构，其中被广泛接受为ＩＥＴＦ网络管理框架、ＴＭＦ策略“统一体”体系结构等。本文借鉴航空电子领域和互联网领域的研究进展，针对大型飞机ＡＦＤＸ网络特点，提出一种基于策略的分布式航空电子网络管理模型，通过对ＡＦＤＸ网络运行时态重要参数进行捕获和分析。通过分层部署的分布式网络管理，在给定的网络拓扑下，所采集信息的复杂度低于传统的集中式网络管理；并且，结合一个案例进行最坏情况下的网络演算分析和软件仿真，可以表明本文提出的网络管理模型可以减轻网络管理开销对正常通信流量的影响。

１基于策略的网络管理

基于策略的ＡＦＤＸ网络管理的设计借鉴ＩＥＴＦ提出的策略管理体系结构［３］如图１所示，这个体系结构主要由４部分组成：（１）策略管理工具（ｐｏｌｉｃｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｔｏｏｌｓ，ＰＭＴ）：为管理员提供操作接口。（２）策略库（ｐｏｌｉｃｙｒｅｐｏｓｉｔｏｒｙ，ＰＲ）：用于存放由网络管理工具产生的策略和各种网络信息及系统参数。（３）策略决策点（ｐｏｌｉｃｙｄｅｃｉｓｉｏｎｐｏｉｎｔ，ＰＤＰ）：负责接收ＰＥＰ提交的策略请求，从策略库内获取策略，并根据策略信息做出决策。（４）策略执行点（ｐｏｌｉｃｙｅｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｐｏｉｎｔ，ＰＥＰ）：执行具体策略的实际设备，可以是网络中的路由器、交换机、防火墙等网络设备。在标准的ＩＥＴＦ策略实现框架中，要实现４个组件间的策略信息交换，ＩＥＴＦ建议使用轻量级目录访问协议ＬＤＡＰ和公共开放策略服务ＣＯＰＳ。而在ＡＦＤＸ网络中，虽然ＡＲＩＮＣ６６４Ｐａｒｔ７中提到采用ＳＮＭＰ实现网络管理功能，但至今没有考虑与应用和任务特性有关的管理问题。针对过去集中式网络管理的缺陷，提出区域自治的分层管理模式，将这种策略管理体系结构合理地分布于ＡＦＤＸ网络的各个区域与层次中，综合化地使用分区处理资源，使网络管理开销以及ＳＮＭＰ信息采集与处理的难度降低。

２基于策略的ＡＦＤＸ分布式网络管理模型

ＡＦＤＸ互连网络已成功应用于空客Ａ３８０，在Ａ３８０中，飞行控制系统、驾驶舱、燃油、动力和客舱系统的电子设备，在考虑冗余配置和空间位置分布的条件下，分别与ＡＦＤＸ交换机相连，形成交换网络［４］。这种高带宽空分异构的网络分布使网络管理任务多且分散，网络管理流量过大等，增加了网络管理的复杂度。并且，普通网络的通信任务可以认为是无关的，而在ＡＦＤＸ网络中，不仅要考虑通信任务的耦合，而且还要考虑这种耦合对实时性能的影响。传统的集中式网络管理模式容易造成网络拥塞和管理中心“瓶颈”，而分层管理方法可以有效的分散网络管理任务［５］。

综上述分析，我们设计了适应ＡＦＤＸ网络管理需求的航空电子网络管理模型，如图２所示。在该模型中，共设两级策略服务层用于实现分层的策略决策与管理，即全局策略服务层和区域策略服务层。全局策略服务层是整个航空电子网络的策略决策与管理中心。管理者可以通过飞机的驾驶员信息系统（ＣＩＳ）或维护人员信息系统（ＭＩＳ）使用相应工具进行策略编辑并存储于策略库（ＰＲ）。全局策略决策点（ＧＰＤＰ）负责整个网络中的策略定制与分发，接受区域的策略请求，并根据策略信息进行推理，甚至可以将必要的信息输入到飞行数据记录仪（ＦＤＲ）。分区的目的在于尽可能地解除所监控通信任务之间的耦合，并且使与各个任务相关联的网络管理数据进行汇总。例如，在波音７８７上，分为航空电子网络、专用网络（ｐｒｏｆｉｌｅｄｎｅｔｗｏｒｋ，供机组人员和维护人员访问）和客舱机上娱乐系统（ＩＦＥ）网络，如图３所示。其中，航空电子网络以安全关键性（ｓａｆｅｔｙ－ｃｒｉｔｉｃａｌ）ＡＦＤＸ为骨干网络———被称为“共用数据网络”（ＣＤＮ），连接核心处理机“共用处理系统”（ＣＣＳ）的各个通用处理模块（ＧＰＭ），而后两者则采用可与ＡＦＤＸ兼容或报文结构兼容的飞机数据网络（ＡＤＮ），另外燃料、动力、起落架等电气控制信息则通过远程数据集中器（ＲＤＣ）汇集到ＣＤＮ网络，并最终连接功能系统，如：ＥＩＣＡＳ等。如果利用基于策略的网络管理，可以将大飞机上已有的区域隔离进行划分，并考虑网络冗余配置（例如：波音７８７的具有左右两套ＣＤＮ网络），设定两级的策略区域；在每个区域中，利用综合模块化航空电子（ＩＭＡ）的通用处理资源（如：ＧＰＭ）作为网络管理软件的宿主机。区域策略服务层是全局策略服务层的下一层，实现各个区域的策略定制与管理，域策略决策点（ＤＰＤＰ）负责定制区域管理策略并派发给区域内相应的策略执行点（ＰＥＰ），将ＰＥＰ反馈回的管理结果报告给ＧＰＤＰ。