航空專用網路故障檢測技術研究論文
航空專用網路故障檢測技術研究論文
摘要：文章深入研究了多種航空專用網路技術，根據航空網路特點和具體應用的需求，分析總結了航空專用網路中存在的多種故障模式，並針對各種故障模式提出了適用於航空網路的切實可行的故障檢測方法。該方法目前已在多個型號飛機的機電、航電網路上論證並實現，經過了實驗室和機上大量的功能測試和驗證，可滿足具體型號的技術要求，能夠及時準確的檢測出網路執行過程中的已定義故障，具有良好的可用性和可靠性。
關鍵詞:航空網路；故障檢測
隨著網路技術的飛速發展，多種適用於航空電子的專用網路技術（如AFDX網路、FC匯流排、1394匯流排、1553匯流排技術）也得到了大力發展。航空網路技術具有連線少、資源能共享能力強、穩定性好、適應性強、易於維護和擴充套件等優點，能夠顯著提高了飛機的綜合性能。為了提高航空網路技術的穩定性和可靠性，這就需要自主研發相應的網路故障檢測技術，用以保證整個機載網路中各裝置安全可靠的執行。航電系統的網路結構複雜，各類感測器、終端裝置和介面數量眾多，對網路故障檢測技術的安全性、穩定性和正確性的要求非常高，一般的網路故障檢測技術無法滿足其需求。因此，應該大力研究和發展航空專用網路故障檢測技術。本文根據機載網路的故障檢測要求，重點研究了多種拓撲結構下的網路故障模式，並針對故障模式提出了對應的故障檢測方法。
1航空網路故障檢測的需求
航空網路故障檢測技術，不僅應該在系統規定的條件下檢測出已定義的故障，還必須滿足其自身的特殊需求，即:1）實時性：故障檢測技術必須能夠高效監視航空網路中多個節點裝置的狀態，必須能夠在規定的時間範圍內檢測出已定義故障；2）可靠性：故障檢測技術本身必須是可靠的，能夠技術檢測出故障且不會誤報不存在的故障；3）低流量：儘管被監視的網路中各種裝置數量眾多、位置分散，但故障檢測技術作為一種基礎服務引入網格環境中，要求其對整個網格通訊效能影響到儘可能的小，所耗費的資源儘可能低；4）靈活性：航空網路中的故障檢測技術會用於網路中各個不同的裝置，要與不同型別的應用程式相容，要求故障檢測技術能夠根據應用程式型別的不同和需求的不同，相應調整檢測策略。
2航空網路特點分析
航空網路的故障模式與網路的協議特性和拓撲結構密切相關，分析故障模式時必須考慮網路協議特性的拓撲結構
2.1航空網路的協議特性
航空專用網路協議多種多樣，他們具有如下共同的特點：1）可靠性：航空網路對資料通訊的可靠性要求較高，希望各裝置按照事先定義的方式穩定執行，不允許既定資料丟失，也不允許產生不希望的資料。2）實時性：航空專用網路對資料通訊的時間有著嚴格的要求，即規定了多個裝置間的資料通訊應該在固定的時間內完成，不可拖延。3）確定性：航空專用網路應具有可定義性，且各個訊息應該在規定的範圍內到達目的節點，該時間範圍可確定。
2.2航空網路拓撲結構
航空專用網路一般為星型或匯流排型的拓撲結構，其中比較有代表性的有星型結構的AFDX網路技術，和匯流排結構的ARINC825CAN網路技術。AFDX網路結構為可拓展的星型拓撲結構，由端系統（EndSystem）、交換機（Switch）和傳輸鏈路組成，每個交換機允許連線若干個端系統，多個交換機可以互聯組成更大的網路。ARINC825網路結構可設計為匯流排型拓撲結構，多個節點機透過與公共匯流排連線，組成匯流排型網際網路絡。該網路中的各個節點之間可以是對等的關係，也可以根據實際需要設計為主從模式。
3故障模式分析和檢測
航空網路由節點機和連線節點機的裝置組成。可以按照故障所在的位置，將航空網路中的故障分為單節點故障和網路連線故障。
3.1單節點故障分析和檢測
單節點故障是指網路中某一單個節點發生了故障，該故障只對本節點的相關功能有影響，不應影響網路整體功能。該故障有以下幾種型別。1）硬體故障硬體故障是指構成節點裝置的各部分硬體出現的故障。硬體故障一般與時間和環境相關，一般來說，硬體故障可能是FLASH故障、CPU故障、SDRAM故障、DPRAM故障、時鐘故障、PCI匯流排故障等。該故障的檢測方法分為以下幾種：對於DPRAM或SDRAM等具有儲存功能的部件，檢測一般為方法讀寫操作或CRC校驗和對比；對於CPU或DSP等具有計算功能的部件，檢測方法一般為算術和邏輯運算。2）軟體故障軟體故障是指軟體沒有按照既定的方式執行，或無法應對突發的異常時產生的故障。該故障一般為邏輯級故障、資料結構故障、軟體差錯和系統級的故障。軟體故障的檢測方法有：看門狗、心跳檢測、狀態監控、異常中斷。3）通道故障通道故障是指節點裝置的通訊通道出現了故障，無法接入網路。通道故障的檢測方法較多，但最可靠的檢測方法為收發環路法，即節點機向網路中的另一裝置傳送一個請求，並在固定的時間內收到該請求的正確響應。
3.2網路連線故障分析和檢測
鏈路故障是指網路中連線各節點機的鏈路發生了故障，該故障可能導致整個網路無法正常通訊。該故障有如下幾種型別。1）核心裝置故障航空網路中的核心裝置為網路通訊的關鍵部件，一般是指星型拓撲結構中的交換機，或者匯流排型拓撲結構中的匯流排連線裝置。核心裝置故障故障是指這些關鍵裝置無法正常工作，從而導致整個網路上所有節點不能通訊，成為一個個孤立的節點裝置。2）網路斷裂網路斷裂是指網路中某處通道連線的故障，導致多個節點組成的整體網路斷裂成若干個區域性網路，雖然各個節點的通訊功能正常，但無法執行整體的網路功能。3）節點脫離節點脫離是指某節點裝置與網路的連線斷開，無法了接入網路中。該故障會導致此節點與網路脫離，成為孤立的節點。從以上分析可知，檢測網路連線中的故障，不僅要檢測單個節點，還應充分考慮所有節點的相互通訊。可以引入網路管理的概念，在網路中定義一個管理端，其他的節點作為代理端。管理端可以主動的向代理端傳送Get請求，代理端收到請求後將自身的狀態資訊整理好發回管理端，管理端就可以獲取網路中其他節點的狀態資訊，從而獲取網路中其他節點的狀態（包括節點自身狀態和與網路的連線狀態）。
4故障檢測實現與驗證
4.1單節點故障檢測方法
對於單個節點的故障，採用BIT（Build-In-Test）的方法進行檢測。BIT可根據執行時機分為三類：上電BIT、週期BIT、維護BIT。1）上電BIT：該功能在裝置上電時執行，檢測裝置的關鍵部件是否存在異常，如CPU、儲存裝置（FLASH、DPRAM）、時鐘。該項檢測應該在很短的時間內完成，並存儲檢測結果。2）週期BIT：該功能在裝置正常工作時週期的執行，在不影響正常功能的情況下檢測裝置中的部件是否存在異常，該檢測應注重實時狀態，如軟體是否正常執行，時鐘是否穩定增長。該檢測應週期執行，並存儲檢測結果。3）維護BIT：該檢測在裝置處於維護狀態時執行，應該全面的.檢測裝置的執行情況，檢測範圍可以很廣，檢測時間可以較長。該檢測在裝置正常執行時禁止使用。三類BIT的使用規則為：上電後立即執行上電BIT，裝置執行過程中週期的執行週期BIT，裝置在維護狀態下執行維護BIT。網路中的裝置多種多項，所以BIT的檢測項和檢測方法可根據具體情況來定義。三類BIT綜合使用，可以全面的檢測出裝置中已定義的故障。將三類BIT的檢測結果綜合處理，形成節點狀態資訊，並將該狀態資訊妥善儲存，將週期BIT的檢測結果實時更新到該資訊中。
4.2網路連線故障檢測方法
網路連線故障檢測的基本思想為：網路管理。在網路中，將某一節點定義為管理端，其他節點定義代理端。管理端可以向所有代理端傳送請求，並在規定時間內接收到各個代理端的響應訊息，根據收到響應訊息的情況判斷整個網路中的故障型別。但由於管理端本身也是一個節點，也有可能出現連線故障和裝置故障，所以網路中設定兩個管理端互為備份。使用網路管理方法進行網路連線故障檢測的判斷準則如下：1）管理端向某節點發送請求後，沒有在規定時間內接收到響應訊息，則可判斷該節點故障。故障型別可能為連線故障或節點裝置故障。透過檢視該節點的自身狀態資訊，判斷故障為連線故障還是節點故障。2）管理端向某節點發送請求後，在規定的時間內收到了響應訊息，但響應中的狀態資訊中存在異常情況，即可檢測出該節點中存在的具體故障。3）管理端向某節點發送請求後，在規定的時間內收到了響應訊息，且響應中的狀態資訊中不存在異常情況，則說明該節點沒有任何故障，可正常工作。
5總結
本文設計和實現的機載網路故障檢測方法已完成工程設計與實現，並通過了大量測試驗證，其功能和效能滿足系統的應用要求。該技術對我國自主研發新一代飛機的機載網路技術具有重要意義和價值。由於機載網路技術的發展與升級，且網路中存在的故障很難定義全面，還應該深入分析網路的特點，提高存在故障的定義率；並考慮故障檢測技術的可靠性、安全性需求，進一步改進和完善適用於航空網路的故障檢測技術。