航空專用網絡故障檢測技術研究與實現

劉蕓　陳伊卿　吳姣　劉鴿

摘要：文章深入研究了多種航空專用網絡技術，根據航空網絡特點和具體應用的需求，分析總結了航空專用網絡中存在的多種故障模式，并針對各種故障模式提出了適用于航空網絡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、航電網絡上論證并實現，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絡運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： 航空網絡；故障檢測

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0035-03

隨著網絡技術的飛速發展，多種適用于航空電子的專用網絡技術（如AFDX網絡、FC總線、1394總線、1553總線技術）也得到了大力發展。航空網絡技術具有連線少、資源能共享能力強、穩定性好、適應性強、易于維護和擴展等優點，能夠顯著提高了飛機的綜合性能。為了提高航空網絡技術的穩定性和可靠性，這就需要自主研發相應的網絡故障檢測技術，用以保證整個機載網絡中各設備安全可靠的運行。

航電系統的網絡結構復雜，各類傳感器、終端設備和接口數量眾多，對網絡故障檢測技術的安全性、穩定性和正確性的要求非常高，一般的網絡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絡故障檢測技術。本文根據機載網絡的故障檢測要求，重點研究了多種拓撲結構下的網絡故障模式，并針對故障模式提出了對應的故障檢測方法。

1 航空網絡故障檢測的需求

航空網絡故障檢測技術，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絡中多個節點設備的狀態，必須能夠在規定的時間范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：盡管被監視的網絡中各種設備數量眾多、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信性能影響到盡可能的小，所耗費的資源盡可能低；

4）靈活性：航空網絡中的故障檢測技術會用于網絡中各個不同的設備，要與不同類型的應用程序兼容，要求故障檢測技術能夠根據應用程序類型的不同和需求的不同，相應調整檢測策略。

2 航空網絡特點分析

航空網絡的故障模式與網絡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絡協議特性的拓撲結構

2.1 航空網絡的協議特性

航空專用網絡協議多種多樣，他們具有如下共同的特點：

1）可靠性：航空網絡對數據通信的可靠性要求較高，希望各設備按照事先定義的方式穩定運行，不允許既定數據丟失，也不允許產生不希望的數據。

2）實時性：航空專用網絡對數據通信的時間有著嚴格的要求，即規定了多個設備間的數據通信應該在固定的時間內完成，不可拖延。

3）確定性：航空專用網絡應具有可定義性，且各個消息應該在規定的范圍內到達目的節點，該時間范圍可確定。

2.2 航空網絡拓撲結構

航空專用網絡一般為星型或總線型的拓撲結構，其中比較有代表性的有星型結構的AFDX網絡技術，和總線結構的ARINC825CAN網絡技術。AFDX網絡結構為可拓展的星型拓撲結構，由端系統（End System）、交換機（Switch）和傳輸鏈路組成，每個交換機允許連接若干個端系統，多個交換機可以互聯組成更大的網絡。ARINC825網絡結構可設計為總線型拓撲結構，多個節點機通過與公共總線連接，組成總線型互聯網絡。該網絡中的各個節點之間可以是對等的關系，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

航空網絡由節點機和連接節點機的設備組成?？梢园凑展收纤诘奈恢?，將航空網絡中的故障分為單節點故障和網絡連接故障。

3.1 單節點故障分析和檢測

單節點故障是指網絡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，不應影響網絡整體功能。該故障有以下幾種類型。

1）硬件故障

硬件故障是指構成節點設備的各部分硬件出現的故障。硬件故障一般與時間和環境相關，一般來說，硬件故障可能是FLASH故障、CPU故障、SDRAM故障、DPRAM故障、時鐘故障、PCI總線故障等。該故障的檢測方法分為以下幾種：對于DPRAM或SDRAM等具有存儲功能的部件，檢測一般為方法讀寫操作或CRC校驗和對比；對于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）軟件故障

軟件故障是指軟件沒有按照既定的方式運行，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、數據結構故障、軟件差錯和系統級的故障。 軟件故障的檢測方法有：看門狗、心跳檢測、狀態監控、異常中斷。

3）通道故障

通道故障是指節點設備的通信通道出現了故障，無法接入網絡。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，即節點機向網絡中的另一設備發送一個請求，并在固定的時間內收到該請求的正確響應。

3.2 網絡連接故障分析和檢測

鏈路故障是指網絡中連接各節點機的鏈路發生了故障，該故障可能導致整個網絡無法正常通信。該故障有如下幾種類型。

1）核心設備故障

航空網絡中的核心設備為網絡通信的關鍵部件，一般是指星型拓撲結構中的交換機，或者總線型拓撲結構中的總線連接設備。核心設備故障故障是指這些關鍵設備無法正常工作，從而導致整個網絡上所有節點不能通信，成為一個個孤立的節點設備。

2）網絡斷裂

網絡斷裂是指網絡中某處通道連接的故障，導致多個節點組成的整體網絡斷裂成若干個局部網絡，雖然各個節點的通信功能正常，但無法執行整體的網絡功能。

3）節點脫離

節點脫離是指某節點設備與網絡的連接斷開，無法了接入網絡中。該故障會導致此節點與網絡脫離，成為孤立的節點。

從以上分析可知，檢測網絡連接中的故障，不僅要檢測單個節點，還應充分考慮所有節點的相互通信?？梢砸刖W絡管理的概念，在網絡中定義一個管理端，其他的節點作為代理端。管理端可以主動的向代理端發送Get請求，代理端收到請求后將自身的狀態信息整理好發回管理端，管理端就可以獲取網絡中其他節點的狀態信息，從而獲取網絡中其他節點的狀態（包括節點自身狀態和與網絡的連接狀態）。

4 故障檢測實現與驗證

4.1 單節點故障檢測方法

對于單個節點的故障，采用BIT（Build-In-Test）的方法進行檢測。BIT可根據運行時機分為三類：上電BIT、周期BIT、維護BIT。

1）上電BIT：該功能在設備上電時執行，檢測設備的關鍵部件是否存在異常，如CPU、存儲設備（FLASH、DPRAM）、時鐘。該項檢測應該在很短的時間內完成，并存儲檢測結果。

2）周期BIT：該功能在設備正常工作時周期的執行，在不影響正常功能的情況下檢測設備中的部件是否存在異常，該檢測應注重實時狀態，如軟件是否正常運行，時鐘是否穩定增長。該檢測應周期執行，并存儲檢測結果。

3）維護BIT：該檢測在設備處于維護狀態時執行，應該全面的檢測設備的運行情況，檢測范圍可以很廣，檢測時間可以較長。該檢測在設備正常運行時禁止使用。

三類BIT的使用規則為：上電后立即執行上電BIT，設備運行過程中周期的執行周期BIT，設備在維護狀態下執行維護BIT。網絡中的設備多種多項，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，可以全面的檢測出設備中已定義的故障。將三類BIT的檢測結果綜合處理，形成節點狀態信息，并將該狀態信息妥善存儲，將周期BIT的檢測結果實時更新到該信息中。

4.2 網絡連接故障檢測方法

網絡連接故障檢測的基本思想為：網絡管理。在網絡中，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發送請求，并在規定時間內接收到各個代理端的響應消息，根據收到響應消息的情況判斷整個網絡中的故障類型。但由于管理端本身也是一個節點，也有可能出現連接故障和設備故障，所以網絡中設置兩個管理端互為備份。

使用網絡管理方法進行網絡連接故障檢測的判斷準則如下：

1）管理端向某節點發送請求后，沒有在規定時間內接收到響應消息，則可判斷該節點故障。故障類型可能為連接故障或節點設備故障。通過查看該節點的自身狀態信息，判斷故障為連接故障還是節點故障。

2）管理端向某節點發送請求后，在規定的時間內收到了響應消息，但響應中的狀態信息中存在異常情況，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后，在規定的時間內收到了響應消息，且響應中的狀態信息中不存在異常情況，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絡故障檢測方法已完成工程設計與實現，并通過了大量測試驗證，其功能和性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絡技術具有重要意義和價值。

由于機載網絡技術的發展與升級，且網絡中存在的故障很難定義全面，還應該深入分析網絡的特點，提高存在故障的定義率；并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于航空網絡的故障檢測技術。

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