Ethernet conmutada dúplex completo para aviónica

Avionics Full-Duplex Switched Ethernet ( AFDX ), también conocido como ARINC 664 , es una red de datos patentada por el fabricante internacional de aeronaves Airbus , para aplicaciones críticas de seguridad que utiliza ancho de banda dedicado a la vez que proporciona calidad de servicio (QoS) determinista. AFDX es una marca registrada mundial de Airbus. ^{[ 1 ] [ 2 ]} La red de datos AFDX se basa en la tecnología Ethernet utilizando componentes comerciales estándar (COTS). La red de datos AFDX es una implementación específica de la especificación ARINC 664 Parte 7, una versión perfilada de una red IEEE 802.3 según las partes 1 y 2, que define cómo se utilizarán los componentes de red comerciales estándar para las futuras generaciones de redes de datos de aeronaves (ADN). Los seis aspectos principales de una red de datos AFDX incluyen dúplex completo , redundancia, determinismo, alto rendimiento de velocidad, conmutación y red perfilada.

Muchos aviones comerciales utilizan el estándar ARINC 429, desarrollado en 1977 para aplicaciones críticas de seguridad. ARINC 429 utiliza un bus unidireccional con un único transmisor y hasta veinte receptores. Una palabra de datos consta de 32 bits que se comunican a través de un cable de par trenzado mediante modulación bipolar de retorno a cero. Hay dos velocidades de transmisión: la alta velocidad opera a100 kbit/s y la baja velocidad funciona a12,5 kbit/s . El ARINC 429 funciona de tal manera que su único transmisor se comunica mediante una conexión punto a punto, lo que requiere una cantidad considerable de cableado, lo que supone un peso adicional.

Otro estándar, ARINC 629 , introducido por Boeing para el 777, proporcionó velocidades de datos aumentadas de hastaCon una velocidad de 2 Mbit/s , permite un máximo de 120 terminales de datos. Esta red de área local (ADN) funciona sin controlador de bus, lo que aumenta la fiabilidad de la arquitectura de red. La desventaja es que requiere hardware personalizado, lo que puede incrementar significativamente el coste de la aeronave. Por este motivo, otros fabricantes no adoptaron abiertamente el estándar ARINC 629.

AFDX fue diseñado como la red de datos de aeronaves de próxima generación. Basado en los estándares del comité IEEE 802.3 (comúnmente conocido como Ethernet ), permite el uso de hardware comercial estándar para reducir costos y tiempo de desarrollo. AFDX es una implementación de Ethernet determinista definida por la Especificación ARINC 664 Parte 7. AFDX fue desarrollado por Airbus Industries para el A380, inicialmente para abordar problemas en tiempo real para el desarrollo del sistema de control de vuelo por cable . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Se pueden conectar varios conmutadores en una topología de estrella en cascada . Este tipo de red puede reducir significativamente el cableado, y por lo tanto el peso de la aeronave. Además, AFDX puede proporcionar calidad de servicio y redundancia de doble enlace.

Basándose en la experiencia del A380, el Airbus A350 también utiliza una red AFDX, con aviónica y sistemas suministrados por Rockwell Collins . ^{[ 5 ]} El Boeing 787 Dreamliner utiliza interconexiones de fibra óptica en lugar de cobre . ^{[ 6 ]}

Airbus y su empresa matriz EADS han puesto a disposición licencias de AFDX a través de la iniciativa de Licencias de Tecnología de EADS, incluidos acuerdos con Selex ES y Vector Informatik GmbH. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

AFDX adoptó conceptos como el depósito de tokens de los estándares de telecomunicaciones y el Modo de Transferencia Asíncrona (ATM) para corregir las deficiencias de Ethernet IEEE 802.3. Al añadir elementos clave de ATM a los ya presentes en Ethernet y restringir la especificación de diversas opciones, se crea una red determinista full-duplex de alta fiabilidad que garantiza el ancho de banda y la calidad de servicio (QoS). ^{[ 9 ]} Mediante el uso de Ethernet full-duplex, se elimina la posibilidad de colisiones de transmisión. La red está diseñada de tal manera que todo el tráfico crítico se prioriza mediante políticas de QoS, garantizando así que la entrega, la latencia y la fluctuación se mantengan dentro de los parámetros establecidos. ^{[ 10 ]}

Un conmutador de alta inteligencia, común a la red AFDX, es capaz de almacenar en búfer los paquetes de transmisión y recepción . Mediante el uso de cables de par trenzado o fibra óptica, Ethernet full-duplex utiliza dos pares o hilos separados para transmitir y recibir datos. AFDX extiende el estándar Ethernet para proporcionar una alta integridad de datos y una sincronización determinista. Además, se utiliza un par de redes redundantes para mejorar la integridad del sistema (aunque un enlace virtual puede configurarse para usar solo una de las redes). Especifica elementos funcionales interoperables en las siguientes capas del modelo de referencia OSI :

• Enlace de datos ( concepto de direccionamiento MAC y de enlace virtual);
• Red ( IP e ICMP );
• Transporte ( UDP y opcionalmente TCP )
• Aplicación (red) (muestreo, colas, SAP , TFTP y SNMP ).

Los elementos principales de una red AFDX son:

• Sistemas finales AFDX
• Interruptores AFDX
• Enlaces AFDX

La característica principal de una red AFDX son sus enlaces virtuales (VL). En una abstracción, es posible visualizar los VL como una red de estilo ARINC 429, cada uno con un origen y uno o más destinos. Los enlaces virtuales son rutas lógicas unidireccionales desde el sistema final de origen a todos los sistemas finales de destino. A diferencia de un conmutador Ethernet tradicional, que conmuta tramas en función de la dirección MAC o de destino Ethernet, AFDX enruta los paquetes mediante un ID de enlace virtual, que se transporta en la misma posición en una trama AFDX que la dirección MAC de destino en una trama Ethernet. Sin embargo, en el caso de AFDX, este ID de enlace virtual identifica los datos transportados, no el destino físico. El ID de enlace virtual es un valor entero sin signo de 16 bits que sigue a un campo constante de 32 bits. Los conmutadores están diseñados para enrutar una trama entrante desde un único sistema final a un conjunto predeterminado de sistemas finales. Puede haber uno o más sistemas finales receptores conectados dentro de cada enlace virtual. A cada enlace virtual se le asigna un ancho de banda dedicado (suma de las tasas de brecha de asignación de ancho de banda (BAG) de todos los VL x MTU ), con un ancho de banda total definido por el integrador del sistema. Sin embargo, el ancho de banda total no puede exceder el ancho de banda máximo disponible en la red. Por lo tanto, las comunicaciones bidireccionales requieren la especificación de un VL complementario.

Cada VL se configura de forma fija para garantizar que la red tenga un tráfico máximo predefinido, lo que asegura el determinismo. Además, el conmutador, al tener cargada una tabla de configuración de VL, puede rechazar cualquier transmisión de datos errónea que, de otro modo, podría saturar otras ramas de la red. Adicionalmente, existen enlaces subvirtuales (sub-VL) diseñados para transportar datos menos críticos. Estos enlaces se asignan a un enlace virtual específico. Los datos se leen de forma rotativa entre los enlaces virtuales que tienen datos para transmitir. Si bien los enlaces subvirtuales no garantizan el ancho de banda ni la latencia debido al almacenamiento en búfer, AFDX especifica que la latencia se mide mediante la función de regulación de tráfico.

BAG significa brecha de asignación de ancho de banda, esta es una de las características principales del protocolo AFDX. Esta es la velocidad máxima a la que se pueden enviar datos, y se garantiza que se enviarán en ese intervalo. Al configurar la tasa BAG para cada VL, se debe tener cuidado de que haya suficiente ancho de banda para otros VL y la velocidad total no puede exceder100 Mbit/s .

Cada conmutador cuenta con funciones de filtrado, control y reenvío que deberían poder procesar al menos 4096 VL. Por lo tanto, en una red con múltiples conmutadores (topología de estrella en cascada), el número total de enlaces virtuales es prácticamente ilimitado. No existe un límite especificado para el número de enlaces virtuales que puede gestionar cada sistema final, aunque esto vendrá determinado por las tasas BAG y el tamaño máximo de trama especificado para cada VL en relación con la velocidad de datos Ethernet. Sin embargo, el número de sub-VL que se pueden crear en un único enlace virtual está limitado a cuatro. El conmutador también debe ser no bloqueante a las velocidades de datos especificadas por el integrador del sistema, y ​​en la práctica esto puede significar que el conmutador deba tener una capacidad de conmutación que sea la suma de todos sus puertos físicos.

Dado que AFDX utiliza el protocolo Ethernet en la capa MAC, es posible usar conmutadores COTS de alto rendimiento con enrutamiento de capa 2 como conmutadores AFDX para fines de prueba, como medida de reducción de costos. Sin embargo, es posible que falten algunas características de un conmutador AFDX real, como la gestión del tráfico y las funciones de redundancia.

El bus AFDX se utiliza en Airbus A380 , Boeing 787 , Airbus A400M , Airbus A350 , Sukhoi Superjet 100 , ATR 42 , ATR 72 (-600), AgustaWestland AW101 , AgustaWestland AW189 , AgustaWestland AW169 , Irkut MC-21 , Bombardier Global Express , Airbus A220 , Learjet 85 , Comac ARJ21 , Comac C919 y AgustaWestland AW149 . ^{[ 4 ] [ 11 ]}