CN101894192B - Afdx网络设计与验证的仿真和演示系统及其仿真和演示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种AFDX网络设计与验证的仿真和演示系统及其仿真和演示方法，用以指导设计AFDX网络。本发明系统主要包括综合航电网络设计模块、加载航电通信任务模块、合理性检查与验证模块、仿真模块、可加载的配置文件输出模块及网络演示系统模块等，提供了航电互连构型结构设计的功能，仿真模拟AFDX网络的通信任务，并在网络演示系统模块中验证所设计的网络拓扑。本发明方法主要是设计网络拓扑、模拟仿真航电通信任务并演示验证设计的网络，在过程中得到相关的技术参数，为AFDX网络设计提供设计依据。本发明为AFDX网络的设计提供了一种较为可靠地设计方案，缩短了设计时间，节约了成本，提高了设计效率。

Description

AFDX网络设计与验证的仿真和演示系统及其仿真和演示方法

技术领域

本发明属于航空电子系统通信网络设计领域，具体涉及一种AFDX网络设计与验证的仿真系统和演示平台，用于模拟航空全双工网络中的网络结构设计、链路路径的生成、通信任务配置、可加载的配置文件生成以及网络硬件系统的演示。

背景技术

航空电子统经历了分立式、联合式、综合式和先进综合式四个发展阶段。第一代分立式，飞行员必须分别获得各个子系统的信息并对其单独进行控制和操作；第二代联合式是以数据总线和综合显示控制为标志的航空电子系统，如1553总线；第三代综合式是以美国空军“宝石柱”为标志的航空电子系统，飞机飞行控制管理和任务管理都有自己的控制资源，它们可以通过高速数据总线网络共享系统信息，也可以不依赖高速数据总线上的信息，在系统降级模式下独立工作；第四代先进综合式航空电子系统是以“宝石台”计划为标志的航空电子系统，该系统的主要创新体现在：开放的系统结构、射频与光电孔径综合及传感器预处理综合、统一航空电子网络互连、商用货架(COTS)产品与技术的应用。航空电子全双工交换式以太网(AFDX)是在工业标准以太网的基础上经过适用性改造而适用于航空电子系统互连的网络技术。它首先被空中客车A380大型飞机所实用，而后也被用于波音787宽体中远程客机所采用。AFDX网络的结构和功能都比较复杂，如A380飞机上有16-20台交换机，每台交换机连接大约20个节点机，如果采用真实系统去验证设计思路，需要大量的资金和人力，效率较低。如果首先采用仿真软件模拟AFDX网络的数据通信将会节省成本，降低风险。

发明内容

本发明的目的在于研究飞机航电AFDX网络的构型设计、通信任务配置、虚拟链路(VL)及其路径生成，对建立起来的网络进行仿真评估，建立了一种AFDX网络设计与验证的仿真和演示系统及其仿真和演示方法。

一种AFDX网络设计与验证的仿真和演示系统包括两个部分：AFDX网络设计仿真系统和网络演示系统。

AFDX网络设计仿真系统主要包括综合航电网络设计模块、加载航电通信任务模块、数据输入与保存模块、工程管理模块、合理性检查与验证模块、仿真模块、网络演算模块及可加载的配置文件输出模块。

各个模块具体描述如下：

综合航电网络设计模块包括如下五个子模块：

1)航电互连构型网络结构设计模块：在图形用户界面中根据用户定制交换机和端系统(ES，End System)，以及交换机和交换机的连接关系，创建航电互连构型结构的连接实例，并记录航电互连构型连接两端节点的端口标识和端口支持的速率。

2)分区驻留模块：根据航电通信任务模块提取的分区信息将分区驻留在各个端系统中，在图形用户界面中提供新建、修改、删除分区等功能，并且支持分区在端系统上驻留的实现，以及驻留迁移和解除。

3)消息编辑模块：提供消息的添加、修改、编辑和删除，所述消息是指航电网络中的航电通信任务。

4)VL分配模块：对消息编辑模块(13)中编辑好的消息，根据消息的源和目的分区信息创建VL，若有多个消息共用同一条VL，则在图形用户界面中进行标示，对未被标示的消息，每条消息创建一条VL，最后根据承载消息的刷新周期计算VL的BAG(BandwidthAllocation Gap，带宽分配间隔)。虚拟链路创建支持自动分配和手动分配两种方式。在手动分配VL过程中，由人工指定消息的虚拟链路标识VLID，手动操作实现对源分区和目的分区相同的消息进行合并，并共用一个VLID；在自动分配VL过程中，对没有手动分配VLID的消息自动生成VLID。

5)路径生成模块：根据VL分配模块产生的VL信息来建立与之对应的虚拟链路路径，支持自动路径生成和手动路径配置两种方式。在手动路径配置过程中，通过图形用户界面显示用户路径选择的记录，并针对路径选择后的情况进行合理性检查和判断，并对路径选择不合理的情况进行告警。对于自动路径生成方式，提供流量均衡、剩余带宽平均延时与最短路径三种不同算法来实现。

加载航电通信任务模块用来导入并解析XML格式的航电通信任务，将读取出来的航电通信任务信息转换与综合航电网络设计模块中的航电通信任务具有相同的数据结构，该数据结构包括：航电通信任务的ID号、名称、源分区、目的分区、通信任务类型、源端系统、目的端系统、通信任务刷新频率、通信任务长度、最大允许延时。加载航电通信任务模块将转换后航电通信任务信息在图形用户界面上按照表格形式显示出来，并给用户提供对航电通信任务进行添加、编辑及删除的操作。加载航电通信任务模块还根据导入的航电通信任务属性中的源分区和目的分区信息，进行分区信息提取，并与航电互连构型中的分区信息进行一致性检查和比较。加载航电通信任务模块将转化格式后的航电通信任务传送给航电网络设计模块。

数据输入与保存模块对航电网络设计模块设计的航电互连构型图进行保存，将设计的工程保存在数据库SQL Server中，便于用户在工程设计中将以前的工程进行更改，或者进一步设计，综合航电网络设计模块可以直接从数据输入与保存模块中导入航电互连构型结构。

工程管理模块的功能包括：1)对综合航电网络设计模块中的设计规则进行约束；2)对综合航电网络设计模块中当前工程虚拟链路的多套路径方案进行集中管理，选择其中一套方案为当前设计方案，实现不同方案的切换，以及方案添加、删除和拷贝操作。

合理性检查与验证模块，对综合航电网络设计模块设计的工程进行验证，在设计过程中和结束后，用户可以在图形用户界面中查看端系统和交换机VL的配置信息，并对配置进行检查验证，有超带宽等情况时应报告；同时合理性检查中的指标可以通过用户定制。验证主要包括三方面：端系统VL数目验证，端系统VL设置验证，交换机VL设计验证，验证是否超过硬件需求。

仿真模块，主要构建一个仿真对象，使用综合航电网络设计模块中设计的航电互连构型的数据初始化该仿真对象中的网络构型、VL配置、消息配置的成员变量，根据用户输入的初始化消息仿真参数以及系统仿真时间进行仿真。仿真模块主要包括如下三个子模块：

仿真内核模块：仿真内核模块将根据用户配置的消息属性、仿真时间等参数，利用离散事件调度机制模拟目标AFDX网络的行为，首先它初始化仿真空间中的各个交换机和ES模型，并根据VL和消息的配置安排各ES将要产生的消息。然后它将启动仿真过程，并实时分析各仿真对象的工作状态。仿真过程中完整模拟了每条消息从源ES通过数个交换机端口到达各个目的ES的过程，并完成所需的数据统计，主要包括VL延迟统计、交换机流量统计和故障统计，最后在时间推进到预定的仿真时间时停止仿真行为。

仿真结果网络性能分析模块：该模块根据仿真内核模块仿真得到的数据，以曲线图、柱状图等图形形式显示出来，用于用户分析航电互连构型中设计的性能。

仿真结果输出模块：该部分将根据仿真内核模块中的仿真结果数据，将仿真结果网络性能分析模块中以图形形式显示的结果以图表或Excel报表的形式向用户反馈仿真结果。

网络演算模块，通过对综合航电网络设计模块(10)当前生成的VL路径的AFDX网络进行网络演算分析，分析VL中消息的理论端到端延迟上界。网络演算模块采用确定性网络演算技术，根据流入到端口的消息的流量特征，针对端到端的延迟进行计算。利用突发度一致性原则和持续流量换算方法针对用户定制的航电互连构型网络，计算最坏条件下的端到端延迟，并将结果以列表的形式显示给用户。

可加载的配置文件输出模块，用于从具有VL和VL路径信息的航电互连构型结构图提取端系统配置文件和交换机配置文件的信息，端系统配置文件内容包括：端系统的基本属性信息以及和端系统有关的VL配置信息，交换机配置文件内容包括：交换机端口VL转发信息，以及交换机内置ES信息。信息提取完毕后，在配置好的航电互连构型结构上查看端系统发送和接收的VL信息，以及交换机各个端口转发VL的关系，对于物理链路可以查看其承载的VL信息。最后将通过一致性检查的信息输出为XML(eXtensible Markup Language，可扩展标记语言)格式的文件，包括端系统配置文件和交换机配置文件，提供给网络演示系统模块。

网络演示系统主要模拟了AFDX网络具有BAG流量约束的固定路由收发通信的机制，由网络演示系统模块来完成。网络演示系统模块根据可加载的配置文件输出模块输出的端系统配置文件和交换机配置文件完成对端系统和交换机的配置，主要完成网络的配置与演示管理，模拟AFDX网络端系统的功能，交换机通过静态配置来模拟AFDX交换机的转发功能，并在模拟过程中对节点主机进行控制或监视。

网络演示系统模块由控制台模块、配置导入模块、网络设置模块、网络检查模块、状态控制模块和节点状态查看模块组成。

控制台模块实现对各个端系统节点机及交换机的配置和管理，导入综合航电网络设计模块中当前的航电互连构型结构，根据端系统节点机配置文件、交换机转发表和AFDX互连构型连接情况搭建系统。

配置导入模块接收可加载的配置文件输出模块的输出文件，根据该文件为各个端系统节点机加载配置文件，修改待发送消息的属性和内容，并保存修改内容；

网络设置模块设置控制台模块中的各个端系统节点机的IP，各IP和相应的实际端系统节点机IP保持一致；

网络检查模块实现对经过网络设置模块设置后的网络的连通性进行检查，检查端系统节点机和交换机之间的连接状况；

状态控制模块实现控制台对各个端系统节点机的启动和停止的控制；

节点状态查看模块实现对各个端系统节点机的运行状态进行查看。

本发明的一种AFDX网络设计与验证的仿真方法，包括以下步骤：

步骤一、用户启动AFDX网络设计仿真系统，加载综合航电网络设计模块，综合航电网络设计模块通过数据输入与保存模块直接从数据库中导入航电互连构型结构，或者通过在航电网络设计模块中的航电互连构型网络结构设计模块在拓扑图中添加交换机或端系统，然后进行连线，设计航电互连构型结构；

步骤二、加载航电通信任务模块导入航电通信任务的XML文件，读入航电通信任务；

步骤三、完成航电通信任务导入后，在各个端系统上通过航电网络设计模块中的分区驻留模块将航电通信任务中的分区驻留到各个端系统中；

步骤四、用户通过航电网络设计模块中的消息编辑模块对加载航电通信任务模块载入的航电通信任务进行编辑、添加、修改或删除操作；

步骤五、通过航电网络设计模块中的VL分配模块自动或者手动配置产生虚拟链路VL；

步骤六、通过航电网络设计模块中的路径生成模块自动或者手动配置建立VL路径，完成对当前航电网络设计模块中的工程的设计；

步骤七、合理性检查与验证模块对所设计的工程进行验证，包括端系统VL数目、端系统VL设置、交换机VL设计的验证，如果验证符合要求，则显示设计无误，继续执行步骤八；否则，将以列表的形式显示设计中的错误和告警，转步骤一执行；

步骤八、用户在验证符合要求的情况下，选择执行仿真模块、可加载的配置文件输出模块或者网络演算模块；执行仿真模块转步骤九执行；执行可加载的配置文件输出模块转步骤十执行；执行网络演算模块转步骤十一执行；

步骤九、执行仿真模块：首先调用仿真模块中的仿真内核模块将根据综合航电网络设计模块中所设计的工程产生的数据进行建模仿真，然后通过仿真模块中的仿真结果网络性能分析模块对仿真内核模块仿真产生的结果以曲线图、柱状图的形式显示给用户进行分析，所显示的图形化的仿真结果通过仿真结果输出模块以图片或者Excel文件格式输出；

仿真操作完成之后，用户通过数据输入与保存模块保存工程到数据库之中，然后退出AFDX网络设计仿真系统；

步骤十、可加载的配置文件输出模块从当前的航电互连构型结构中提取端系统配置文件和交换机配置文件，以XML文件的格式输出给网络演示系统模块；

步骤十一、网络演算模块通过对生成VL路径的AFDX网络进行网络演算分析，分析VL中消息的理论端到端延迟上界，演算完毕后，结果以列表的形式显示给用户；

所述AFDX网络设计与验证的演示方法，具体包括以下步骤：

步骤a、启动网络演示系统模块中的控制台模块以及各个端系统，控制台模块导入AFDX航电互连构型结构；

步骤b、控制台模块根据端系统节点机配置文件、交换机转发表和AFDX航电互连构型连接情况，搭建系统；

步骤c、运行端系统节点机程序，配置导入模块根据可加载的配置文件输出模块的输出文件分别为各个节点机加载配置表，修改待发送消息的属性和内容，并保存修改内容；

步骤d、根据可加载的配置文件输出模块输出的交换机配置文件分别为各个交换机加载交换机静态转发表；

步骤e、网络设置模块在控制台模块中设置各个端系统节点机的IP地址，这个IP地址和每台实物端系统节点机设置的IP地址必须保持一致；

步骤f、网络检查模块检查网络连通性；如果网络未连通，则提示用户对错误地方进行修改；如连通继续步骤g；

步骤g、启动状态控制模块，运行需要进行仿真的端系统节点机，开始仿真；

步骤h、通过节点状态查看模块来查看端系统节点机的运行情况；

步骤i、用户通过状态控制模块以及控制台模块来终止仿真。

本发明的优点与积极效果在于：

1.使用软件指导AFDX航电网络设计，降低了设计成本，缩短了设计周期，提高了工作效率；

2.友好人机界面，操作简单，方便使用；

3.采用模块化设计，方便了使用者在不同模块间执行各自的功能；

4.对设计的工程可以保存在数据库中，能够存储多套方案；

5.对仿真结果提供多种输出文件格式，包括BMP、JPEG、PNG和Excel，便于用户对自己的设计方案进行评估；

6.仿真设计软件输出的XML文件可以在网络演示系统中自动加载，减少了人工配置时间；

7.网络演示系统采用统一控制管理平台，方便用户操作，提高了效率。

附图说明

图1是本发明的AFDX网络设计与验证的仿真系统和演示平台框架图；

图2是本发明的综合航电网络设计模块示意图；

图3是本发明的网络演示系统模块组成框图；

图4是本发明的AFDX网络设计仿真系统的基本操作流程图；

图5是本发明的网络演示系统基本操作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明一种AFDX网络设计与验证的仿真系统和演示平台，包括AFDX网络设计仿真系统和网络演示系统两部分，其中AFDX网络设计仿真系统包括：综合航电网络设计模块10、加载航电通信任务模块20、数据输入与保存模块30、工程管理模块40、合理性检查与验证模块50、仿真模块60、可加载的配置文件输出模块70以及网络演算模块80。网络演示系统包括网络演示系统模块90。

综合航电网络设计模块10是本发明的AFDX网络设计仿真系统的核心部分，其组成如图2所示，包括：航电互连构型网络结构设计模块11、分区驻留模块12、消息编辑模块13、VL分配模块14和路径生成模块15。该综合航电网络设计模块10和加载航电通信任务模块20、数据输入与保存模块30、工程管理模块40以及合理性检查与验证模块50相连，如图1所示。综合航电网络设计模块10直接从数据输入与保存模块30中导入航电互连构型结构图，或者通过航电互连构型网络结构设计模块11设计航电互连构型的结构。

航电互连构型网络结构设计模块11，在图形用户界面中根据用户定制的交换机和端系统(ES，End System)，以及交换机和交换机的连接关系，创建航电互连构型的连接实例，并记录航电互连构型连接两端节点的端口标识和端口支持的速率。

分区驻留模块12，在图形用户界面中提供新建、修改、删除分区等功能，并且支持分区在端系统上驻留的实现，以及驻留分区的迁移和解除。根据加载航电通信任务模块20提取的分区信息，分区驻留模块12将分区驻留在各个端系统中。

消息编辑模块13，对消息进行添加、修改、编辑或删除操作。消息是指航电网络中的航电通信任务。用户可以通过消息编辑模块13添加新的消息，新的消息中的分区从已有分区中选取，也可以通过分区驻留模块12新建新的分区，然后再分配给各个端系统。

VL分配模块14，对消息编辑模块13中编辑好的消息，根据消息的源和目的分区信息创建VL。若有多个消息共用同一条VL，则在图形用户界面中进行标示，对未被标示的消息，每条消息创建一条VL，最后根据承载消息的刷新周期计算VL的BAG(BandwidthAllocation Gap，带宽分配间隔)。虚拟链路创建支持自动分配和手动分配两种方式。虚拟链路创建时，在手动分配VL过程中，由人工指定消息的VLID(虚拟链路ID)，手动操作实现对具有相同的源分区且相同的目的分区的消息进行合并，并共用一个VLID；对没有手动分配VLID的消息，在自动分配VL过程中自动生成VLID。

路径生成模块15，在完成VL的分配之后，根据VL分配模块14产生的虚拟链路信息来建立与之对应的虚拟链路路径。虚拟链路路径生成支持自动路径生成和手动路径配置两种方式。在用户手动路径配置过程中，模块通过图形界面显示用户路径选择的记录，并针对路径选择后的情况进行合理性检查和判断，并对路径选择不合理的情况进行告警。对于自动路径生成方式，采用流量均衡、剩余带宽平均延时或最短路径三种不同算法来实现。

加载航电通信任务模块20主要实现的功能有：(1)导入航电通信任务，该通信任务是XML(eXtensible Markup Language，可扩展标记语言)格式的，加载航电通信任务模块20对该XML文件进行解析，将读取出来的航电通信任务信息按照航电通信任务的ID号、名称、源分区、目的分区、通信任务类型、源端系统、目的端系统、通信任务刷新频率、通信任务长度、最大允许延时的固定格式进行转化，使之和综合航电网络设计模块10中的航电通信任务具有相同的数据结构，然后按照表格形式在图形用户界面上显示出来，同时提供给用户对航电通信任务进行添加、编辑、删除等操作；(2)分区信息提取：根据导入的航电通信任务属性中的源分区和目的分区信息，进行分区信息提取，并与航电互连构型中的分区信息进行一致性检查和比较，如果新加载的航电通信任务中有些分区在航电互连构型中已经存在，则不需要再次载入，例如新导入的通信任务中有A、B分区，而航电互连构型中已经有了A、B分区，则不会再次重复载入。加载航电通信任务模块20将转化格式后的航电通信任务传递给综合航电网络设计模块10。

数据输入与保存模块30是用来对用户设计的工程进行保存，保存在数据库SQL Server中。航电互连构型网络结构设计模块11对数据输入与保存模块30中的数据进行读取或者存储。在工程设计过程中，有时为了设计的方便，将设计中的工程保存起来以备以后在此基础之上进行进一步设计。数据输入与保存模块30将设计的工程保存在数据库SQL Server中，便于用户将以前的工程调用、更该或者进一步设计。

工程管理模块40主要对综合航电网络设计模块10中的设计规则进行约束，包括交换机的个数、端系统的个数、每个端系统支持的分区个数、每个交换机支持的端口数、VL的个数、BAG(带宽分配间隔)的范围、链路告警界限、交换机支持VL的个数、ES支持VL的个数等。该工程管理模块40还可以对综合航电网络设计模块10中的当前工程虚拟链路的多套路径方案进行集中管理，选择其中一套方案为当前在设计方案，同时可以实现不同方案的切换，以及方案添加、删除和拷贝等操作。

合理性检查与验证模块50用来对综合航电网络设计模块10设计好的工程进行验证，验证端系统虚拟链路数是否超过硬件要求、端系统虚拟链路设置是否符合物理链路速率要求，以及交换机内的虚拟链路设计是否超过硬件需求。如果验证符合要求，则显示设计无误；否则，将以列表的形式显示设计中的错误和告警。用户根据合理性检查与验证模块50的显示结果来判断设计是否合理，如果存在不合理的地方，则在综合航电网络设计模块10中对不合理的工程进行修改；如果无错误或者告警显示，则可以启动仿真模块60、可加载的配置文件输出模块70或者网络演算模块80。

仿真模块60构建一个仿真对象，使用综合航电网络设计模块10中用户设计的航电互连构型的数据初始化该仿真对象中的网络构型、VL配置、消息配置的成员变量，由用户输入初始化消息仿真参数以及系统仿真时间。仿真模块60由三部分组成：仿真内核模块61、仿真结果网络性能分析模块62以及仿真结果输出模块63。其中，仿真内核模块61根据用户配置的消息仿真参数以及系统仿真时间，利用离散事件调度机制模拟目标AFDX网络的行为，首先它初始化仿真空间中的各个交换机和ES模型，并根据VL和消息的配置安排各ES将要产生的消息。然后它将启动仿真过程，并实时分析各仿真对象的工作状态。仿真过程中完整模拟了每条消息从源ES通过数个交换机端口到达各个目的ES的过程，并完成所需的数据统计，主要包括VL延迟统计、交换机流量统计和故障统计，最后在时间推进到预定的仿真时间时停止仿真行为。仿真结果网络性能分析模块62将仿真内核模块61中的仿真结果数据以曲线图、柱状图的形式显示出来，便于用户分析航电互连构型中设计的性能。仿真结果输出模块63将仿真结果网络性能分析模块62输出的以曲线图、柱状图的形式显示的仿真结果以图片或者Excel的格式保存起来。

可加载的配置文件输出模块70用于将从综合航电网络设计模块10中要仿真的航电互连构型结构图提取信息，以XML文件的格式输出，提供给模块92作为输入文件，如图4中所示。可加载的配置文件输出模块70从经合理性检查与验证模块50验证符合要求的具有VL和VL路径信息的综合航电网络设计模块10中提取交换机和端系统的配置文件所需要的信息。端系统配置文件内容包括：端系统的基本属性信息和端系统相关(指VL的源或目的端系统为该端系统)的VL配置信息。交换机配置文件内容包括：交换机端口VL转发信息，以及交换机内置ES信息。信息提取完毕后，用户在配置好的AFDX航电互连构型上可查看端系统发送和接收的VL信息，以及交换机各个端口转发VL的关系，对于物理链路可以查看其承载的VL信息。将提取出来的通过一致性检查(包括端系统、交换机和VL配置情况的合理性检查)的信息输出为XML格式的文件，包括端系统配置文件和交换机配置文件。

网络演算模块80通过对生成VL路径的AFDX网络进行网络演算分析，分析VL中消息的理论端到端延迟上界。网络演算模块80采用确定性网络演算技术，利用突发度一致性原则和持续流量换算方法，根据流入到端口的消息的流量特征，针对端到端的延迟进行计算。突发度一致性原则是指：当VL经过多级交换机后，输出流量作为下一级网络元件的输入，导致一定程度的时间不确定性，因此网络延时经过多级交换机会导致扩散。由于有着相同传输路径的多条数据流在聚合时会造成突发度瞬变，但在其第一次流量聚合时就成型了，而流量聚合成型后交换过程中的比特流先后顺序相对不变，因此减少了聚合流量在后续节点传输过程中造成的扩散影响。持续流量换算方法是指：多条数据流经过同一交换机时竞争同一输出端口形成排队延迟，将其时间延迟参数转变成具有突发度包络的流量，而其持续流量的特征不变，对其进行下一级排队输出延迟的时间进行计算。利用上述原则和计算方法，针对用户定制的航电互连构型结构，计算最坏条件下的端到端延迟。网络演算模块80将结果以列表的形式显示给用户。

网络演示系统模块90具体的结构框图如图4所示。网络演示系统模块90主要功能为：模拟AFDX网络端系统的功能，交换机通过静态配置来模拟AFDX交换机的转发功能，控制台对节点主机进行控制或监视。网络演示系统模块90主要包括：控制台模块91、配置导入模块92、网络设置模块93、网络检查模块94、状态控制模块95和节点状态查看模块96。

如图4所示，网络演示系统模块90中各模块的具体功能及之间的关系描述如下：

控制台模块91实现对各个端系统节点机及交换机的配置和管理，导入已设计好的AFDX航电互连构型，根据已设计好的AFDX航电互连构型中端系统节点机配置文件、交换机转发表和AFDX互连构型连接情况，搭建系统。

配置导入模块92接收可加载的配置文件输出模块70的输出文件，根据该输出文件为各个端系统节点机加载配置表，修改待发送航电通信任务的属性和内容，并保存修改内容。

网络设置模块93实现在控制台模块91上面设置的各个端系统节点机的IP，每个IP需要和相应的实际端系统节点机IP保持一致。网络设置模块93安装在控制台模块91中。

网络检查模块94实现对经过网络设置模块93设置后的网络的连通性进行检查，检查端系统节点机和交换机之间的连接状况。

状态控制模块95实现控制台对各个端系统节点机的启动和停止的控制。

节点状态查看模块96实现对各个端系统节点机的运行状态进行查看。

启动网络演示系统模块90中的控制台模块91以及各个实物端系统节点机，控制台模块91导入AFDX航电互连构型结构文件，根据端系统节点机配置文件、交换机转发表和AFDX航电互连构型连接情况，搭建网络系统；运行端系统节点机程序，配置导入模块92根据可加载的配置文件输出模块70的输出文件分别为各个节点机加载配置表，修改待发送消息的属性和内容，并保存修改内容，然后为各个交换机加载交换机静态转发表；通过网络设置模块93在控制台模块91中设置各个端系统节点机的IP地址，这个IP地址和每台实物端系统节点机设置的IP地址必须保持一致；通过网络检查模块94检查网络连通性；启动状态控制模块95，运行需要进行仿真的端系统节点，开始仿真；仿真进行的过程中，通过各个端系统上的节点状态查看模块96来查看端系统上节点机的运行情况。仿真过程中可以通过状态控制模块95以及控制台模块91来终止仿真。

本发明的AFDX网络设计与验证仿真方法，具体如图3所示，包括以下步骤。

步骤一、用户启动综合航电网络设计模块10，综合航电网络设计模块10通过数据输入与保存模块30直接从数据库中导入航电互连构型结构图，或者通过在航电互连构型网络结构设计模块11在拓扑图中添加交换机或端系统，然后进行连线，设计航电互连构型的结构；

步骤二、加载航电通信任务模块20导入存有航电通信任务的XML文件，读入航电通信任务；

步骤三、完成航电通信任务导入后，在各个端系统上通过分区驻留模块12将航电通信任务中的分区驻留到各个端系统中；

步骤四、用户通过消息编辑模块13对加载航电通信任务模块20载入的航电通信任务进行编辑，修改通信任务的源和目的以及其它相关属性，也可以通过消息编辑模块13添加新的航电通信任务；

步骤五、通过VL分配模块14自动或者手动配置产生VL；

步骤六、通过路径生成模块15自动或者手动配置产生VL路径，完成对当前航电网络设计模块(10)中的工程的设计；

步骤七、合理性检查与验证模块50对所设计的工程中的场景进行验证，包括端系统VL数目、端系统VL设置、交换机VL设计的验证。如果验证符合要求，则显示设计无误，继续执行步骤八；否则，将以列表的形式显示设计中的错误和告警给用户，转步骤一执行；

步骤八、用户在验证符合要求的情况下，选择执行仿真模块60、可加载的配置文件输出模块70与网络演算模块80中的一个；

执行仿真模块60转步骤九执行；执行可加载的配置文件输出模块70转步骤十执行；执行网络演算模块80转步骤十一执行；

步骤九、执行仿真模块60，首先调用仿真内核模块61将根据综合航电网络设计模块10所设计的工程的数据(包括设计的路径信息、航电互连构型结构、系统参数配置等)进行建模仿真，然后通过仿真结果网络性能分析模块62对仿真内核模块61仿真产生的结果进行分析，仿真的结果通过仿真结果输出模块63以图片或者Excel等文件格式输出，操作完成之后，用户通过数据输入与保存模块30保存工程到数据库之中，然后退出；

步骤十、可加载的配置文件输出模块70将输出交换机和端系统以及和其相对应的VL信息到指定的XML文件，该文件将提供给网络演示系统模块90使用；

步骤十一、网络演算模块80通过对生成VL路径的AFDX网络进行网络演算分析，分析VL中消息的理论端到端延迟上界，演算完毕后，结果以列表的形式显示。

本发明的AFDX网络设计与验证的演示方法，如图5所示，具体包括如下步骤。

步骤a、启动网络演示系统模块90中的控制台模块91以及各个端系统，控制台模块91导入AFDX航电互连构型结构文件，负责统一配置端系统节点机和交换机；

步骤b、控制台模块91根据端系统节点机配置文件、交换机转发表和AFDX航电互连构型连接情况，搭建系统；

步骤c、运行端系统节点机软件，配置导入模块92根据可加载的配置文件输出模块70的输出文件分别为各个节点机加载配置表，修改待发送消息的属性和内容，并保存修改内容；

步骤d、根据可加载的配置文件输出模块70分别为各个交换机加载交换机静态转发表；

步骤e、网络设置模块93在控制台模块91中设置各个端系统节点机的IP地址。这个IP地址和每台实物端系统节点机设置的IP地址必须保持一致；

步骤f、网络检查模块94检查网络连通性；如果网络未连通，则提示用户对错误地方进行修改；如连通继续步骤g；

步骤g、启动状态控制模块95，运行需要进行仿真的端系统节点机，开始仿真；

步骤h、通过节点状态查看模块96来查看各端系统节点机的运行情况；

步骤i、用户通过状态控制模块95以及控制台模块91来终止仿真。状态控制模块95可以控制每个节点机的启动和停止，控制台模块91是可以控制该网络演示系统模块90的程序的启动和停止等。

Claims (9)

1.一种AFDX网络设计与验证的仿真和演示系统，其特征在于，包括AFDX网络设计仿真系统和网络演示系统两部分，其中AFDX网络设计仿真系统包括综合航电网络设计模块(10)、加载航电通信任务模块(20)、数据输入与保存模块(30)、工程管理模块(40)、合理性检查与验证模块(50)、仿真模块(60)、可加载的配置文件输出模块(70)以及网络演算模块(80)；网络演示系统包括网络演示系统模块(90)；

综合航电网络设计模块(10)由航电互连构型网络结构设计模块(11)、分区驻留模块(12)、消息编辑模块(13)、VL分配模块(14)和路径生成模块(15)组成；综合航电网络设计模块(10)直接从数据输入与保存模块(30)中导入航电互连构型结构，或者通过航电互连构型网络结构设计模块(11)设计航电互连构型结构；

航电互连构型网络结构设计模块(11)在图形用户界面中根据用户定制的交换机和端系统，以及交换机和交换机的连接关系，创建航电互连构型结构的连接实例，并记录航电互连构型结构连接两端节点的端口标识和端口支持的速率；

分区驻留模块(12)在图形用户界面中提供新建、修改及删除分区功能，实现分区在端系统上驻留，以及驻留分区的迁移和解除；分区驻留模块(12)根据加载航电通信任务模块(20)提取的分区信息将分区驻留在各个端系统中；

消息编辑模块(13)对消息进行添加、修改、编辑或删除操作；所述消息指航电网络中的航电通信任务；新的消息中的分区从已有分区中选取，或者通过分区驻留模块(12)新建分区，然后再分配给各个端系统；

VL分配模块(14)对消息编辑模块(13)中编辑好的消息，根据消息的源和目的分区信息创建VL信息；

路径生成模块(15)根据VL分配模块(14)产生的VL信息来建立与之对应的虚拟链路路径；

加载航电通信任务模块(20)用来导入并解析XML格式的航电通信任务，将读取出来的航电通信任务信息，转换为与综合航电网络设计模块(10)中的航电通信任务相同的数据结构；加载航电通信任务模块(20)将转换后航电通信任务信息在图形用户界面上按照表格形式显示出来，并给用户提供对航电通信任务进行添加、编辑及删除的操作；加载航电通信任务模块(20)还根据导入的航电通信任务属性中的源分区和目的分区信息，进行分区信息提取，并与航电互连构型结构的分区信息进行一致性检查和比较；加载航电通信任务模块(20)将转化格式后的航电通信任务传送给综合航电网络设计模块(10)；

数据输入与保存模块(30)对综合航电网络设计模块(10)设计的航电互连构型结构进行存储，综合航电网络设计模块(10)能直接从数据输入与保存模块(30)中导入航电互连构型结构；

工程管理模块(40)对综合航电网络设计模块(10)中的设计规则进行约束，以及对综合航电网络设计模块(10)中当前工程VL的多套路径方案进行集中管理，提供选择当前方案、切换不同方案，以及方案添加、删除和拷贝操作；

合理性检查与验证模块(50)用来对综合航电网络设计模块(10)设计的工程进行验证，验证端系统VL数是否超过硬件要求、端系统VL设置是否符合物理链路速率要求，以及交换机内的VL设计是否超过硬件需求；用户在验证不合要求情况下返回修改，在验证符合要求情况下启动仿真模块(60)、可加载的配置文件输出模块(70)或者网络演算模块(80)；

仿真模块(60)构建一个仿真对象，使用综合航电网络设计模块(10)中当前设计的航电互连构型结构的数据初始化该仿真对象中的网络构型、VL配置、消息配置的成员变量，根据用户输入的初始化消息仿真参数以及系统仿真时间进行仿真；

可加载的配置文件输出模块(70)用于从综合航电网络设计模块(10)当前的航电互连构型结构中提取端系统配置文件和交换机配置文件的信息，以XML文件的格式输出，提供给网络演示系统模块(90)；

网络演算模块(80)通过对综合航电网络设计模块(10)当前生成VL路径的AFDX网络采用确定性网络演算技术进行网络演算分析，利用突发度一致性原则和持续流量换算方法分析VL中消息的理论端到端延迟上界，将结果以列表的形式显示给用户；所述的突发度一致性原则是指：当VL经过多级交换机后，输出流量作为下一级网络元件的输入，导致一定程度的时间不确定性，因此网络延时经过多级交换机会导致扩散，由于有着相同传输路径的多条数据流在聚合时会造成突发度瞬变，但在其第一次流量聚合时就成型了，而流量聚合成型后交换过程中的比特流先后顺序相对不变，因此减少了聚合流量在后续节点传输过程中造成的扩散影响；持续流量换算方法是指：多条数据流经过同一交换机时竞争同一输出端口形成排队延迟，将其时间延迟参数转变成具有突发度包络的流量，而其持续流量的特征不变，对其进行下一级排队输出延迟的时间进行计算；

网络演示系统模块(90)根据可加载的配置文件输出模块(70)输出的端系统配置文件和交换机配置文件完成对端系统和交换机的配置，控制模拟AFDX网络端系统的功能、静态配置交换机模拟AFDX交换机的转发功能，在模拟过程中对节点主机进行控制或监视；

其中，AFDX为航空电子全双工交换式以太网；VL为虚拟链路；ID表示标识号。

2.根据权利要求1所述的一种AFDX网络设计与验证的仿真和演示系统，其特征在于，所述加载航电通信任务模块(20)中转换后的航电通信任务信息，其数据结构包括：航电通信任务的ID号、名称、源分区、目的分区、通信任务类型、源端系统、目的端系统、通信任务刷新频率、通信任务长度以及最大允许延时。

3.根据权利要求1所述的一种AFDX网络设计与验证的仿真和演示系统，其特征在于，所述仿真模块(60)，其由三部分组成：仿真内核模块(61)、仿真结果网络性能分析模块(62)以及仿真结果输出模块(63)；

其中，仿真内核模块(61)根据用户输入的初始化消息仿真参数以及系统仿真时间，利用离散事件调度机制模拟目标AFDX网络的行为，具体为：初始化仿真空间中的各个交换机和端系统模型，并根据VL和消息的配置安排各端系统将要产生的消息，启动仿真过程，实时分析各仿真对象的工作状态，在仿真过程中完整模拟每条消息从源端系统通过数个交换机端口到达各个目的端系统的过程，并完成所需的数据统计，主要包括VL延迟统计、交换机流量统计和故障统计，在时间推进到预定的仿真时间时停止仿真行为；

仿真结果网络性能分析模块(62)将仿真内核模块(61)中的仿真结果数据以曲线图、柱状图的形式显示给用户进行分析；

仿真结果输出模块(63)将仿真结果网络性能分析模块(62)图形化的仿真结果数据以图片或者Excel的格式保存起来。

4.根据权利要求1所述的一种AFDX网络设计与验证的仿真和演示系统，其特征在于，所述网络演示系统模块(90)由控制台模块(91)、配置导入模块(92)、网络设置模块(93)、网络检查模块(94)、状态控制模块(95)和节点状态查看模块(96)组成；

其中，控制台模块(91)实现对各个端系统节点机及交换机的配置和管理，导入综合航电网络设计模块(10)中当前的航电互连构型结构，根据端系统节点机配置文件、交换机转发表和AFDX互连构型连接情况搭建网络；

配置导入模块(92)接收可加载的配置文件输出模块(70)的输出文件，根据该文件为各个端系统节点机加载配置文件，修改待发送消息的属性和内容，并保存修改内容；

网络设置模块(93)设置控制台模块(91)中的各个端系统节点机的IP，每个IP和相应的实际端系统节点机IP保持一致；

网络检查模块(94)实现对经过网络设置模块(93)设置后的网络的连通性进行检查，检查端系统节点机和交换机之间的连接状况；

状态控制模块(95)实现控制台对各个端系统节点机的启动和停止的控制；

节点状态查看模块(96)实现对各个端系统节点机的运行状态进行查看。

5.根据权利要求1所述的一种AFDX网络设计与验证的仿真和演示系统，其特征在于，所述VL分配模块(14)，其在图形用户界面中将共用同一条VL的多个消息进行标示，对未被标示的消息，每条消息创建一条VL，VL创建完毕后根据承载消息的刷新周期计算VL的BAG；

VL分配模块(14)有自动分配和手动分配两种方式创建VL；

手动分配方式中，由人工指定消息的VLID，手动操作实现对源分区相同且目的分区相同的消息进行合并，并共用一个VLID；自动分配方式中，对没有手动分配VLID的消息自动生成VLID；

其中，BAG为带宽分配间隔；VLID为虚拟链路标识。

6.根据权利要求1所述的一种AFDX网络设计与验证的仿真和演示系统，其特征在于，所述路径生成模块(15)，其建立VL路径有两种方式：自动路径生成和手动路径配置；其中，自动路径生成方式采用流量均衡、剩余带宽平均延时或者最短路径方法来实现。

7.应用权利要求1所述的仿真和演示系统的AFDX网络设计与验证的仿真和演示方法，其特征在于，该方法包括AFDX网络设计与验证的仿真方法，与AFDX网络设计与验证的演示方法；

其中，一种AFDX网络设计与验证的仿真方法，具体包括以下步骤：

步骤一、用户启动AFDX网络设计仿真系统，加载综合航电网络设计模块(10)，综合航电网络设计模块(10)通过数据输入与保存模块(30)直接从数据库中导入航电互连构型结构，或者通过在综合航电网络设计模块(10)中的航电互连构型网络结构设计模块(11)在拓扑图中添加交换机或端系统，然后进行连线，设计航电互连构型结构；

步骤二、加载航电通信任务模块(20)导入航电通信任务的XML文件，读入航电通信任务；

步骤三、完成航电通信任务导入后，在各个端系统上通过综合航电网络设计模块(10)中的分区驻留模块(12)将航电通信任务中的分区驻留到各个端系统中；

步骤四、用户通过综合航电网络设计模块(10)中的消息编辑模块(13)对加载航电通信任务模块(20)载入的航电通信任务进行编辑、添加、修改或删除操作；

步骤五、通过综合航电网络设计模块(10)中的VL分配模块(14)自动或者手动配置产生虚拟链路VL；

步骤六、通过综合航电网络设计模块(10)中的路径生成模块(15)自动或者手动配置建立VL路径，完成对当前综合航电网络设计模块(10)中的工程的设计；

步骤七、合理性检查与验证模块(50)对所设计的工程进行验证，包括端系统VL数目、端系统VL设置、交换机VL设计的验证，如果验证符合要求，则显示设计无误，继续执行步骤八；否则，将以列表的形式显示设计中的错误和告警，转步骤一执行；

步骤八、用户在验证符合要求的情况下，选择执行仿真模块(60)、可加载的配置文件输出模块(70)或者网络演算模块(80)；执行仿真模块(60)转步骤九执行；执行可加载的配置文件输出模块(70)转步骤十执行；执行网络演算模块(80)转步骤十一执行；

步骤九、执行仿真模块(60)：首先调用仿真模块(60)中的仿真内核模块(61)将根据综合航电网络设计模块(10)中所设计的工程产生的数据进行建模仿真，然后通过仿真模块(60)中的仿真结果网络性能分析模块(62)对仿真内核模块(61)仿真产生的结果以曲线图、柱状图的形式显示给用户进行分析，所显示的图形化的仿真结果通过仿真结果输出模块(63)以图片或者Excel文件格式输出；所述的仿真内核模块(61)根据用户输入的初始化消息仿真参数以及系统仿真时间，利用离散事件调度机制模拟目标AFDX网络的行为，具体为：初始化仿真空间中的各个交换机和端系统模型，并根据VL和消息的配置安排各端系统将要产生的消息，启动仿真过程，实时分析各仿真对象的工作状态，在仿真过程中完整模拟每条消息从源端系统通过数个交换机端口到达各个目的端系统的过程，并完成所需的数据统计，主要包括VL延迟统计、交换机流量统计和故障统计，在时间推进到预定的仿真时间时停止仿真行为；所述的仿真结果网络性能分析模块(62)将仿真内核模块(61)中的仿真结果数据以曲线图、柱状图的形式显示给用户进行分析；所述的仿真结果输出模块(63)将仿真结果网络性能分析模块(62)图形化的仿真结果数据以图片或者Excel的格式保存起来；

仿真操作完成之后，用户通过数据输入与保存模块(30)保存工程到数据库之中，然后退出AFDX网络设计仿真系统；

步骤十、可加载的配置文件输出模块(70)从当前的航电互连构型结构中提取端系统配置文件和交换机配置文件，以XML文件的格式输出给网络演示系统模块(90)；

步骤十一、网络演算模块(80)通过对生成VL路径的AFDX网络进行网络演算分析，分析VL中消息的理论端到端延迟上界，演算完毕后，结果以列表的形式显示给用户；

所述AFDX网络设计与验证的演示方法，具体包括以下步骤：

步骤a、启动网络演示系统模块(90)中的控制台模块(91)以及各个端系统，控制台模块(91)导入AFDX航电互连构型结构；所述的控制台模块(91)实现对各个端系统节点机及交换机的配置和管理，导入综合航电网络设计模块(10)中当前的航电互连构型结构，根据端系统节点机配置文件、交换机转发表和AFDX互连构型连接情况搭建网络；

步骤b、控制台模块(91)根据端系统节点机配置文件、交换机转发表和AFDX航电互连构型连接情况，搭建系统；

步骤c、运行端系统节点机程序，配置导入模块(92)根据可加载的配置文件输出模块(70)的输出文件分别为各个节点机加载配置表，修改待发送消息的属性和内容，并保存修改内容；所述的配置导入模块(92)接收可加载的配置文件输出模块(70)的输出文件，根据该文件为各个端系统节点机加载配置文件，修改待发送消息的属性和内容，并保存修改内容；

步骤d、根据可加载的配置文件输出模块(70)输出的交换机配置文件分别为各个交换机加载交换机静态转发表；

步骤e、网络设置模块(93)在控制台模块(91)中设置各个端系统节点机的IP地址，这个IP地址和每台实物端系统节点机设置的IP地址必须保持一致；所述的网络设置模块(93)设置控制台模块(91)中的各个端系统节点机的IP，每个IP和相应的实际端系统节点机IP保持一致；

步骤f、网络检查模块(94)检查网络连通性；如果网络未连通，则提示用户对错误地方进行修改；如连通继续步骤g；所述的网络检查模块(94)实现对经过网络设置模块(93)设置后的网络的连通性进行检查，检查端系统节点机和交换机之间的连接状况；

步骤g、启动状态控制模块(95)，运行需要进行仿真的端系统节点机，开始仿真；所述的状态控制模块(95)实现控制台对各个端系统节点机的启动和停止的控制；

步骤h、通过节点状态查看模块(96)来查看端系统节点机的运行情况；所述的节点状态查看模块(96)实现对各个端系统节点机的运行状态进行查看；

步骤i、用户通过状态控制模块(95)以及控制台模块(91)来终止仿真。

8.根据权利要求7所述的AFDX网络设计与验证的仿真和演示方法，其特征在于，步骤五中所述产生VL，具体为：在图形用户界面中将共用同一条VL的多个消息进行标示，对未被标示的消息，每条消息创建一条VL，VL创建完毕后根据承载消息的刷新周期计算VL的带宽分配间隔BAG；

手动分配方式中，由人工指定消息的虚拟链路标识VLID，手动操作实现对源分区相同且目的分区相同的消息进行合并，并共用一个VLID；自动分配方式中，对没有手动分配VLID的消息自动生成VLID。

9.根据权利要求7所述的AFDX网络设计与验证的仿真和演示方法，其特征在于，步骤六中所述自动配置建立VL路径，采用流量均衡、剩余带宽平均延时或者最短路径三种不同方法来实现。

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