CN111385016B - 用于航空电子通信系统的交换机及航空电子通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于航空电子通信系统的交换机及航空电子通信系统，交换机包括多个输入端口、多个输出端口和第一路由组件(31)，其中第一路由组件能够根据第一协议在与该组件相关联的至少一个输入端口和一个输出端口之间路由每个第一类数据帧。该交换机进一步包括第二路由组件(32)，能够根据第二协议在与该组件相关联的至少一个输入端口和一个输出端口之间路由每个第二类数据帧，还包括分配接口(33)，能够根据预设配置将每个输入端口和每个输出端口与第一或第二路由组件(31、32)相关联。

Description

用于航空电子通信系统的交换机及航空电子通信系统

技术领域

本发明涉及一种用于航空电子通信系统的交换机。

本发明还涉及一种包括这种交换机的航空电子通信系统。

本发明主要可以实现一种混合航空电子通信系统，可以同时支持两种或两种以上必须彼此隔离的航空电子网络。

具体地，两种隔离运行的航空电子网络避免了经由这些网络传输的数据帧之间的一切物理相互作用。

背景技术

众所周知，在飞行器上，被称为封闭世界的航空电子网络与被称为开放世界的航空电子网络隔离。

在封闭世界网络中，尤其为人们所熟知的有符合ARINC 664标准的航空电子网络。

众所周知，ARINC 664标准基于以太网标准，并且可以使该标准适用于航空电子环境，特别是航空电子的限制条件。

ARINC 664标准由几个部分组成，每个部分都可以根据限制条件来使用，这些限制条件适用于那些通过根据该标准实现的航空电子网络传输的数据。

在这些部分中，尤其熟悉的是标号“P7”的部分，并且通常用“ARINC 664 P7”或“ARINC 664 Part 7”或来表示。

该P7部分可用于在各种航空电子系统之间传输航空电子数据，实现飞机的基本功能并因此而提出了最多的限制条件。

因此，根据P7部分实现的航空电子网络是一种冗余且具有确定性的隔离网络。这种网络的确定性尤其意味着所发送的每一帧均在已知最长时间内到达其目的地。

在某些航空电子网络中，还可以采用以太网协议(IEEE 802.3-2000以及更高版本标准中)，并结合相应网络性质所要求的一定数量的额外约束。

与ARINC 664标准的P7部分相比，受到约束的以太网协议具有较少的限制条件，因此可用于实现传输不太敏感和/或不太关键的数据的航空电子网络。

这些数据通常为各种航空电子系统的相关维护、下载和机组服务功能数据。因此，这些数据丢失的情况下，可以重新发送数据，而不会对飞机安全性造成很大的风险。

对以太网协议提出的额外约束可能具体涉及数据帧的路由方式。因此，例如，可以根据数据帧标识符在每台网络交换机内预设这种路由。

例如，ARINC 664标准中标号“P3”部分所述的情况就是这样的，该部分也基于以太网协议，然而与P7部分相比限制条件较少，但是建议在飞机操作模式下使用静态配置的网络。

在飞行器机载的情况下，上述航空电子网络被称为封闭世界，它们与任何其他航空电子网络是物理隔离的。这样可以确保它们免于一切外部影响。

目前，开放世界的计算机网络越来越多，也就是说，可以从外部访问的计算机网络也出现在了飞行器上。

例如，乘客娱乐网络或可用于非航空数据传输的任何其他网络。

这些网络通常是根据常规以太网协议实现的，因此通过网络传输的数据帧一般通过自我学习机制进行路由，也就是说，根据之前进行的路由采取最合适的方式。

因此，这些网络与符合ARINC 664标准的航空电子网络隔离，以防止不同性质的数据帧之间的一切相互作用。

飞行器上也可能有相同性质的航空电子网络，即必须彼此隔离的开放世界或封闭世界网络。

因此，例如，可以有两个ARINC 664 P7型网络或两个常规以太网型网络，它们必须彼此隔离。

在上述所有示例中，为了确保必要的隔离，通常采取各种物理装置来实现相应的网络。

这主要要求使用交换机和各种物理传输装置。

因此可知，这类隔离至少需要双倍的每种物理组件来实现这些网络。因此在容纳这些网络的结构(如飞行器)的空间和重量方面存在诸多问题。

发明内容

本发明的目的在于解决这些问题，并因此提出一种通信系统，可以使必须彼此隔离的航空电子网络能够共享至少部分物理组件。

为此，本发明的目的在于一种用于航空电子通信系统的交换机，用于传输数字数据，所述数字数据为符合第一协议的第一类数据帧以及符合第二协议的第二类数据帧的形式，其中第二协议不同于第一协议，不同类型的数据帧以隔离的方式进行传输，该交换机包括：

-多个输入端口，每个输入端口能够接收来自设备或另一台交换机的每种类型的数据帧；

-多个输出端口，每个输出端口能够将每种类型的数据帧传输给设备或另一台交换机；

-第一路由组件，能够根据第一协议在与该组件相关联的至少一个输入端口和一个输出端口之间路由每个第一类数据帧；

该交换机还包括：

-第二路由组件，能够根据第二协议在与该组件相关联的至少一个输入端口和一个输出端口之间路由每个第二类数据帧；

-分配接口，能够根据预设配置将每个输入端口和每个输出端口与第一路由组件或第二路由组件相关联。

根据本发明的其他有利方面，该交换机包括下述特征中的一项或多项，它们可以单独或根据任何可行技术组合联合使用：

-用于根据预设配置不可修改的操作运行模式以及根据预设配置可修改的维护运行模式来运行；

-预设配置是根据交换机的位置来确定的；

-第一路由组件和第二路由组件中的每一个都是路由矩阵的形式；

-第一协议和第二协议中的每一个都是以太网类型；

-为第一协议和第二协议定义相同的物理层，其中分配接口能够将每个输入端口和每个输出端口与所述物理层上的第一路由组件或第二路由组件相关联；

-第一协议为预设路由型以太网协议；

-第一协议为ARINC 664 P7型协议；

-第一协议为混合协议，由ARINC 664 P7型协议和预设路由型以太网协议组成；

-第一路由组件能够区分符合ARINC 664 P7型协议的数据帧以及符合预设路由型以太网协议的数据帧，并根据相应协议处理每个数据帧，其中与符合预设路由型以太网协议的每个数据帧相比，优先处理符合ARINC 664 P7型协议的每个数据帧；

-至少一个输入端口或输出端口，其与第一路由组件或第二路由组件直接固定关联，无需通过分配接口。

本发明的目的还在于一种航空电子通信系统，其包括：

-多台交换机，它们彼此连接，形成计算机网络；

-多个设备，每个设备均为数字数据发送器和/或接收器，并连接至少一台交换机；

所述数字数据为符合第一协议的第一类数据帧以及符合第二协议的第二类数据帧的形式，不同类型的数据帧以隔离的方式进行传输；

交换机中的至少一台符合如上所述。

附图说明

通过下文中给出的非限制性实施例，并参照附图，将能够更好地理解本发明的这些特征和优势，其中：

图1为包括两个彼此隔离的航空电子网络的飞行器示图；

图2为根据本发明的通信系统示图，该通信系统实现了图1中的网络并包括至少一台根据本发明的交换机；

图3为图2中交换机的细节图。

具体实施方式

在下文所有内容中，标准一词主要指计算机标准，此标准所依据的一般原理是本领域技术人员所熟知的，并且除非另有明确说明，否则这些原理不依赖于此标准不同版本。

图1示出了飞行器10，例如飞机。

飞行器10包括彼此隔离的第一航空电子网络12和第二航空电子网络14。

具体地，航空电子网络的隔离是指这些网络的属性集可以排除由不同网络传输的数字数据引起的一切相互作用。

根据下文所述的本发明的具体实施例，第一航空电子网络12能够在不同航空电子系统之间传输敏感数据。敏感数据具体指其在传输中丢失或延迟可能会对飞行器10安全性造成影响的一切数据。因此，这些敏感数据应该与任何其他类型的数据隔离。

具体地，第一航空电子网络12能够根据第一传输协议来传输数据帧。因此，这些数据帧符合该第一协议，下文中将用“第一类数据帧”来表示。

此第一协议可以是例如预设路由型以太网协议(IEEE 802.3-2000标准以及更高版本中)。

在下文所有内容中，预设路由指：根据该路由，每一帧都在网络中按预设规则进行路由。

这些预设规则具体存储在每台交换机的配置表中，实现了第一航空电子网络12并定义了此交换机内每一帧的路由。

因此，例如，当每台交换机的配置表为每一帧定义了输入端口以及一个或多个输出端口时，或者当每台交换机的配置表为每一帧定义了一个或多个输出端口时，就属于这种情况。

根据本发明的第一种实施方式，第一协议为ARINC 664 P7型或ARINC 664 P3型。

在所述示例中，第二航空电子网络14能够根据第二传输协议来传输非敏感数据帧。因此，这些数据帧符合该第二协议，下文中将用“第二类数据帧”来表示。

此第二协议可以是例如以太网协议(IEEE 802.3-2000标准以及更高版本中)。

具体地，与第一协议不同的是，第二协议不要求预设路由规则。这类路由基于例如网络的自我学习，也就是说，根据之前进行的路由采取最合适的方式。

根据本发明，航空电子网络12和14是由同一航空电子通信物理系统20来实现的，同时可以隔离第一类数据帧和第二类数据帧。

这种航空电子通信系统20的示例在图2中示出。

因此，参照该图，这种通信系统20包括多台交换机22A、...、22N以及多个设备24A、...、24N。

设备24A、...、24N(英语中也称为“End System”)中的每一个都集成到机载系统中，并确保该系统与网络12、14中的一个进行通信。

因此，根据集成该设备的机载系统，设备24A、...、24N中的每一个可以是第一类数据帧或第二类数据帧的发送器和/或接收器。

具体地，在图2所示的示例中，设备24A、24B、24D和24E可以向第一航空电子网络12发送第一类数据帧和/或接收来自第一航空电子网络12的数据帧。

在同一示例中，设备24C和24N可以向第二航空电子网络14发送第二类数据帧和/或接收来自第二航空电子网络14的数据帧。

设备24A、...、24N中的每一个均通过传输装置以及交换机的至少一个端口与交换机22A、...、22N中的至少一个相连。

传输装置可以是例如双绞线电缆或能够进行双向数据传输的任何其他类型的电缆。

交换机22A、...、22N中的每一台均包括多个输入和输出端口，并且能够经输入端口将每个输入的数据帧路由至输出端口。

另外，当两个航空电子网络12、14的协议是以太网类型时，交换机22A、...、22N中的每一台均符合IEEE 802.1D标准。

在图2所示的示例中，交换机22B专用于第一航空电子网络12。换句话说，该交换机22B可以根据其中的预设配置表仅路由第一类数据帧。

另外，在同一示例中，交换机22N专用于第二航空电子网络14。换句话说，该交换机22N可以仅路由第二类数据帧。

交换机22B至22N本身是已知的，并且不会在下文中详细阐述。

根据本发明，系统20的交换机22A、...、22N中的至少一台是混合类型的，只要其可以路由不同类型的数据帧，同时确保这些数据帧的分离即可。

在图2所示的示例中，交换机22A是混合型的。下面将参照图3来详细阐述其结构。

因此，如图3所示，交换机22A包括第一路由组件31、第二路由组件32以及分配接口33。

第一路由组件31可以是例如路由矩阵的形式，并且能够在与该组件相连的至少一个输入端口和一个输出端口之间路由每个第一类数据帧。

同样地，第二路由组件32也可以是例如路由矩阵的形式，并且能够在与该组件相连的至少一个输入端口和一个输出端口之间路由每个第二类数据帧。

根据本发明，分配接口33可以根据预设配置将交换机22A的每个输入端口和每个输出端口与第一路由组件31或第二路由组件32相关联。

另外，当两个航空电子网络12、14的协议为以太网类型时，分配接口33可以对交换机22A定义的物理层上的每个输入端口和每个输出端口进行相应关联。

在任何情况下，端口的关联都是按交换机22A定义的最低数据帧管理级别来执行的。

另外，交换机22A用于根据操作运行模式和维护运行模式运行。

在操作运行模式下，分配接口33的预设配置不可修改。

通信系统20正常运行期间执行操作运行模式。

在维护运行模式下，分配接口33的预设配置是可修改的。维护操作模式在例如通信系统20启动时执行，或者根据设计在上游执行。

因此，该维护运行模式期间，分配接口的预设配置是根据例如交换机22A在飞行器中的位置，由例如独立于通信系统20的外部系统来定义的。

例如，此预设配置通过配置专用端口发送给交换机22A。

为了将端口与其中一个路由组件相关联，预设配置提供例如配置表，其中包含与第一路由组件31或第二路由组件32相关的指示值，作为交换机22A的每个输入或输出端口的标识符。因此根据这一指示值，分配接口能够将交换机22A的每个端口与第一路由组件31或第二路由组件32相关联。

因此，在交换机22A操作运行模式下，经输入端口接收数据帧时，分配接口33将该数据帧直接传输给与该输入端口相关联的路由组件。

经路由组件31、32中的一个发送数据帧时，分配接口33将该数据帧直接传输给与此组件相关联的其中一个输出端口。

有利地，交换机22A还包含至少一个输入或输出端口，其与路由组件31、32中的一个直接固定关联，无需通过分配接口33。

因此，在图3所示的示例中，箭头41表示与第一路由组件31固定关联的所有输入和/或输出端口，箭头42表示与第二路由组件32固定关联的所有输入和/或输出端口，箭头43表示根据分配接口33的预设配置，经分配接口与这些组件31、32中的一个相关联的所有端口。

另外，参照图2所示的示例，箭头41表示连接交换机22A与交换机22BA的端口，箭头42表示连接交换机22A与交换机22N的端口，箭头43表示连接交换机22A与设备24A、24B、24C的端口。

第一路由组件31、第二路由组件32和分配接口33中的每一个可以是例如FPGA型(英文“Field-Programmable Gate Array”)或ASIC型(“Application SpecificIntegrated Circuit”)可编程逻辑电路的形式。

另外，路由组件31、32是彼此物理隔离的，以此防止不同类型的数据帧之间的一切物理相互作用。

另外，有利地，第一路由组件31与分配接口33构成单一物理组件。甚至更有利地，第二路由组件32为COTS型组件(来自英文“Commercial off-the-shelf”)，即“商用现货”型组件。在这种情况下，其通过适当的总线与分配接口33相连。

因此可以看出，通过本发明可以在同一通信系统内实现两个彼此隔离的航空电子网络。

实际上，通过本发明可以使用同一交换机来传输不同性质的数据，并且同时使这些数据保持隔离。这是通过采用预设配置将端口与不同的路由组件相关联来实现的。这种关联是按照交换机最低级别来进行的，即物理级别，这可以确保同一交换机内的数据隔离。

另外，这种配置只能在特定的运行模式下修改，即所说的维护运行模式。因此，这可以在通信系统20运行期间确保必要的安全性。

最后，虽然上述示例是通过两个不同性质的航空电子网络来阐述的，但本发明也适用于必须彼此隔离的任何两个航空电子网络。因此，例如，可以将本发明应用于两个符合ARINC 664 P7标准或以太网标准的航空电子网络。

另外，显然本发明可以应用于大于2的N个航空电子网络。

下面将解释根据本发明的第二种实施方式的航空电子通信系统。

这种通信系统大体上类似于根据第一种实施方式的通信系统，尤其是包括相同的组件。因此，这些组件将采用与先前情况中相同的数字标号来表示。

与第一种实施方式不同是的，根据第二种实施方式的通信系统20中所采用的第一协议为混合协议，由第三协议和第四协议组成。

第三协议为ARINC 664 P7型。

第四协议为预设路由型以太网型。此第四协议可以是例如ARINC 664 P3型。

因此，为了实现根据这类混合协议的数据帧传输，与先前的情况相比，修改了交换机22A的第一路由组件31以及专用于航空电子网络12的交换机22B。

具体地，对这些元件进行了修改，以便根据其协议来区分每个输入帧，并根据该协议来处理该帧。

另外，符合第三协议，即ARINC 664 P7型协议的每一帧，均优先于符合第四协议的每一帧来进行处理。

符合第三协议和第四协议的数据帧是根据这些数据帧的报头进行区分的。

因此，例如，符合第四协议的每一帧报头的第一字节是通过“0000 0011 00000000 0000 0000 0000 0000 0000 0000”以外的任何值来定义的。实际上已知该值是为了其被称为“MAC DEST”的报头字段中，符合ARINC 664 P7型协议的每一帧预留的。

显然在该实施方式中，第二路由组件32以及分配接口33保持不变，这仍然可以使第二航空电子网络14与第一航空电子网络12隔离。

因此，根据第二实施方式，通过本发明可以实现不同航空电子网络的混合性，同时保持它们与其他航空电子网络相隔离。因此，所有这些航空电子网络都可以通过使用相同的交换机来实现，这可以有利地减小根据本发明的航空电子通信系统的占用空间和重量。

Claims (7)

1.一种用于航空电子通信系统的交换机，用于传输数字数据，所述数字数据为符合第一协议的第一类数据帧以及符合第二协议的第二类数据帧的形式，其中第二协议不同于第一协议，不同类型的数据帧以隔离的方式进行传输，该交换机包括：

-多个输入端口，每个输入端口能够接收来自设备或另一台交换机的每种类型的数据帧；

-多个输出端口，每个输出端口能够将每种类型的数据帧传输给设备或另一台交换机；

-第一路由组件(31)，能够根据第一协议在与该组件相关联的至少一个输入端口和一个输出端口之间路由每个第一类数据帧；

所述交换机的特征在于，其进一步包括：

-第二路由组件(32)，能够根据第二协议在与所述组件相连的至少一个输入端口和一个输出端口之间路由每个第二类数据帧；

-分配接口(33)，能够根据预设配置将每个输入端口和每个输出端口与第一路由组件(31)或第二路由组件(32)相关联，

所述交换机用于根据预设配置不可修改的操作运行模式以及根据预设配置可修改的维护运行模式来运行，

其中所述第一协议为ARINC 664P7型协议。

2.根据权利要求1所述的交换机，其中所述预设配置是根据交换机的位置来确定的。

3.根据权利要求1或2所述的交换机，其中第一路由组件(31)和第二路由组件(32)中的每一个都是路由矩阵的形式。

4.根据权利要求1或2所述的交换机，其中第一协议和第二协议中的每一个都是以太网类型。

5.根据权利要求4所述的交换机，为第一协议和第二协议定义相同的物理层，其中所述分配接口(33)能够将每个输入端口和每个输出端口与所述物理层上的第一路由组件(31)或第二路由组件(32)相关联。

6.根据权利要求1或2所述的交换机，进一步包括至少一个输入端口或输出端口，与第一路由组件(31)或第二路由组件(32)直接固定关联，无需通过分配接口(33)。

7.一种航空电子通信系统，包括：

-多台交换机，它们彼此连接，形成计算机网络；

-多个设备，每个设备均为数字数据发送器和/或接收器，并连接至少一台交换机；

所述数字数据为符合第一协议的第一类数据帧以及符合第二协议的第二类数据帧的形式，不同类型的数据帧以隔离的方式进行传输；

所述系统的特征在于所述交换机中的至少一台符合权利要求1至6中的任一项。