航空電子機器用全二重スイッチドイーサネット

アビオニクス全二重スイッチドイーサネット（AFDX）、別名ARINC 664は、国際航空機メーカーであるエアバスが特許を取得した、安全性が重要なアプリケーション向けのデータネットワークであり、専用帯域幅を使用しながら決定論的なサービス品質（QoS）を提供します。AFDXはエアバスの世界的な登録商標です。^{[ 1 ] [ 2 ]} AFDXデータネットワークは、市販の既製品（COTS）コンポーネントを使用したイーサネット技術に基づいています。AFDXデータネットワークは、ARINC仕様664パート7の特定の実装であり、パート1および2に従ってIEEE 802.3ネットワークのプロファイルバージョンであり、将来の世代の航空機データネットワーク（ADN）で市販の既製品ネットワークコンポーネントがどのように使用されるかを定義します。AFDXデータネットワークの6つの主要な側面には、全二重、冗長性、決定論性、高速性能、スイッチドネットワーク、プロファイルされたネットワークが含まれます。

多くの商用航空機は、安全性が極めて重要な用途向けに1977年に開発されたARINC 429規格を使用しています。ARINC 429は、単一の送信機と最大20個の受信機を備えた単方向バスを使用します。データワードは32ビットで構成され、バイポーラゼロ復帰変調を使用してツイストペアケーブルを介して通信されます。伝送速度は2種類あり、高速は100  kbit/sおよび低速動作12.5  kbit/s。ARINC 429は、単一の送信機がポイントツーポイント接続で通信するように動作するため、かなりの量の配線が必要となり、重量が増加します。

ボーイングが777向けに導入した別の規格であるARINC 629は、最大で2  Mbit/sの速度で、最大120台のデータ端末を接続可能でした。このADNはバスコントローラを使用せずに動作するため、ネットワークアーキテクチャの信頼性が向上します。欠点は、専用ハードウェアが必要となるため、航空機のコストが大幅に増加する可能性があることです。そのため、他のメーカーはARINC 629規格を積極的に採用しませんでした。

AFDX は、次世代航空機データ ネットワークとして設計されました。IEEE 802.3委員会 (一般にEthernetとして知られる) の標準に基づいて、市販の既製ハードウェアを使用してコストと開発時間を削減できます。AFDX は、ARINC 仕様 664 パート 7 で定義されている決定論的 Ethernet の実装の 1 つです。AFDX は、当初フライト バイ ワイヤ システム開発のリアルタイムの問題に対処するために、エアバス インダストリーズによって A380 用に開発されました。^{[ 3 ] [ 4 ]}複数のスイッチをカスケードスター トポロジでブリッジできます。このタイプのネットワークは、配線を大幅に削減できるため、航空機の重量を削減できます。さらに、AFDX はサービス品質とデュアル リンク冗長性を提供できます。

A380での経験を基に、エアバスA350もAFDXネットワークを採用しており、アビオニクスとシステムはロックウェル・コリンズ社が供給している。^{[ 5 ]}銅線ではなく光ファイバーを使用したAFDXは、ボーイング787ドリームライナーで使用されている。^{[ 6 ]}

エアバスとその親会社であるEADSは、Selex ESやVector Informatik GmbHとの契約を含め、EADSテクノロジーライセンスイニシアチブを通じてAFDXライセンスを提供しています。^{[ 7 ] [ 8 ]}

AFDXは、IEEE 802.3 Ethernetの欠点を修正するために、通信規格のトークンバケットや非同期転送モード（ATM）などの概念を採用しました。イーサネットに既に存在する要素にATMの主要要素を追加し、さまざまなオプションの仕様を制約することで、帯域幅とサービス品質（QoS）を保証する、信頼性の高い全二重決定論的ネットワークが構築されます。 ^{[ 9 ]}全二重イーサネットを使用することで、伝送衝突の可能性が排除されます。ネットワークは、QoSポリシーを使用してすべての重要なトラフィックが優先されるように設計されているため、配信、遅延、ジッタはすべて設定されたパラメータ内に保証されます。^{[ 10 ]}

AFDXネットワークに共通する高度なインテリジェントスイッチは、送受信パケットをバッファリングできます。ツイストペアケーブルまたは光ファイバーケーブルを使用することで、全二重イーサネットは、データの送受信に2つの独立したペアまたはストランドを使用します。AFDXは標準イーサネットを拡張し、高いデータ整合性と決定論的なタイミングを提供します。さらに、冗長なネットワークペアを使用してシステムの整合性を向上させます（ただし、仮想リンクはどちらか一方のネットワークのみを使用するように構成できます）。AFDXは、以下のOSI参照モデル層における相互運用可能な機能要素を規定しています。

• データリンク（MACアドレスと仮想リンクアドレスの概念）
• ネットワーク（IPおよびICMP）
• トランスポート（UDP、オプションでTCP）
• アプリケーション（ネットワーク）（サンプリング、キューイング、SAP、TFTP、SNMP）。

AFDXネットワークの主な構成要素は以下のとおりです。

• AFDXエンドシステム
• AFDXスイッチ
• AFDXリンク

AFDXネットワークの中心となる機能は、仮想リンク（VL）です。ある抽象化では、VLはそれぞれ1つの送信元と1つ以上の宛先を持つARINC 429スタイルのネットワークとして視覚化できます。仮想リンクは、送信元エンドシステムからすべての宛先エンドシステムへの単方向の論理パスです。イーサネット宛先またはMACアドレスに基づいてフレームを切り替える従来のイーサネットスイッチとは異なり、AFDXは仮想リンクIDを使用してパケットをルーティングします。この仮想リンクIDは、イーサネットフレームのMAC宛先アドレスと同じ位置にAFDXフレーム内に保持されます。ただし、AFDXの場合、この仮想リンクIDは物理的な宛先ではなく、伝送されるデータを識別します。仮想リンクIDは、定数32ビットフィールドに続く16ビットの符号なし整数値です。スイッチは、1つのエンドシステムからのみ受信フレームを、あらかじめ定められたエンドシステムのセットにルーティングするように設計されています。各仮想リンク内には、1つ以上の受信エンドシステムが接続される場合があります。各仮想リンクには専用帯域幅（すべての仮想リンク帯域幅割り当てギャップ（BAG）レートの合計× MTU）が割り当てられ、その総帯域幅はシステムインテグレーターによって定義されます。ただし、総帯域幅はネットワーク上で利用可能な最大帯域幅を超えることはできません。したがって、双方向通信には補完的な仮想リンクの指定が必要です。

各仮想リンク（VL）は仕様が固定されているため、ネットワークの最大トラフィック量が設計どおりに確保され、決定論的な動作が保証されます。また、VL構成テーブルがロードされたスイッチは、ネットワークの他のブランチを圧迫する可能性のある誤ったデータ送信を拒否できます。さらに、重要度の低いデータを伝送するように設計されたサブ仮想リンク（サブVL）も存在します。サブ仮想リンクは特定の仮想リンクに割り当てられます。データは、送信するデータを持つ仮想リンク間でラウンドロビン方式で読み取られます。また、サブ仮想リンクはバッファリングのため帯域幅やレイテンシが保証されませんが、AFDXではレイテンシはトラフィックレギュレータ機能から測定されると規定されています。

BAGは帯域幅割り当てギャップの略で、AFDXプロトコルの主要な機能の一つです。これは送信可能な最大データレートであり、その間隔で確実に送信されることが保証されています。各VLのBAGレートを設定する際には、他のVLに十分な帯域幅が確保され、合計速度が超過しないように注意する必要があります。100  Mbps。

各スイッチには、少なくとも4096個の仮想リンク（VL）を処理できるフィルタリング、ポリシング、および転送機能が備わっています。したがって、複数のスイッチを備えたネットワーク（カスケード接続されたスター型トポロジー）では、仮想リンクの総数はほぼ無制限です。各エンドシステムが処理できる仮想リンクの数に特定の制限はありませんが、これは各VLに指定されたBAGレートと最大フレームサイズとイーサネットのデータレートによって決まります。ただし、1つの仮想リンクで作成できるサブVLの数は4つに制限されています。スイッチは、システムインテグレーターが指定するデータレートでノンブロッキングである必要があり、実際には、スイッチのスイッチング容量はすべての物理ポートの合計になる場合があります。

AFDXはMAC層でイーサネットプロトコルを使用するため、コスト削減策として、レイヤ2ルーティング機能を備えた高性能な市販スイッチをテスト用のAFDXスイッチとして使用することが可能です。ただし、トラフィックポリシングや冗長化機能など、実際のAFDXスイッチに備わっている一部の機能が欠けている場合があります。

AFDXバスは、エアバスA380、ボーイング787、エアバスA400M、エアバスA350、スホーイスーパージェット100、ATR 42、ATR 72（-600）、アグスタウェストランドAW101、アグスタウェストランドAW189、アグスタウェストランドAW169、イルクートMC-21、ボンバルディアグローバルエクスプレス、エアバスA220、リアジェット85、コマックARJ21、コマックC919、アグスタウェストランドAW149で使用されています。^{[ 4 ] [ 11 ]}