航空電子工学全二重スイッチイーサネット

Avionics Full-Duplex Switched Ethernet ( AFDX )、別名ARINC 664 は、国際的な航空機メーカーであるAirbusが特許を取得したデータネットワークであり、^[1]専用の帯域幅を活用しながら確定的なサービス品質(QoS) を提供する安全性が極めて重要なアプリケーション向けです。AFDX は、Airbus の世界的登録商標です。^{[2] AFDX データネットワークは}、市販の(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 と 2 に基づくIEEE 802.3ネットワークのプロファイルバージョンであり、市販のネットワークコンポーネントが将来の世代の航空機データネットワーク(ADN) にどのように使用されるかを定義しています。AFDX データネットワークの 6 つの主な側面には、全二重、冗長性、確定性、高速パフォーマンス、スイッチおよびプロファイルネットワーク があります。

多くの民間航空機は、安全性が重要な用途向けに 1977 年に開発されたARINC 429規格を使用しています。ARINC 429 は、1 つの送信機と最大 20 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、バイポーラ リターンツーゼロ変調を使用してツイストペア ケーブルで通信される 32 ビットで構成されます。伝送速度は 2 種類あり、高速は 100 kbit/s、低速は 12.5 kbit/s で動作します。ARINC 429 は、1 つ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、かなりの配線が必要になり、重量が増加します。

ボーイング社が777向けに導入した別の規格であるARINC 629では、データ速度が最大 2 Mbit/s に向上し、最大 120 のデータ端末が使用可能になりました。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、カスタム ハードウェアが必要になり、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。このため、他のメーカーは ARINC 629 規格を公然と受け入れませんでした。

AFDXは、次世代の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委員会の標準規格（一般にイーサネットとして知られる）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イーサネットの1つの実装です。AFDXは、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]当初は、}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でした^{[5] 。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することができます。このタイプのネットワークは、配線を大幅に削減し、航空機の重量を軽減することができます。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の経験を基に、エアバスA350もAFDXネットワークを使用しており、航空電子機器とシステムはロックウェル・コリンズが供給している。^[6]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。^[7]

エアバスとその親会社であるEADSは、 Selex ES ^[8]およびVector Informatik ^[9] GmbHとの契約を含む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。

AFDX は、IEEE 802.3 イーサネットの欠点を修正するために、通信規格のトークン バケット、非同期転送モード(ATM)などの概念を採用しました。ATM の主要要素をイーサネットにすでに存在する要素に追加し、さまざまなオプションの仕様を制限することで、帯域幅とサービス品質 (QoS) が保証された、信頼性の高い全二重の確定的ネットワークが作成されます。^[10]全二重イーサネットを使用することで、送信衝突の可能性が排除されます。ネットワークは、すべての重要なトラフィックが QoS ポリシーを使用して優先順位付けされるように設計されているため、配信、遅延、ジッターはすべて設定されたパラメータ内に収まることが保証されます。^[11] AFDX ネットワークに共通する高度にインテリジェントなスイッチは、送信パケットと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信と受信に 2 つの別々の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て、高いデータ整合性と確定的なタイミングを提供します。さらに、冗長ネットワーク 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)。次のOSI 参照モデルレイヤーで相互運用可能な機能要素を指定します。

• データリンク（MACおよび仮想リンクアドレス指定の概念）
• ネットワーク（IPおよびICMP）
• トランスポート( UDPおよびオプションで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要素は次のとおりです。

• 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的な機能は、その仮想リンク(VL) です。1 つの抽象化では、VLを、それぞれ 1 つの送信元と 1 つ以上の送信先を持つ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送信先エンド システムへの単方向の論理パスです。イーサネット送信先または 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、イーサネット フレームの MAC 送信先アドレスと同じ位置で伝送される仮想リンク ID を使用してパケットをルーティングします。ただし、AFDX の場合、この仮想リンク ID は、物理的な送信先ではなく、伝送されるデータを識別します。仮想リンク ID は、32 ビットの定数フィールドに続く 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 システムから着信フレームを、事前に決定されたエンド 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、システム インテグレータによって定義された合計帯域幅で、専用の帯域幅 [すべての VL 帯域幅割り当てギャップ (BAG) レートの合計 x MTU ] が割り当てられます。ただし、合計帯域幅は、ネットワークで使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 VL の指定が必要です。

各 VL は、ネットワークが設計された最大トラフィック、つまり決定論を持つように仕様で固定されています。また、VL 構成テーブルがロードされているスイッチは、ネットワークの他のブランチを圧倒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) が存在する場合があります。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、送信するデータを含む仮想リンク間でラウンドロビンシーケンスで読み取られます。また、サブ仮想リンクはバッファリングのため保証された帯域幅や遅延を提供しませんが、AFDX では、遅延はトラフィック レギュレータ機能から測定されることが指定されています。

BAG は帯域幅割り当てギャップの略で、AFDX プロトコルの主な機能の 1 つです。これは、データを送信できる最大速度であり、その間隔で送信されることが保証されています。各 VL の BAG 速度を設定するときは、他の VL に十分な帯域幅があり、合計速度が 100 Mbit/s を超えないように注意する必要があります。

各スイッチには、少なくとも 4096 個の VL を処理できるフィルタリング、ポリシング、および転送機能があります。したがって、複数のスイッチ (カスケード スター トポロジ) があるネットワークでは、仮想リンクの合計数はほぼ無制限です。各エンド システムで処理できる仮想リンクの数に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 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 に制限されています。スイッチは、システム インテグレータによって指定されたデータ レートで非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がすべての物理ポートの合計になる必要があることを意味します。

AFDX は MAC 層でイーサネット プロトコルを利用するため、コスト削減策として、レイヤー 2 ルーティングを備えた高性能 COTS 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できます。ただし、トラフィック ポリシングや冗長機能など、実際の AFDX スイッチの一部の機能が欠けている可能性があります。

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、ATR42、ATR72（-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、^[12] 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。^[13]

• AFDX/ARINC664P7 AIM アビオニクス データバス ソリューション、AFDX/ARINC-664 用インターフェイス ボード
• PBA.pro-AFDX AIM アビオニクス データバス ソリューション、AFDX/ARINC-664 用アナライザーなど
• AIM Avionics データバス ソリューションによる AFDX トレーニング、AFDX/ARINC-664 用インターフェイス ボード
• Mercury Instruments, Inc. の Goebel AFDX ARINC664/AFDX シミュレーションおよび検証ソリューション。
• Excalibur Systems Inc. の ARINC-664 パート 7 (AFDX) チュートリアル (ビデオ)
• Embvue AFDX | Embvue の Arinc 664
• GE Intelligent Platforms の AFDX/ARINC 664 チュートリアル
• AFDX Suite - AFDX ツール - AFDX システムを簡単に分析およびシミュレーションするためのソフトウェア ソリューション (EC Comp GmbH)
• Avionics Ethernet Data Xplorer ARINC-664P7 Simulyzer - ARINC-664P7 / AFDX システムの監視、シミュレーション、テスト用ソフトウェア (MHZ Solutions)
• AFDX SID データ フレーム構造 (MHZ ソリューション)