AFDX: El bus del A220 que evita las colisiones de datos

Mover información entre los subsistemas de aviónica a bordo de una aeronave nunca ha sido tan crucial, y es aquí donde la transferencia electrónica de datos está desempeñando un papel más importante que nunca.

Desde su entrada en servicio en aviones comerciales totalmente electrónico como el Airbus A320 en 1988, el sistema fly-by-wire ha ganado tal popularidad que se está convirtiendo en el único sistema de control utilizado en los nuevos aviones que salen al mercado, tal es el caso de los E-Jet y los A220 (nacido Bombardier).

Pero hay muchos subsistemas electrónicos a bordo de los aviones comerciales, tales como plataformas inerciales, sistemas de control de vuelo, sensores de datos de aire y sistemas de comunicación que necesitan operar con una cantidad masiva de datos. Todos ellos exigen además una transferencia de información de alta velocidad y fiabilidad. Los sistemas de control y la aviónica, en particular, se basan en la entrega de datos completos y actualizados desde la fuente al receptor de manera conveniente (sin degradación de la señal) y en el momento oportuno (cuando se requiera). Para los sistemas críticos esenciales para el vuelo y su seguridad, los enlaces de comunicaciones fiables en tiempo real son esenciales.

Ahí es donde el bus de datos AFDX ha aportado importantes mejoras. Este bus fue estudiado por Airbus en la evolución de su avión A380, la compañía acuñó el término AFDX, para referirse a la Aviónica Full-DupleX, basada en Ethernet. AFDX brinda una serie de mejoras, como la transferencia de datos de mayor velocidad que sus predecesoras, y con respecto a la estructura e instalación en el avión, significativamente menos cableado, lo que reduce los tendidos y enrutado de estos además de una considerable reducción de peso.

El AFDX está diseñado para interfaces críticas de vuelo, incluidos los motores, controles de vuelo, sistemas de navegación, así como sistemas considerados críticos para el funcionamiento de la plataforma. Este bus de datos ​​está diseñado como un reemplazo directo del clásico ARINC 429, que hasta hoy ha sido la referencia es sistemas de aviónica. El ARINC 429 es un estándar de transmisión de datos en aviónica ya tratado en este Blog que consiste en Transmisores y Receptores conectados 1 a 1 o conectado a muchos, operando a 12.5 KHz o 100 KHz.

AFDX: Inicio y antecedentes 

Avionics Full DupleX Switched Ethernet (AFDX) es un estándar que define las especificaciones eléctricas y de protocolo (IEEE 802.3 y ARINC 664, Parte 7) para el intercambio de datos entre subsistemas de aviónica.  

Mil veces más rápido que su predecesor, ARINC 429, se basa en los conceptos originales de AFDX introducidos por Airbus.  El fabricante de aviones europeo ideó el AFDX y lo nombró, como parte de la evolución de su avión A380.  Como resultado, el bus d edatos AFDX y su contrapartida, ARINC 664, Parte 7 en la que se basa, han aportado una serie de mejoras muy significativas, tanto eléctricas como mecánicas, a la interconexión de los subsistemas electrónicos a bordo de las aeronaves.  

Una de las razones por las que el AFDX es una tecnología tan atractiva es que se basa en Ethernet, una tecnología madura que se ha ido mejorado continuamente desde su creación en 1972. De hecho, la inversión comercial y los avances en Ethernet han sido enormes en comparación con el ARINC 429, el MIL-STD-1553 y otras tecnologías de comunicación de datos especializadas. 

Como se muestra en la Figura 1, un sistema AFDX consta de los siguientes componentes:

• Subsistema de aviónica: los subsistemas de aviónica tradicionales a bordo de una aeronave, como la computadora de control de vuelo, el sistema de posicionamiento global, el sistema de monitorización de presión.  Junto con un sistema final AFDX, una computadora de aviónica proporciona un entorno informático para albergar múltiples subsistemas de aviónica.  Cada sistema informático de aviónica contiene un sistema final integrado que conecta los subsistemas de aviónica a una interconexión AFDX. 

• Sistema Final AFDX (End System): El sistema que proporciona una "interfaz" entre los Subsistemas de Aviónica y la Interconexión AFDX.  Cada Subsistema de Aviónica interactúa con el Sistema Final para garantizar un intercambio de datos seguro y fiable con otros Subsistemas de Aviónica.  Esta interfaz exporta una interfaz de programa de aplicación (API) a los diversos subsistemas de aviónica, lo que les permite comunicarse entre sí a través de una interfaz de transferencia de mensajes simple.

• Interconexión AFDX: una interconexión Ethernet conmutada de dúplex completo. Por lo general, consta de una red de conmutadores que reenvían tramas de Ethernet a sus destinos correspondientes. Esta tecnología Ethernet conmutada es una desviación de la tecnología punto a punto unidireccional ARINC 429 tradicional y la tecnología de bus MIL-STD-1553. Como se muestra en el ejemplo de la Figura 2.1, dos de los sistemas finales proporcionan interfaces de comunicación para tres subsistemas de aviónica y el tercer sistema final proporciona una interfaz para una aplicación Gateway. A su vez, proporciona una ruta de comunicación entre los subsistemas de aviónica y la red IP externa y, por lo general, se utiliza para cargar y registrar datos.

Figura 1: Red AFDX

El problema de Ethernet y la mejora del AFDX

Half-duplex Mode Ethernet es otro nombre con el que se conoce a la red de área local (LAN) Ethernet original. El problema con esta topología de red cuando varios hosts están conectados al mismo medio de comunicación, como es el caso del cable coaxial, es que no hay una coordinación central. 

En esas condiciones, es posible que dos hosts transmitan información "simultáneamente" y que sus transmisiones "colisionen". Por lo tanto, existe la necesidad de que los hosts puedan detectar esas colisiones en la transmisión. Cuando ocurre una colisión (dos o más hosts que intentan transmitir al mismo tiempo), cada host tiene que retransmitir sus datos. Claramente, existe la posibilidad de que retransmitan al mismo tiempo y sus transmisiones vuelvan a chocar. Para evitar este fenómeno, cada host selecciona un tiempo de transmisión aleatorio en un intervalo para retransmitir los datos. Si se vuelve a detectar una colisión, los hosts seleccionan otro tiempo aleatorio para la transmisión de un intervalo que es el doble del tamaño del anterior, y así sucesivamente. 

Esto a menudo se conoce como la estrategia de retroceso exponencial binario. Dado que no existe un control central en Ethernet y, a pesar de los elementos aleatorios en la estrategia de retroceso exponencial binario, es teóricamente posible que los paquetes colisionen repetidamente. Lo que esto significa es que al tratar de transmitir un solo paquete, existe la posibilidad de que pueda tener una cadena infinita de colisiones, y el paquete nunca se transmitirá con éxito. 

Por lo tanto, en el modo Half-Duplex (semidúplex) es posible que haya retrasos de transmisión muy grandes debido a colisiones. Esta situación es inaceptable en una red de datos de aviónica. Entonces, lo que se requería (y lo que se implementó en AFDX) fue una arquitectura en la que se conociera la cantidad máxima de tiempo que tardaría un paquete en llegar a su destino. Eso significaba librar al sistema de lo que se conoce como contención. 

Para eliminar la contención (colisiones) y, por lo tanto, la indeterminación con respecto al tiempo que tarda un paquete en viajar del remitente al receptor, es necesario pasar a Ethernet una Ethernet conmutada dúplex total (AFDX). Esta Ethernet conmutada full-duplex elimina la posibilidad de colisiones de transmisión.

Aquí se puede leer (en inglés) todo el informe técnico de esta investigación escrita por Muhammet Emin Yanik de la Univresidad de Texas.