2. 机载以太网协议栈与确定性需求分析

机载以太网并不是把地面商用以太网直接搬上飞机。地面以太网以“尽力而为”为核心，而航电系统要求通信行为在时间上可预测、在故障时可隔离。围绕这一目标，机载以太网形成了两条主要技术路线：一条是以 ARINC 664 Part 7 为规范基础、以 AFDX 为典型实现的航空专用确定性网络；另一条是源自工业与车载领域的 TSN（Time-Sensitive Networking）协议族。理解二者的协议栈分层、确定性机制差异，以及机载环境对时延、抖动、丢包率和带宽的量化约束，是后续设计工作的前提。

一、协议栈分层与两条技术路线

ARINC 664 Part 7 定义的是“航空电子全双工交换以太网”的规范框架，AFDX 是空客在其上落地的具体实现。它的协议栈自下而上大致为：物理层采用 100BASE-TX 双绞线，链路层使用标准以太网帧格式但引入虚拟链路（Virtual Link, VL）概念，网络层使用 IP，传输层使用 UDP，应用层则由各航电功能自定义。AFDX 的关键在于：它不依赖 TCP 的重传与拥塞控制，而是通过静态配置的 VL 在交换网络中预留带宽，用“时间触发+速率限制”的方式保证确定性。

TSN 则是 IEEE 802.1 工作组的一组标准集合，包括 802.1AS 时间同步、802.1Qbv 时间感知整形、802.1Qav 信用整形、802.1CB 帧复制与消除、802.1Qci 流过滤与监管等。TSN 的协议栈同样基于标准以太网，但它把确定性能力做成可组合的“工具箱”，允许在同一物理网络上混合承载周期性控制流、音视频流和普通数据流。与 AFDX 的“静态配置、专用网络”思路不同，TSN 更强调动态调度、多业务融合和标准化互操作。

二、确定性机制的本质差异

AFDX 的确定性来自“设计时确定”。每条 VL 在系统集成阶段就分配了带宽分配间隔（BAG）和最大帧长（Lmax），交换机据此对每条 VL 的到达速率进行监管。例如某条 VL 配置 BAG=8ms、Lmax=256 字节，则其最大允许带宽约为 256×8/0.008 ≈ 256 kbps。只要所有 VL 的带宽之和不超过链路容量，且路径固定，端到端时延就可以在设计阶段通过最坏情况分析（WCD）计算出来。这种方式的优点是行为可证明，缺点是灵活性差，新增业务需要重新做网络配置和验证。

TSN 的确定性来自“运行时调度”。以 802.1Qbv 为例，交换机端口维护一张门控列表（Gate Control List），把时间划分为周期性窗口，每个窗口只允许特定优先级的队列发送。配合 802.1AS 的亚微秒级时间同步，所有交换机在同一时间基准上执行门控，从而让时间关键流获得独占窗口。802.1Qav 则通过信用整形为音视频流提供有界时延。TSN 的优势是能在同一网络上混合不同业务，但代价是需要全网时间同步，且调度表的设计与验证比 AFDX 的静态配置更复杂。

三、机载环境对四项指标的量化需求

机载航电系统对通信性能的要求可以用四个指标来刻画，它们共同决定了网络能否满足飞行安全需求。

这些数字不是随意设定的。以飞行控制为例，控制律通常以 50～100 Hz 运行，即周期 10～20 ms。若端到端时延超过一个控制周期，控制律就会使用过期数据，可能导致振荡甚至失稳。因此关键控制流的时延预算通常被限制在毫秒级，抖动则要求控制在时延预算的 10% 以内。丢包率方面，AFDX 通过双网冗余（A/B 网）实现“单次故障不影响通信”，但冗余切换本身会引入额外时延，设计时必须把切换时间计入时延预算。

四、从需求到设计参数的映射

在实际工程中，上述指标需要转化为可配置的网络参数。以一条飞行控制 VL 为例，假设控制周期为 10 ms，每周期发送一帧，帧长 128 字节，则有效载荷带宽约为 128×8/0.01 ≈ 102 kbps。考虑协议开销和余量，可配置 BAG=5 ms、Lmax=256 字节，使 VL 具备约 410 kbps 的峰值能力。若该 VL 同时承载于 A/B 双网，则每条网络独立配置，接收端通过完整性检查与冗余管理选择先到达的有效帧。

无论采用哪条路线，机载以太网设计的核心都是把“时延、抖动、丢包率、带宽”这四个指标从系统需求逐层分解到链路、交换机和端系统的配置参数，并在设计阶段完成最坏情况验证。下一阶段的工作，就是围绕这些参数展开具体的网络规划与配置。