2. 机载网络协议与数据流特征

机载网络流量规划的第一步，不是急着算带宽，而是先弄清“流量从哪里来、按什么规律发、发到哪里去”。不同机载总线协议在速率、拓扑、寻址方式、时间确定性上差异很大，这些差异直接决定了后续带宽预算、虚拟链路划分和验证方法。本节把 AFDX、ARINC 664、TSN、CAN、ARINC 429 放在同一张“流量特征坐标系”里对比，并重点拆解周期/非周期、组播/单播、突发/稳态三组关键属性。

一、协议定位与基本能力对比

ARINC 429 是最经典的航空单向总线，采用双绞屏蔽线，点对点或一发多收，速率只有 12.5 kbps 或 100 kbps，每帧 32 位，标签（Label）标识参数类型。它没有寻址概念，发送端只管周期性广播，接收端按标签过滤。ARINC 429 的流量几乎全是周期性的，稳态特征极强，但带宽极低，适合传感器、大气数据、离散量等小数据量场景。

CAN 总线常见于机电管理、舱门、照明等系统，采用多主竞争、基于优先级的仲裁机制，速率通常 125 kbps～1 Mbps。CAN 帧短（标准帧 11 位 ID，数据最多 8 字节），事件触发为主，周期报文与突发报文混跑。它的非周期和突发特征明显，仲裁失败会重发，最坏响应时间需要专门分析。

AFDX（ARINC 664 Part 7）是 A380、B787 等机型的主干数据网络，基于以太网但做了确定性改造。核心机制是虚拟链路（VL），每条 VL 有固定的带宽分配间隔（BAG）和最大帧长（Lmax），通过漏桶算法限制流量。AFDX 支持单播和组播，周期流量占主导，但允许一定比例的非周期流量。它的速率是 100 Mbps（部分新型号支持 1 Gbps），拓扑为双余度星型交换网络。

TSN（时间敏感网络）是新一代机载网络演进方向，在标准以太网上增加时间同步（802.1AS）、时间感知调度（802.1Qbv）、帧抢占（802.1Qbu）等机制。TSN 能同时承载周期控制流、音视频流和尽力而为流，时间确定性比 AFDX 更精细，支持纳秒级同步和门控调度。它的流量类型最丰富，规划复杂度也最高。

二、周期与非周期流量的工程含义

周期流量是机载网络带宽规划的“基本盘”。以 AFDX 为例，一条 VL 定义如下参数：BAG（带宽分配间隔，如 1 ms、2 ms、4 ms、8 ms、16 ms、32 ms、64 ms、128 ms）、Lmax（最大帧长，如 64～1471 字节）、以及 VL ID。发送端每 BAG 最多发送一帧，接收端按 VL ID 过滤。周期流量的带宽占用可以直接计算：

单条 VL 带宽 = Lmax × 8 / BAG
示例：Lmax = 512 字节，BAG = 4 ms
带宽 = 512 × 8 / 0.004 = 1,024,000 bps ≈ 1.024 Mbps

非周期流量则来自事件触发，例如故障告警、维护指令、文件传输。AFDX 中非周期流量通常映射到专用 VL，使用较大的 BAG 或“尽力而为”队列，但必须保证不影响周期流量的确定性。工程上常用“令牌桶”模型：周期流量预留固定带宽，非周期流量共享剩余带宽，并设置最大突发长度。TSN 则通过 802.1Qbv 时间门控，为周期流量分配专属时隙，非周期流量在保护带之外传输。

三、组播与单播的流量放大效应

组播在机载网络中非常常见。例如，大气数据计算机通过一条 VL 将数据同时发给飞控、显示、记录等多个接收端。AFDX 交换机会根据组播地址表复制帧，这意味着同一条 VL 在多个输出端口上产生流量。规划时必须区分“源端发送带宽”和“网络总承载带宽”。假设一条组播 VL 的 Lmax=256 字节，BAG=8 ms，有 4 个接收端，则源端带宽为 256×8/0.008=256 kbps，但网络内部可能产生 4 份复制，总承载约 1.024 Mbps。若交换机端口带宽不足，就会出现拥塞和丢帧。

单播则是一对一，流量不会复制，但需要为每条 VL 单独规划路径。TSN 中组播同样存在，且由于支持更细粒度的流过滤和门控，组播流量的调度更灵活，但也更依赖全局时间同步。CAN 没有组播概念，但多个节点可以同时接收同一帧，效果类似广播，仲裁机制决定了谁先发送。

四、突发与稳态：带宽预算的两种视角

稳态流量适合用平均速率做预算，突发流量则必须考虑峰值和缓冲。以 CAN 为例，正常周期报文可能只占 20% 总线负载，但某个节点同时上报故障、诊断和状态更新时，短时负载可能冲到 80% 以上，导致低优先级报文延迟甚至丢失。工程上常用“最坏情况响应时间”分析：对每个报文计算阻塞时间、仲裁延迟和传输时间，判断是否满足截止期。

AFDX 通过 BAG 和 Lmax 把突发“整形”成稳态。即使应用层产生突发，交换机入口的漏桶算法也会把流量限制在 VL 合同范围内。超出部分被丢弃或标记。因此，AFDX 的带宽验证更关注“所有 VL 的 BAG 和 Lmax 之和是否超过链路容量”，而不是瞬时突发。TSN 则同时支持整形和门控，既能约束突发，又能为时间关键流提供确定性时隙。

五、协议选型与流量规划对照

实际型号中，这些协议往往共存：ARINC 429 连接传感器和作动器，CAN 管理机电系统，AFDX 或 TSN 作为主干汇聚。规划时不能只看单条总线，而要沿着“端系统—交换机—端系统”的路径，逐段核算流量。尤其注意协议转换网关，例如 429 转 AFDX 的网关会把多条 429 标签打包成一条 VL，此时 VL 的 BAG 和 Lmax 必须能容纳最坏情况下的标签组合，否则网关就会成为瓶颈。