前言

与普通办公环境的网络系统相比，在工业领域中应用的网络系统对网络通信的实时性、确定性和可靠性等特性的要求要高得多。在工业领域中，工业控制系统、航空电子系统等安全关键类系统以往主要采用专用的数据总线进行数据通信，以满足系统对实时性、确定性和可靠性等特性的要求。专用的数据总线存在一些缺点，如传输速率低、可扩展性差、系统成本高、维护复杂等。

以太网具有高速化、低成本、商业化等优点，广泛应用于办公自动化环境中。传统的以太网并不具有实时性、确定性和可靠性等特性，将以太网技术应用于工业领域时需要进行适当的改造，使之能够达到工业领域对实时性、确定性和可靠性的要求。经过工业化改造的以太网称为工业以太网，典型的工业以太网是应用于航空航天领域的航空电子全双工交换式以太网（Avionics Full Duplex switched Ethernet，AFDX）和TTE（Time Triggered Ethernet）。

AFDX是欧洲空客公司提出的一种用于航空电子各子系统之间相互连接和数据交换的网络通信技术，它在传统以太网技术的基础上，增加了用于确保航空电子数据传输实时性、确定性和可靠性的新机制，达到了航空电子数据传输的基本要求。欧洲空客公司在研制A-380大型客机项目时，提出以新型的数据传输系统取代以往在空客飞机上使用的ARINC 429总线系统。以太网组网简单、可扩展性好，并且以太网硬件、软件和设备的商业化程度高，能够很快投入应用。因此，空客公司以全双工交换式以太网为基础，对以太网进行改造，开发了能够满足航空电子系统数据通信要求的AFDX协议规范，对航空电子系统的各组成部分相互之间如何进行通信及电气规范进行了规范化定义，包括将以太网作为机载信息网络的应用方法、以太网传输特性以及向未来IPv6协议扩展等方面的要求。国际航空民用通用标准化机构（ARINC）已正式接纳AFDX协议规范为ARINC 664 Part 7标准，AFDX网络在空客A-380、A-350、A-400M4，波音B787和中国C919客机航空电子平台上得到了成功应用。

TTE是奥地利TTTech公司研发的时间触发以太网，在传统以太网基础上增加了基于时间触发的实时传输机制和服务，它将数据传输服务分成时间触发（TT）数据和事件触发（ET）数据两种，并相应采取不同的数据传输机制。对于TT数据，采用基于全局时钟同步和时间触发的数据传输机制，通过时钟同步控制协议在全网内建立统一的全局时钟，在全网时钟同步的基础上，按照事先制定的调度规则及时间点来触发TT数据的传输。对于ET数据，则按AFDX网络传输模式或传统以太网传输模式来传输，主要是为了与AFDX网络和传统以太网相兼容，起到保护用户已有投资的作用。美国机动车工程师学会（SAE）已正式接纳TTE协议规范为SAE AS6802标准。TTE网络在实时性、确定性、可靠性和带宽保证上具有突出的优点，已经在美国NASA的载人飞船项目中得到应用，并受到国外飞机制造商的关注，中国也考虑在今后的航天器系统中采用TTE网络技术。

AFDX和TTE网络都是通过改造和升级传统以太网的途径来满足特定工业行业应用需求的典型代表，对于其他工业行业改造升级传统的数据传输系统具有重要的借鉴意义。随着工业化和信息化的深度融合，通过先进的工业网络技术来提升工业控制网络的性能，推动工业互联网的发展，成为工业控制行业的必然发展趋势，AFDX和TTE等先进工业网络技术的推广应用将成为提升“两化”深度融合品质的基础。

本书主要介绍典型工业以太网——AFDX/TTE网络的原理、接口、互连与安全技术。全书共7章，第1章为以太网技术，系统介绍传统以太网技术，主要内容有LLC协议、以太网协议、交换式以太网等；第2章为工业以太网，主要介绍AFDX/TTE网络的网络特性、工作机制、基本原理及应用举例等内容；第3章为AFDX端系统接口，主要介绍一种AFDX网卡的结构与功能，包括接口类型、内存映射、特殊寄存器、配置接口、编程接口等内容；第4章为TTE端系统接口，主要介绍一种TTE网卡的结构与功能，包括配置接口、编程接口、帧输入/输出接口、通用加载器格式等内容；第5章为AFDX网络环境建立与测试，主要介绍AFDX网络安装、AFDX网络系统配置、AFDX应用编程接口、AFDX网络测试等内容；第6章为AFDX安全网关技术，主要介绍AFDX安全网关应用模型、AFDX安全网关工作机理、AFDX安全网关关键技术等内容；第7章为工业互联网安全，主要介绍工业控制系统及通信协议、工业控制系统信息安全问题、工业控制系统信息安全标准、信息系统安全等级保护等内容。

本书虽然以特定的AFDX网卡产品为例来介绍AFDX端系统接口，凡是按照ARINC 664 Part 7标准开发的AFDX网卡产品所提供的网络特性和功能应当是一致的，只是在实现细节上可能略有差别，总体上并不影响对AFDX网络应用开发技术和方法的理解，具有很好的借鉴和启示作用。

由于AFDX/TTE网络技术比较复杂，很难覆盖AFDX/TTE网络技术的方方面面，书中难免存在不足和疏漏之处，欢迎广大读者批评指正。

最后，感谢西北工业大学教材专著出版基金对本书的大力资助。

作者

于西北工业大学