基于IMA平臺(tái)的機(jī)載虛通道通信技術(shù)研究

吳姣 戴小氐 崔西寧 張亦姝

【摘要】? ? 針對(duì)綜合化航電對(duì)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)通信提出的新要求，通過(guò)研究ASAAC中關(guān)于軟件和通信的相關(guān)技術(shù)，按照機(jī)載應(yīng)用的使用需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種虛通道通信技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)、傳輸協(xié)議、操作系統(tǒng)等與應(yīng)用任務(wù)解耦，在滿足實(shí)時(shí)性和安全性的同時(shí)，提高了通信的透明性，為系統(tǒng)管理和應(yīng)用任務(wù)提供了統(tǒng)一的通信平臺(tái)，并基于FC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證。在某飛機(jī)的航電系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，功能和性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

【關(guān)鍵詞】? ? 綜合化航電? ? 虛通道? ? ASAAC? ? FC

引言

航空電子系統(tǒng)在幾十年的發(fā)展演變中，經(jīng)歷了一個(gè)從分立式、混合式、聯(lián)合式到高度綜合化的過(guò)程[1]。綜合化是下一代航空電子發(fā)展的靈魂和核心，它將整個(gè)航空電子系統(tǒng)進(jìn)行了整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少壽命周期成本，改進(jìn)任務(wù)性能和操作性能，硬件模塊的種類和數(shù)量減少，通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步統(tǒng)一，軟件也根據(jù)功能和需求被配置到通用功能模塊上，在進(jìn)行模式切換和容錯(cuò)重構(gòu)時(shí)，任務(wù)可以根據(jù)系統(tǒng)資源配置遷移到不同的模塊。顯然，這對(duì)通信協(xié)議提出了進(jìn)一步的要求，本文介紹的虛通道通信協(xié)議，便是一種適用于綜合化航電系統(tǒng)，具有安全性、實(shí)時(shí)性的平臺(tái)無(wú)關(guān)的通訊協(xié)議。

一、系統(tǒng)架構(gòu)

綜合化模塊化航空電子系統(tǒng)IMA（Integrated Modular Avionics）是為了適應(yīng)航空電子系統(tǒng)數(shù)字化、模塊化、通用化、綜合化和軟件化的發(fā)展趨勢(shì)，所研制的新一代航空電子系統(tǒng)的總稱。IMA系統(tǒng)應(yīng)是由IMA核心系統(tǒng)和非核心設(shè)備組成的完整系統(tǒng)。IMA核心系統(tǒng)應(yīng)是由一個(gè)或一系列集成機(jī)架組成的航空電子系統(tǒng)，該集成機(jī)架包含一組標(biāo)準(zhǔn)CFM，通過(guò)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)互連，執(zhí)行獨(dú)立于硬件的可重用的功能應(yīng)用、操作系統(tǒng)和系統(tǒng)管理軟件[2]。

機(jī)載航電系統(tǒng)通信方式的發(fā)展，經(jīng)歷了二代機(jī)的ARINC429總線、三代機(jī)的1553B總線，F(xiàn)C、AFDX等網(wǎng)絡(luò)，極大的提高了機(jī)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信帶寬和傳輸可靠性，而且采用星形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，便于機(jī)載設(shè)備靈活的組網(wǎng)和重構(gòu)，因此在新一代戰(zhàn)斗機(jī)航電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

綜合核心處理機(jī)（ICP）處于某重點(diǎn)型號(hào)航空電子系統(tǒng)中的任務(wù)系統(tǒng)核心處理功能區(qū)，采用綜合化、模塊化、開放式的IMA體系架構(gòu)。

二、通信協(xié)議

目前ARINC429、1553B總線、FC、1394、AFDX等的通信協(xié)議棧，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，造成應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn)方式和硬件設(shè)備緊耦合，軟件的可移植性較差。同時(shí)由于新一代飛機(jī)采用綜合化航電技術(shù)，機(jī)載計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)都統(tǒng)一化，應(yīng)用軟件和平臺(tái)軟件分離，所以對(duì)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧提出了迫切的需求，另一方面，綜合化航電為了提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)飛機(jī)的生存和任務(wù)能力，提出了容錯(cuò)重構(gòu)的需求，進(jìn)一步要求實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的動(dòng)態(tài)部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，通信配置動(dòng)態(tài)調(diào)整等功能。所以需要研制一種新型的、滿足新一代戰(zhàn)斗機(jī)綜合化航電要求的通信協(xié)議。

北約組織（NATO）針對(duì)綜合化航電系統(tǒng)，定義了一組標(biāo)準(zhǔn)體系STANAG 4626《MODULAR AND OPEN AVIONICS ARCHITECTURES》，其中軟件分冊(cè)提出了一種虛通道通信技術(shù)，可以有效的滿足綜合化航電對(duì)通信的需求[3-4]。

2.1虛通道

虛通道是一種平臺(tái)無(wú)關(guān)的通信協(xié)議，使應(yīng)用軟件獨(dú)立于傳輸介質(zhì)。對(duì)用戶屏蔽了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和硬件設(shè)備的多樣性，使應(yīng)用程序在一個(gè)完全邏輯的空間中運(yùn)行，使開發(fā)人員集中精力在應(yīng)用功能上。同時(shí)，對(duì)于應(yīng)用而言，底層的硬件設(shè)備透明，便于應(yīng)用的移植和代碼重用，符合軟件模塊化設(shè)計(jì)思想，當(dāng)硬件升級(jí)或者結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)用程序可以和新系統(tǒng)無(wú)縫連接。

虛通道通信協(xié)議特性如下：1）單向性;2）面向消息（即一個(gè)VC只傳輸一個(gè)定義的消息）;3）由操作系統(tǒng)管理（建立、刪除、路由）;4）時(shí)間和資源消耗可預(yù)測(cè);5）一個(gè)發(fā)送者對(duì)一個(gè)接收者或者對(duì)多個(gè)接收者。

2.2協(xié)議棧設(shè)計(jì)

虛通道通訊協(xié)議共分4層，包括端口、通道、傳輸連接和網(wǎng)絡(luò)。

每層通信協(xié)議向上層提供標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口。各層通信協(xié)議功能如下：1）端口實(shí)現(xiàn)用戶層的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，完成數(shù)據(jù)流從采集，分析，計(jì)算，處理到最終的輸出;2）通道負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分片和重組，應(yīng)答和錯(cuò)重發(fā)，加密和解密，完成數(shù)據(jù)塊的安全性傳輸;3）傳輸連接負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)路由，完成多處理器之間、多模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸;4）網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)具體的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，驅(qū)動(dòng)硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3傳輸機(jī)制

在虛通道通信協(xié)議中，傳輸連接給通道提供與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)服務(wù)。傳輸連接支持兩種傳輸模式，消息模式和流模式。消息模式啟動(dòng)傳輸要求使用發(fā)送和接收服務(wù)，而流模式傳輸是自動(dòng)的，數(shù)據(jù)被寫到一預(yù)定義緩沖或從一預(yù)定義緩沖讀出，并且當(dāng)緩沖包含足夠的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就被發(fā)送或接收，不需要調(diào)用服務(wù)。

傳輸連接有兩種工作模式，觸發(fā)方式和回調(diào)方式?；卣{(diào)方式當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)完成時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)傳輸完成事件，通知通道程序數(shù)據(jù)發(fā)送完成，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)接收數(shù)據(jù)事件，通知通道程序有數(shù)據(jù)到達(dá)，而觸發(fā)方式，不產(chǎn)生回調(diào)事件。

詳細(xì)的傳輸機(jī)制如下：

當(dāng)任務(wù)發(fā)送消息時(shí)，端口接收用戶緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，按照藍(lán)圖配置，找到端口映射的通道，按通道屬性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，加密，選擇一個(gè)或多個(gè)傳輸連接，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)遞交數(shù)據(jù)，傳輸連接按照配置，選擇路由和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，把數(shù)據(jù)發(fā)送給一個(gè)或多個(gè)接收者。

在接收一邊，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接收到數(shù)據(jù)后，提交給傳輸連接，傳輸連接分析數(shù)據(jù)報(bào)文格式，根據(jù)配置，利用回調(diào)方式把數(shù)據(jù)提交給一個(gè)或多個(gè)通道，通道對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，重組，得到完整的應(yīng)用數(shù)據(jù)，按照配置提交給一個(gè)或多個(gè)端口，任務(wù)從端口獲取數(shù)據(jù)。

2.4數(shù)據(jù)包格式

在虛通道通信中，數(shù)據(jù)報(bào)是以消息的形式傳遞的?；谔撏ǖ赖臄?shù)據(jù)包應(yīng)包括網(wǎng)絡(luò)頭信息、傳輸連接頭信息、通道頭信息和消息載荷，如圖1所示。

2.5通信配置

虛通道采用靜態(tài)配置的方式，所有虛通道的屬性（比如緩沖區(qū)大?。ㄐ怕窂?，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都在藍(lán)圖中配置，藍(lán)圖在地面開發(fā)環(huán)境生成，由系統(tǒng)綜合人員根據(jù)應(yīng)用的需求和資源的負(fù)載定義產(chǎn)生，運(yùn)行時(shí)不可更改，所有通信路徑、流量、有效載荷都是可預(yù)知的。系統(tǒng)管理在初始化或者重構(gòu)時(shí)根據(jù)藍(lán)圖數(shù)據(jù)配置虛通道。

在通信路徑中的所有模塊上都有藍(lán)圖配置，所以通信數(shù)據(jù)包只攜帶必要的數(shù)據(jù)報(bào)頭，虛通道通信協(xié)議根據(jù)藍(lán)圖配置決定發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，減少了軟件解析數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)的時(shí)間，而且數(shù)據(jù)包中有效載荷大，提高了通訊效率，保證了通信的安全性和實(shí)時(shí)性。

三、測(cè)試驗(yàn)證

3.1驗(yàn)證環(huán)境及驗(yàn)證方法

在ICP系統(tǒng)中，存在多種類型的網(wǎng)絡(luò)，本文討論的虛通道通信協(xié)議的測(cè)試環(huán)境采用FC網(wǎng)絡(luò)，在天脈2操作系統(tǒng)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了虛通道通信，屏蔽了硬件和操作系統(tǒng)的差異，為應(yīng)用任務(wù)提供通信服務(wù)。

在不同的模塊上，針對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)中的不同類型消息（數(shù)據(jù)塊消息和流消息）[5]，使用相同的測(cè)試用例，在直接采用FC網(wǎng)絡(luò)接口和增加虛通道FC網(wǎng)絡(luò)接口兩種方式下進(jìn)行測(cè)試，比較兩種方式下對(duì)帶寬的影響，為了消除測(cè)試結(jié)果波動(dòng)對(duì)驗(yàn)證分析結(jié)果的不可靠影響，在實(shí)驗(yàn)中均采用多次測(cè)量取平均值的方法。

3.2測(cè)試結(jié)果及分析

依據(jù)上述的測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果如圖2。

從帶寬對(duì)比圖中可以看出，采用虛通道通信后，對(duì)FC的帶寬存在一定程度的影響，尤其是在消息負(fù)載小的情況下相差比較大，這是因?yàn)樵谟脩魯?shù)據(jù)長(zhǎng)度較小時(shí)，協(xié)議開銷較大，采用虛通道之后，在原本的FC協(xié)議之上又增加了一層協(xié)議，所以對(duì)FC性能有較大影響，但是隨著用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的增大，采用虛通道的方法對(duì)FC的性能影響逐漸減少，甚至接近，因此，可以通過(guò)增加用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，減少虛通道協(xié)議的開銷，在不損失原有網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時(shí)，提高了通信的透明性、安全性和可靠性。

四、結(jié)束語(yǔ)

虛通道實(shí)現(xiàn)了綜合化航電系統(tǒng)中的任務(wù)間通訊，為系統(tǒng)管理和應(yīng)用軟件提供了統(tǒng)一的通信平臺(tái)。它提高了通訊的透明性、安全性和可靠性，使軟件的源代碼獨(dú)立于硬件，在航電系統(tǒng)迅速發(fā)展、不斷的升級(jí)換代的今天，多種通訊網(wǎng)絡(luò)逐步統(tǒng)一，基于虛通道的各種程序便于移植和代碼重用，減少了測(cè)試和認(rèn)證的代價(jià)，有利于新一代綜合化航電系統(tǒng)的研制。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 丁全心， 綜合模塊化航空電子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)述評(píng)[J]， 電光與控制， 2013，20（6）：1-3.

[2] 王國(guó)慶等. 新一代綜合化航空電子系統(tǒng)構(gòu)架技術(shù)研究[J]. 航空學(xué)報(bào)，2014，35（6）：1473-1485.

[3] STANAG NO.4626. MODULAR AND OPEN AVIONICS ARCHITECTURES PART I - Architecture [S]. NATO.MAS.STANAG.2005.

[4] STANAG NO.4626. MODULAR AND OPEN AVIONICS ARCHITECTURES PART II - SOFTWARE[S]. NATO.MAS.STANAG.2005.

[5] 翟正軍等， FC-AE-ASM 網(wǎng)絡(luò)的模糊可靠性研究[J]， 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2013，30（8）：2467-2469.