段海軍， 郭勇， 陳福

(1.沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所揚(yáng)州協(xié)同創(chuàng)新研究院有限公司, 揚(yáng)州 225006; 2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所, 西安 710119)

航空電子系統(tǒng)涵蓋了飛機(jī)的通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、飛行控制和管理等電子子系統(tǒng)，同時也包括這些系統(tǒng)間用于信息交換和資源共享的信息綜合系統(tǒng)，航空電子系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了分布式、聯(lián)合式、綜合化模塊化的階段[1-5]，現(xiàn)已進(jìn)入分布式綜合化模塊化的發(fā)展階段，即分布式綜合化模塊化航空電子系統(tǒng)(distributed integrated modular avionics，DIMA)。DIMA采用分布式系統(tǒng)架構(gòu)和高容錯的實(shí)時通信網(wǎng)絡(luò)，將分布于整個飛機(jī)范圍內(nèi)的分布式模塊化電子(distributed modular electronics，DME)相連接，為系統(tǒng)提供存儲、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)通信等功能[6-8]。

隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展，航空電子系統(tǒng)對平臺管理提出了更高的要求。云技術(shù)可以提高機(jī)載資源的利用率，同時提升軟件的復(fù)用能力。云技術(shù)整合了局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、整合技術(shù)、管理平臺技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等，組成資源池，按需使用，靈活便利。

航空電子云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)有：計(jì)算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化及平臺管理等技術(shù)。針對虛擬化技術(shù)，文獻(xiàn)[9-13]將航空電子云分為多層結(jié)構(gòu)，一般包括基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺服務(wù)層和應(yīng)用軟件層。資源管理技術(shù)目前研究針對負(fù)載均衡，文獻(xiàn)[14]提出一種邊緣計(jì)算環(huán)境下聯(lián)合云模型的任務(wù)處理方法HEELS，解決了任務(wù)高效部署的問題，促進(jìn)云邊各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡；文獻(xiàn)[15]提出了分布式在線優(yōu)化算法，通過時間解耦將多核并行云計(jì)算中復(fù)雜的資源調(diào)度問題解耦為處理器內(nèi)核的CPU時間分配和電壓配置、服務(wù)器之間以及服務(wù)器內(nèi)部不同處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)分發(fā)調(diào)度三個子問題分別同時優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算中心能源效率最高；文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一種基于EEMD方法和自回歸整合移動平均模型相結(jié)合的短期預(yù)測算法，解決突發(fā)非穩(wěn)定的資源需求；文獻(xiàn)[17]提出一種基于分布式架構(gòu)管理模式的延遲敏感在線負(fù)載分配與任務(wù)調(diào)度算法，其通過對云霧計(jì)算系統(tǒng)整體任務(wù)處理過程的優(yōu)化，降低云霧計(jì)算系統(tǒng)的任務(wù)服務(wù)延遲；文獻(xiàn)[18-19]提出一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的資源優(yōu)化分配策略構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)施響應(yīng)用戶負(fù)載動態(tài)變化。針對分布式存儲系統(tǒng)的研究，文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)一種面向多機(jī)協(xié)同的分布式航空云文件存儲系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航空計(jì)算存儲資源的跨機(jī)整合和海量數(shù)據(jù)的多機(jī)協(xié)同；文獻(xiàn)[21]將區(qū)塊鏈融入到端邊云架構(gòu)中，使多參與方之間進(jìn)行可信的數(shù)據(jù)交互。針對云平臺故障檢測的研究，文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)了云計(jì)算平臺故障檢測與恢復(fù)能力測評體系，用于評估云計(jì)算平臺。當(dāng)前航空電子(或嵌入式電子)云模型為概念模型，并沒有結(jié)合相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)一步細(xì)化，缺少對工程應(yīng)用的指導(dǎo)。本文結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對航空電子云模型進(jìn)一步細(xì)化，并從航空電子系統(tǒng)中資源虛擬化、平臺管理和應(yīng)用軟件接納等角度，對航空電子云模型進(jìn)行了研究。

現(xiàn)分析行業(yè)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(ARINC653標(biāo)準(zhǔn)和FACE標(biāo)準(zhǔn))，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)多層次架構(gòu)航空電子云；針對計(jì)算虛擬化、存儲虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化等關(guān)鍵的虛擬化技術(shù)提出具體的方案；結(jié)合工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)云平臺的平臺管理方案；最后對應(yīng)用軟件的接納展開研究。

1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 ARINC653標(biāo)準(zhǔn)

ARINC653是針對綜合化模塊化航空電子系統(tǒng)(integrated modular avionics, IMA)的需求而提出的一種多分區(qū)操作系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)。通過抽象的應(yīng)用運(yùn)行接口(APplication/EXecutive, APEX)保障應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)之間的松耦合，提高軟件的可重用性；時間/空間分區(qū)管理保障航空電子系統(tǒng)軟件相互獨(dú)立，避免軟件故障蔓延?；贏RINC653標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)如圖1所示。ARINC653通過內(nèi)存管理單元(memory management unit,MMU)保證空間分區(qū)的空間隔離，通過嚴(yán)格的時間周期輪轉(zhuǎn)調(diào)度訪問完成時間分區(qū)調(diào)度，在分區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級調(diào)度或者輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略。

圖1 基于ARINC653標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)Fig.1 Software architecture based on ARINC653 standard

一個分區(qū)是一個獨(dú)立的應(yīng)用環(huán)境，由數(shù)據(jù)、上下文關(guān)系、配置屬性和其他項(xiàng)組成，所有分區(qū)共享系統(tǒng)資源，分區(qū)的運(yùn)行要滿足時間和空間的要求。分區(qū)在時間調(diào)度上是固定的，按照調(diào)度算法預(yù)先確定，并按照固定周期重復(fù)執(zhí)行，而分區(qū)之間是沒有優(yōu)先級的。分區(qū)之間所占用的存儲空間是獨(dú)立，一個分區(qū)的執(zhí)行并不會影響到其他分區(qū)。

可將多個應(yīng)用軟件按照功能劃分為多個分區(qū)，一個分區(qū)可有一個或多個進(jìn)程。依據(jù)二進(jìn)制配置文件為分區(qū)分配執(zhí)行所需的時間資源和空間資源，從而保證每個應(yīng)用軟件擁有獨(dú)立的計(jì)算資源和存儲資源。分區(qū)操作系統(tǒng)可以配置不同的客戶操作系統(tǒng)(VxWorks、天脈、Windows、Linux)，從而保障了應(yīng)用軟件的多樣性和可移植性。

1.2 FACE標(biāo)準(zhǔn)

FACE標(biāo)準(zhǔn)是由開放組織(The Open Group)發(fā)布和管理的未來機(jī)載能力環(huán)境(future airborne capability environment, FACE)標(biāo)準(zhǔn),主要解決美軍航電軟件重用性和可移植性不高的問題，用于開發(fā)軟件通用操作環(huán)境開發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而在整個軍事航空界推進(jìn)軟件可移植性以及軟件產(chǎn)品線的建立。

基于分段的思想，將系統(tǒng)中的軟件劃分為5個段：可移植組件段(portable components segment, PCS)、特定平臺服務(wù)段(platform-specific services segment, PSSS)、傳輸服務(wù)段(transport services segment, TSS)、IO服務(wù)段(input/output services segment, IOSS)和操作系統(tǒng)段(operating system segment, OSS)。各段之間依據(jù)FACE標(biāo)準(zhǔn)定義的接口進(jìn)行銜接和數(shù)據(jù)交互[23-24]，如圖2所示。

圖2 FACE系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Face system architecture

可移植組件段由功能或業(yè)務(wù)邏輯的軟件組件組成，與硬件和傳感器無關(guān)。這些組件不與任何數(shù)據(jù)傳輸或操作系統(tǒng)綁定，以滿足可操作性和互操作的要求。可移植組件段可在任意不同的硬件計(jì)算平臺和軟件環(huán)境中部署，最多只需進(jìn)行重新編譯，或者軟件庫、編程語言運(yùn)行時需對庫以及應(yīng)用框架進(jìn)行重新鏈接。

傳輸服務(wù)段由通信服務(wù)組成，從軟件組件中抽象傳輸機(jī)制和數(shù)據(jù)訪問，便于將不同的傳輸機(jī)制集成到不同的體系結(jié)構(gòu)和平臺中。為可移植組件段和特定平臺服務(wù)段提供標(biāo)準(zhǔn)TS接口，負(fù)責(zé)可移植組件或特定平臺服務(wù)之間的數(shù)據(jù)分發(fā)。其功能包括但不限于軟件接口信息的分布和路由、優(yōu)先級、可尋址性、關(guān)聯(lián)、抽象、轉(zhuǎn)換和組件狀態(tài)持久性。傳輸服務(wù)段可用第三方傳輸組件實(shí)現(xiàn),包括DDS、CORBA。

特定平臺服務(wù)段由平臺通用服務(wù)、平臺設(shè)備服務(wù)和圖形服務(wù)組成。平臺通用服務(wù)由高級別的服務(wù)組成，包括日志服務(wù)、設(shè)備協(xié)議中間服務(wù)、流媒體、健康監(jiān)控、故障管理及配置管理組成。平臺設(shè)備服務(wù)負(fù)責(zé)平臺接口控制文件(interface control document,ICD)與FACE數(shù)據(jù)模型之間數(shù)據(jù)的管理和轉(zhuǎn)換，充當(dāng)平臺硬件設(shè)備的軟件抽象，消除PCS中平臺設(shè)備的可變性，為PCS提供數(shù)據(jù)和控制能力。圖形服務(wù)負(fù)責(zé)平臺的顯示管理，從軟件組件中抽象出GPU或其他圖形設(shè)備的接口。

IO服務(wù)段將供應(yīng)商提供的硬件設(shè)備驅(qū)動的接口進(jìn)行規(guī)范，為特定平臺服務(wù)段提供硬件和設(shè)備驅(qū)動的抽象接口，從而平臺服務(wù)段只需關(guān)注接口數(shù)據(jù)，而不需要關(guān)注硬件和設(shè)備驅(qū)動。用于隔離不同廠商驅(qū)動可能給特定平臺服務(wù)段軟件帶來影響，在廠商驅(qū)動發(fā)生變化時，只需修改對應(yīng)的IO服務(wù)組件即可。

操作系統(tǒng)段為其他各個段提供和控制對計(jì)算平臺和軟件環(huán)境的訪問。包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件運(yùn)行框架、編程軟件運(yùn)行框架、操作系統(tǒng)級健康監(jiān)控和故障管理、配置服務(wù)、外部網(wǎng)絡(luò)功能、生命周期管理等。操作系統(tǒng)段須支持分區(qū)，包括時間分區(qū)和空間分區(qū)；須支持POSIX和ARINC653。

2 航空電子云架構(gòu)

2.1 航空電子云概念模型

航空電子云通過高速交換網(wǎng)絡(luò)整合機(jī)內(nèi)所有電子模塊的計(jì)算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一分配、任務(wù)統(tǒng)一部署，如圖3所示。

圖3 航空電子云概念模型Fig.3 Avionics cloud conceptual model

將航空電子系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)平臺(硬件和平臺軟件)、核心處理系統(tǒng)平臺、飛機(jī)管理系統(tǒng)平臺、導(dǎo)航系統(tǒng)平臺、綜合顯示系統(tǒng)平臺、機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)平臺及其他子系統(tǒng)平臺的通過數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)對其硬件資源進(jìn)行整合，統(tǒng)一為各應(yīng)用軟件分配資源和部署軟件。各應(yīng)用軟件作為可移植組件不在固定的部署在某個子系統(tǒng)平臺上，可以部署在任意子系統(tǒng)的平臺上，應(yīng)用軟件共享航空電子系統(tǒng)計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源。

2.2 航空電子云層次結(jié)構(gòu)

依據(jù)商業(yè)云模型的系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合航空電子系統(tǒng)的特點(diǎn)將系統(tǒng)分為5層：物理資源層、本地資源管理層、資源虛擬化層、平臺管理層和應(yīng)用功能層，如圖4所示。

圖4 航空電子云層次結(jié)構(gòu)Fig.4 Avionics cloud hierarchy

物理資源包括飛機(jī)內(nèi)所有電子模塊的計(jì)算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源及其他資源，作為航空電子任務(wù)運(yùn)行的載體。

本地資源管理負(fù)責(zé)對電子模塊的資源管理和任務(wù)調(diào)度。其包括操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動、存儲驅(qū)動、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)級的健康監(jiān)控和故障管理及其他的操作系統(tǒng)組件。

資源虛擬將航空電子系統(tǒng)的資源虛擬成多個計(jì)算池、存儲池和網(wǎng)絡(luò)池，為應(yīng)用軟件提供運(yùn)行平臺。提供的服務(wù)有虛擬化存儲服務(wù)(分布式文件系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫)、虛擬化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、虛擬化計(jì)算服務(wù)。

平臺管理對計(jì)算池、存儲池和網(wǎng)絡(luò)池進(jìn)行管理，包括資源分配、平臺健康監(jiān)控和故障管理等。

應(yīng)用功能由一組組軟件功能構(gòu)件組成，執(zhí)行平臺通用服務(wù)功能或具體的航空電子任務(wù)，如GPS、雷達(dá)、火控管理、飛行控制、數(shù)據(jù)融合、遠(yuǎn)程通信和精確導(dǎo)航等。

2.3 FACE標(biāo)準(zhǔn)航空電子云系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

依據(jù)FACE分段的思想，結(jié)合航空電子云模型各組件功能和可移植性的特點(diǎn)，將其組件部署在FACE系統(tǒng)架構(gòu)不同的段內(nèi)，其航空電子云層次結(jié)構(gòu)與FACE標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 FACE標(biāo)準(zhǔn)的航空電子云Fig.5 Face standard avionics cloud

本地資源管理的任務(wù)調(diào)度、存儲資源管理及設(shè)備驅(qū)動軟件(操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動、存儲驅(qū)動、數(shù)據(jù)庫、OS級的健康監(jiān)控和管理管理及其他組件)部署于操作系統(tǒng)段內(nèi)，對本地設(shè)備的管理功能則部署于IO服務(wù)段中。

資源虛擬化的計(jì)算資源虛擬化功能部署于操作系統(tǒng)段中，由其對本地的計(jì)算資源進(jìn)行虛擬化，形成多個計(jì)算池，為應(yīng)用軟件提供獨(dú)立的計(jì)算平臺；存儲資源虛擬化功能部署于特定平臺服務(wù)段中的通用服務(wù)中，將存儲資源虛擬成多個存儲池，由分布式文件系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對存儲池的數(shù)據(jù)訪問，為每個應(yīng)用提供獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域；網(wǎng)絡(luò)虛擬化則部署于傳輸服務(wù)段，將網(wǎng)絡(luò)總線虛擬成網(wǎng)絡(luò)池組，為每個應(yīng)用提供獨(dú)有的網(wǎng)絡(luò)通信地址和通信資源。

平臺管理則部署于特定平臺段中通用服務(wù)中，對整個航空電子云進(jìn)行管理。

應(yīng)用功能層則根據(jù)軟件功能，提供平臺設(shè)備服務(wù)的部署于特定平臺段的設(shè)備服務(wù)中，提供平臺圖形服務(wù)的則部署于特定平臺段的圖形服務(wù)中，其他的部署在可移植組件段中。

2.4 航空電子云在分區(qū)操作系統(tǒng)中的部署

在航空電子云模型中，機(jī)內(nèi)的電子模塊上部署著符合ARINC653標(biāo)準(zhǔn)的分區(qū)操作系統(tǒng)。其航空電子云的平臺管理功能在每個模塊上的都有部署，并且獨(dú)占一個分區(qū)；虛擬化功能則在每個分區(qū)上都有部署，如圖6所示。模塊上的平臺管理功能負(fù)責(zé)對本模塊的資源管理和任務(wù)調(diào)度，同時通過高速網(wǎng)絡(luò)與其他模塊平臺資源管理功能進(jìn)行信息交互，協(xié)同完成航空電子云平臺的管理；虛擬化功能將分區(qū)內(nèi)的軟件所需計(jì)算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源虛擬成獨(dú)立運(yùn)行的資源，為分區(qū)內(nèi)應(yīng)用軟件的運(yùn)行提供平臺。

圖6 航空電子云在分區(qū)操作系統(tǒng)中的部署Fig.6 Deployment of avionics cloud in partitioned operating system

3 虛擬化技術(shù)

3.1 計(jì)算虛擬化

計(jì)算虛擬化將應(yīng)用軟件運(yùn)行所需要的處理器、內(nèi)存、NVRAM、FLASH等資源虛擬化，為每個應(yīng)用軟件提供獨(dú)立的計(jì)算平臺。利用ARINC653標(biāo)準(zhǔn)的分區(qū)操作系統(tǒng)的機(jī)制，時間分區(qū)將處理器資源虛擬成多個獨(dú)立的虛擬處理單元，空間分區(qū)將內(nèi)存、NVRAM、FLASH等資源劃分成獨(dú)立多個塊，為虛擬處理單元提供基本的運(yùn)行資源，如圖7所示。

圖7 航空電子系統(tǒng)的計(jì)算資源虛擬化Fig.7 Virtualization of computing resources in avionics systems

分區(qū)是嚴(yán)格按照時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的，當(dāng)一個分區(qū)的時間片消耗完畢后，不管分區(qū)任務(wù)是否完成，都會強(qiáng)制切換到下一個分區(qū)的程序。分區(qū)在時間內(nèi)獨(dú)占處理器的資源，則依據(jù)分區(qū)個數(shù)將處理器資源虛擬成多個虛擬處理單元，虛擬的處理單元在時間片內(nèi)運(yùn)行。ARINC653的分區(qū)操作系統(tǒng)將計(jì)算所需要的內(nèi)存、NVRAM和FLASH等資源劃分成許多小塊，通過MMU保障各小塊的空間的獨(dú)立性，為分區(qū)應(yīng)用軟件的運(yùn)行提供了所需的資源。一個虛擬處理單元及其對應(yīng)的內(nèi)存、NVRAM和FLASH等資源組成一個計(jì)算池。機(jī)內(nèi)所有電子模塊的計(jì)算池組成了航空電子云所需要的計(jì)算池組。

分區(qū)內(nèi)的客戶操作系統(tǒng)提供不同操作系統(tǒng)(包括VxWorks、天脈、Windows、Linux、翼輝等操作系統(tǒng))和應(yīng)用軟件所需要的接口庫，便于將運(yùn)行在不同操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件部署在航空電子云系統(tǒng)中。

計(jì)算資源的虛擬化利用了ARINC653標(biāo)準(zhǔn)的分區(qū)操作系統(tǒng)機(jī)制，既能保證關(guān)鍵任務(wù)的執(zhí)行，同時在分區(qū)內(nèi)提供了APEX接口，符合FACE標(biāo)準(zhǔn)對接口的要求。

3.2 存儲虛擬化

由于航空電子系統(tǒng)中存儲資源分布不均，只有部分電子模塊上擁有大容量存儲介質(zhì)，其他模塊需要通過分布式存儲方式存儲數(shù)據(jù)。將擁有大容量存儲介質(zhì)的模塊集中起來，形成存儲集群，通過分布式文件系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫，為各應(yīng)用軟件提供海量數(shù)據(jù)存儲和查詢的功能。每個計(jì)算池應(yīng)擁有獨(dú)立的存儲空間，通過分布式文件系統(tǒng)為計(jì)算池虛擬存儲空間，用以存儲數(shù)據(jù)；分布式數(shù)據(jù)庫為計(jì)算池提供快速查找和修改數(shù)據(jù)的能力。將集群中的存儲資源劃分為多個存儲塊，為每個計(jì)算池提供虛擬的存儲塊，以滿足應(yīng)用軟件對存儲的要求，如圖8所示。

圖8 虛擬存儲池Fig.8 Virtual storage pool

存儲集群中的大容量存儲模塊使用文件系統(tǒng)分區(qū)功能將大容量存儲器分割成多個存儲塊，為每個存儲塊依次分配文件系統(tǒng)的盤符。分布式文件系統(tǒng)的客戶端掛載(mount)服務(wù)器上的文件系統(tǒng)，服務(wù)器是以盤符為最小單位掛載單位，保障客戶端的存儲空間獨(dú)立性?？蛻舳藢⒎?wù)器的文件系統(tǒng)掛載到本地虛擬的C盤下，每個客戶端擁有自己獨(dú)立的C盤存儲空間，為應(yīng)用軟件提供數(shù)據(jù)存儲功能，如圖9所示。計(jì)算池需要共享文件時，可在客戶端增加虛擬盤符，用于掛接服務(wù)器上共享的文件盤符，多個計(jì)算池可訪問同一個文件。分布式文件系統(tǒng)客戶端對外提供標(biāo)準(zhǔn)的文件操作接口，符合FACE標(biāo)準(zhǔn)對接口的要求。

圖9 分布式文件系統(tǒng)原理Fig.9 Principle of distributed file system

分布式數(shù)據(jù)庫為航空電子云系統(tǒng)提供高效的數(shù)據(jù)檢索和修改能力。由存儲集群提供數(shù)據(jù)庫，為各個計(jì)算池提供分布式數(shù)據(jù)檢索和修改的服務(wù)。為提高數(shù)據(jù)的檢索速率，在每個計(jì)算池的內(nèi)存資源充足的情況，允許在內(nèi)存中存儲數(shù)據(jù)庫的副本(部分或全部副本)，如圖10所示。

圖10 分布式數(shù)據(jù)庫原理Fig.10 Principle of distributed database

分布式數(shù)據(jù)庫客戶端的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫管理解析應(yīng)用軟件命令，判斷本地是否有副本，如果有則訪問本地的副本，否則訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器的主本；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫管理提供遠(yuǎn)程訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的主本能力，并保持主副本的數(shù)據(jù)同步。分布式數(shù)據(jù)庫服務(wù)器響應(yīng)客戶端的數(shù)據(jù)庫訪問請求，并時刻與客戶端的副本數(shù)據(jù)保持同步；提供訪問控制功能，檢查用戶的身份，用戶只能訪問已授權(quán)的數(shù)據(jù)庫。使用數(shù)據(jù)庫的訪問控制功能可以使每個計(jì)算池?fù)碛凶约邯?dú)立的數(shù)據(jù)庫，同時又可以共享部分?jǐn)?shù)據(jù)庫。

3.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化將物理網(wǎng)絡(luò)資源(包括FC、1553B、模擬量、離散量、RS422等通信總線或網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行抽象形成虛擬網(wǎng)卡(網(wǎng)絡(luò)池)，滿足各計(jì)算池對網(wǎng)絡(luò)資源的分割，如圖11所示。在航空電子系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)由主通信網(wǎng)絡(luò)(FC網(wǎng)絡(luò))和特有通信網(wǎng)絡(luò)或總線組成，其中大部分設(shè)備通過FC網(wǎng)絡(luò)相連接，組成主通信網(wǎng)絡(luò)，部分設(shè)備通過特有通信資源(模擬量、離散量、1553B等)與主網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相連，組成了覆蓋全航空電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),其虛擬化網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)如圖12所示。

圖11 網(wǎng)絡(luò)虛擬化Fig.11 Network virtualization

圖12 虛擬化網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)Fig.12 Virtualized network architecture

虛擬網(wǎng)卡為計(jì)算池提供了數(shù)據(jù)交換的服務(wù)，其中包括數(shù)據(jù)通信服務(wù)、發(fā)布/訂閱服務(wù)、QOS服務(wù)等，如圖13所示。虛擬網(wǎng)卡為應(yīng)用軟件提供了符合FACE標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，應(yīng)用軟件通過TS接口訪問虛擬網(wǎng)卡，可以接收或發(fā)送任意總線的數(shù)據(jù)。虛擬化網(wǎng)卡將應(yīng)用軟件和物理總線進(jìn)行邏輯隔離，應(yīng)用軟件并不需要關(guān)心數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂胶臀锢砜偩€，僅需關(guān)注數(shù)據(jù)內(nèi)容，降低了應(yīng)用軟件與部署模塊的耦合度，增強(qiáng)了軟件的移植性。

圖13 虛擬交換Fig.13 Virtual switch

虛擬網(wǎng)絡(luò)支持?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)布訂閱，發(fā)布方的應(yīng)用軟件通過虛擬網(wǎng)卡發(fā)布主題數(shù)據(jù)，虛擬交換網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)路由到所有訂閱方的虛擬網(wǎng)卡，訂閱方的應(yīng)用軟件通過虛擬網(wǎng)卡收取主題數(shù)據(jù)。為保證虛擬網(wǎng)路數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)時性，虛擬網(wǎng)絡(luò)支持QOS服務(wù)，提供了可靠傳輸、截止期、時間過濾、存活性等服務(wù)質(zhì)量。

數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱關(guān)系表建立了主題發(fā)布方和訂閱方的關(guān)系，格式如表1所示。

表1 發(fā)布訂閱關(guān)系表Table 1 Publish subscribe relationship table

系統(tǒng)動態(tài)建立的發(fā)布訂閱關(guān)系，在應(yīng)用軟件使用虛擬網(wǎng)卡發(fā)布主題時，將虛擬網(wǎng)卡的地址和主題信息存儲在本地的發(fā)布訂閱關(guān)系表中；訂閱主題時，向虛擬網(wǎng)絡(luò)中廣播訂閱的主題和網(wǎng)卡地址；虛擬交換機(jī)的發(fā)布訂閱關(guān)系維護(hù)功能接收到訂閱主題時，查找本地的發(fā)布訂閱關(guān)系表中是否有發(fā)布的主題，在主題和QOS一致的情況下，將訂閱者的通信地址在發(fā)布訂閱關(guān)系表中更新。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由接收到應(yīng)用軟件發(fā)布的主題數(shù)據(jù)時，依據(jù)發(fā)布訂閱關(guān)系表獲取所有訂閱者的網(wǎng)絡(luò)地址，將其主題數(shù)據(jù)發(fā)送給所有的訂閱者。

每個計(jì)算池?fù)碛幸粋€虛擬網(wǎng)卡，每個網(wǎng)卡擁有一個獨(dú)立的通信地址，計(jì)算池依據(jù)網(wǎng)卡的通信地址進(jìn)行通信，虛擬交換機(jī)依據(jù)數(shù)據(jù)路由配置表對其數(shù)據(jù)路由，實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)及模塊間計(jì)算池的數(shù)據(jù)通信，其數(shù)據(jù)路由配置表如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)路由配置表Table 2 Data routing configuration table

針對航空電子系統(tǒng)的通信資源分布不均的特點(diǎn)，虛擬交換機(jī)支持對本節(jié)點(diǎn)特有通信資源(除主通信網(wǎng)絡(luò)之外的資源)的管理，虛擬交換機(jī)從內(nèi)存或主通信網(wǎng)絡(luò)中訂閱需要通過本模塊特有通信資源發(fā)送的主題數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過對應(yīng)的物理總線發(fā)送；從總線上收取數(shù)據(jù)，并在內(nèi)存或主通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布相關(guān)主題數(shù)據(jù)。依據(jù)物理鏈路配置表管理主題與總線的對應(yīng)關(guān)系，在主題數(shù)據(jù)物理傳輸路徑發(fā)生變化時，只需修改主題與總線的對應(yīng)關(guān)系。

物理鏈路配置表管理著主題數(shù)據(jù)與實(shí)際物理鏈路的對應(yīng)關(guān)系，格式如表3所示。物理鏈路配置表是由系統(tǒng)開發(fā)人員靜態(tài)配置，虛擬交換機(jī)的特有設(shè)備管理器在系統(tǒng)加電后，訂閱物理鏈路配置表中的發(fā)送主題，發(fā)布物理鏈路配置表中的接收主題；在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，將訂閱到的主題數(shù)據(jù)依據(jù)物理鏈路配置表中主題對應(yīng)的物理鏈路和參數(shù)，通過相應(yīng)的總線發(fā)送數(shù)據(jù)；從主題對應(yīng)的物理鏈路上接收主題數(shù)據(jù)，并將其通過虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)布主題數(shù)據(jù)。

表3 物理鏈路配置表Table 3 Physical link configuration table

在航空電子云模型中，一個計(jì)算池對應(yīng)一個分區(qū)，計(jì)算池只有一個虛擬網(wǎng)卡。分區(qū)操作系統(tǒng)的時間分區(qū)機(jī)制保證虛擬網(wǎng)卡對FC網(wǎng)絡(luò)的訪問時間，不受其他虛擬網(wǎng)卡的影響，有效的對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行分割，保證了虛擬網(wǎng)卡的獨(dú)立性。

4 平臺管理技術(shù)

4.1 平臺管理架構(gòu)

航空電子云系統(tǒng)的平臺管理分為兩級，系統(tǒng)級和模塊級，系統(tǒng)級平臺管理部署在某個電子模塊上負(fù)責(zé)航空電子云系統(tǒng)平臺的管理，模塊級平臺管理在每個電子模塊上均有部署，負(fù)責(zé)電子模塊的管理，模塊級平臺管理接受系統(tǒng)級的統(tǒng)一管理，如圖14所示。

圖14 平臺管理架構(gòu)Fig.14 Platform management architecture

模塊級平臺管理負(fù)責(zé)本模塊計(jì)算池的資源分配、任務(wù)調(diào)度、健康監(jiān)控和故障管理；系統(tǒng)級平臺管理通過與模塊級的信息交互，獲取系統(tǒng)所有計(jì)算池的資源、任務(wù)和健康情況，統(tǒng)一為應(yīng)用軟件調(diào)度和分配航空電子云平臺中的資源。

為避免系統(tǒng)級平臺管理失效導(dǎo)致云平臺失控，系統(tǒng)級平臺管理采取了主從熱備份的方式。主系統(tǒng)級平臺管理擁有平臺的控制權(quán)；從系統(tǒng)級平臺管理只能獲取平臺的資源信息，并沒有平臺的控制權(quán)。從系統(tǒng)級平臺管理實(shí)時監(jiān)控主系統(tǒng)級平臺管理的狀態(tài)，在主系統(tǒng)級失效后，從系統(tǒng)級切換為主系統(tǒng)級平臺管理，接管系統(tǒng)平臺的控制權(quán)。主系統(tǒng)級和從系統(tǒng)級平臺管理應(yīng)部署在不同子系統(tǒng)中，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

4.2 資源管理

航空電子云平臺提供了多個具有一定資源的計(jì)算池，在部署應(yīng)用軟件時依據(jù)軟件所需資源情況，選擇合適的計(jì)算池運(yùn)行應(yīng)用軟件。系統(tǒng)開發(fā)人員為計(jì)算池的分配資源，形成計(jì)算池信息表，如表4所示。

表4 計(jì)算池信息表Table 4 Compute pool information table

系統(tǒng)初始化時依據(jù)計(jì)算池信息表創(chuàng)建計(jì)算池，并為其分配存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源。各模塊的平臺管理軟件依據(jù)計(jì)算池表中本模塊的計(jì)算池的資源為其創(chuàng)建計(jì)算池(分區(qū))，分配內(nèi)存、NVRAM、FLASH等資源，計(jì)算池啟動時掛載遠(yuǎn)程的存儲器和數(shù)據(jù)庫，如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)初始化流程Fig.15 System initialization process

計(jì)算池的操作系統(tǒng)既是ARINC653標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的分區(qū)操作系統(tǒng)；計(jì)算資源的大小是由本模塊的處理能力乘以計(jì)算池在本模塊運(yùn)行的時間比，依據(jù)計(jì)算資源的大小，分配分區(qū)調(diào)度表中，每個分區(qū)的時間片，將分區(qū)時間片在總時間框內(nèi)的占比達(dá)到對計(jì)算池處理能力的要求；內(nèi)存、NVRAM、FLASH等資源則是由ARINC653標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的配置工程進(jìn)行劃分，依據(jù)所需要資源的大小，為本模塊上每個計(jì)算池在配置工程里分配合符合要求的物理空間。在配置ARINC653標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的配置時，依據(jù)計(jì)算池中的信息進(jìn)行靜態(tài)配置。計(jì)算池的創(chuàng)建則利用操作系統(tǒng)創(chuàng)建分區(qū)的功能，操作系統(tǒng)創(chuàng)建分區(qū)和啟動分區(qū)既是完成了計(jì)算池的創(chuàng)建和啟動。

存儲集群中的大容量存儲模塊依據(jù)計(jì)算池中信息，初始化本地的文件系統(tǒng)并按照其存儲大小和盤符要求將其分區(qū)，并完成分布式文件系統(tǒng)服務(wù)器端的初始化。計(jì)算池在初始化分布式文件系統(tǒng)的客戶端時使用MOUNT協(xié)議掛載所對應(yīng)的大容量存儲模塊的設(shè)備盤，為本計(jì)算池創(chuàng)建虛擬的存儲盤。大容量存儲模塊依據(jù)計(jì)算池信息表中的創(chuàng)建本地?cái)?shù)據(jù)庫，并初始化分布式數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器端；計(jì)算池在初始化時完成分布式數(shù)據(jù)庫客戶端的初始化。

系統(tǒng)級平臺管理軟件在接收到應(yīng)用軟件時，依據(jù)應(yīng)用軟件對計(jì)算資源、操作系統(tǒng)、NVRAM等資源的需求，從未使用的計(jì)算池中查找符合要求的計(jì)算池。在找到合適的計(jì)算池時，將應(yīng)用軟件映像發(fā)送給相應(yīng)的模塊級平臺管理軟件，由模塊級平臺管理軟件使用分區(qū)的動態(tài)加載技術(shù)，將應(yīng)用軟件加載到相應(yīng)的計(jì)算池中，完成應(yīng)用軟件的加載和啟動。系統(tǒng)級平臺管理將已分配出的計(jì)算池的使用標(biāo)志設(shè)置為已使用。應(yīng)用軟件在啟動過程中，使用TS接口發(fā)布主題和訂閱主題，在計(jì)算池中創(chuàng)建虛擬網(wǎng)卡，啟動后則可以與其他系統(tǒng)或者應(yīng)用軟件進(jìn)行通信。

4.3 健康監(jiān)控

健康監(jiān)控負(fù)責(zé)對計(jì)算池、網(wǎng)絡(luò)池和存儲池等資源的健康情況進(jìn)行監(jiān)控。模塊級健康監(jiān)控負(fù)責(zé)對模塊內(nèi)資源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；系統(tǒng)級健康監(jiān)控負(fù)責(zé)對航空電子云平臺資源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。健康監(jiān)控的軟件架構(gòu)如圖16所示。

圖16 健康監(jiān)控軟件架構(gòu)Fig.16 Health monitoring software architecture

模塊級健康監(jiān)控的方式有BIT(自檢測)、OS級健康監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)檢測、電壓檢測和狀態(tài)集采等方式。BIT檢測電子模塊的CPU、內(nèi)存、NVRAM、FLASH等資源；網(wǎng)絡(luò)檢測負(fù)責(zé)檢測通信網(wǎng)絡(luò)或總線資源，包括FC網(wǎng)絡(luò)、RS422、1553B、模擬量、離散量等資源；狀態(tài)采集監(jiān)控模塊的模塊、光電收發(fā)器的功率、及模塊的電流電壓等；OS-HM負(fù)責(zé)監(jiān)控本模塊所有計(jì)算池(分區(qū))的異常信息。在BIT、網(wǎng)絡(luò)檢測和狀態(tài)采集發(fā)現(xiàn)故障后，則該模塊的上所有計(jì)算池故障；OS-HM監(jiān)測到某個計(jì)算池故障，則為單個計(jì)算池故障。

系統(tǒng)級健康監(jiān)控通過查詢模塊級健康監(jiān)控的生命消息和收集其故障信息監(jiān)控平臺的健康狀態(tài)。系統(tǒng)級健康監(jiān)控周期性的向模塊級健康監(jiān)控發(fā)送查詢生命消息的命令，在規(guī)定的時間內(nèi)沒有接收到模塊級健康監(jiān)控回復(fù)的生命消息，則認(rèn)為該模塊上的所有計(jì)算池故障；模塊級健康監(jiān)控在監(jiān)測到本模塊計(jì)算池故障后，將其故障信息上報(bào)給系統(tǒng)級健康監(jiān)控。系統(tǒng)級健康監(jiān)控監(jiān)測到某個計(jì)算池故障后，則將計(jì)算池信息表中該計(jì)算池的狀態(tài)設(shè)置為故障。

4.4 故障管理

故障管理在接收到健康監(jiān)控檢測到故障信息后，負(fù)責(zé)對該故障進(jìn)行處理，如圖17所示。對本模塊內(nèi)計(jì)算池的故障處理，無法處理的故障則上報(bào)給系統(tǒng)級故障處理；系統(tǒng)級故障管理負(fù)責(zé)對平臺所有的故障進(jìn)行處理。模塊級故障管理有OS級故障處理、故障信息記錄等；系統(tǒng)級故障管理有應(yīng)用軟件遷移、故障信息記錄等。

圖17 故障管理Fig.17 Fault management

OS-FM提供豐富的故障處理動作，包括分區(qū)重啟、分區(qū)掛起、任務(wù)重啟等，可以用于對計(jì)算池故障進(jìn)行處理；故障信息記錄將系統(tǒng)所產(chǎn)生的故障以故障日志的形式記錄在系統(tǒng)中，便于系統(tǒng)維護(hù)人員解析故障，維護(hù)系統(tǒng)；在某個計(jì)算池故障，無法繼續(xù)承擔(dān)計(jì)算任務(wù)后，將其應(yīng)用軟件遷移到其他計(jì)算池中繼續(xù)運(yùn)行。

應(yīng)用軟件在遷移時，由系統(tǒng)級故障管理向故障計(jì)算池所在的模塊級故障管理發(fā)送計(jì)算池掛起命令；模塊級故障管理將該計(jì)算池掛起；系統(tǒng)級管理管理從計(jì)算池信息表中查找符合應(yīng)用軟件需求的、未使用的計(jì)算池，將應(yīng)用軟件加載到新計(jì)算池中。為保證任務(wù)執(zhí)行的連續(xù)性，在計(jì)算池啟動后，掛載原計(jì)算池的存儲空間和數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用軟件遷移工作原理如圖18所示。

圖18 應(yīng)用軟件遷移原理圖Fig.18 Schematic diagram of application software migration

4.5 其他管理功能

航空電子云系統(tǒng)提供日志管理功能和配置管理功能。日志管理功能記錄系統(tǒng)中的事件、故障信息及應(yīng)用軟件部署情況，模塊級日志管理功能將本模塊內(nèi)的日志信息記錄在本地的NVRAM中，系統(tǒng)級日志管理功能將系統(tǒng)的日志信息記錄在大遠(yuǎn)程的大容量存儲模塊上。日志管理功能便于系統(tǒng)開發(fā)人員分析平臺的運(yùn)行情況，依據(jù)日志信息快速的定位故障。

配置管理功能可配置計(jì)算池的運(yùn)行的應(yīng)用軟件。對于某些對特定通信資源實(shí)時性要求高的應(yīng)用軟件，可以使用配置管理功能將其固定部署在具有相應(yīng)資源模塊的計(jì)算池中運(yùn)行。其他應(yīng)用軟件則由平臺的資源管理根據(jù)系統(tǒng)情況部署應(yīng)用軟件。

5 應(yīng)用軟件接納

航空電子云系統(tǒng)未提供虛擬化操作界面，用戶無法通過界面操作選擇所需的資源、部署和運(yùn)行應(yīng)用軟件。用戶需將應(yīng)用軟件所需資源、軟件映像、數(shù)據(jù)庫及其他特殊需求提供給系統(tǒng)開發(fā)人員。系統(tǒng)開發(fā)人員依據(jù)應(yīng)用軟件所需的資源生成應(yīng)用軟件需求表，其內(nèi)容如表5所示。

表5 應(yīng)用軟件需求表Table 5 Application software requirement table

系統(tǒng)開發(fā)人員將應(yīng)用軟件需求表、計(jì)算池信息表、軟件映像、數(shù)據(jù)庫及其他文件通過FTP上傳給航空電子云平臺的某個大容量存儲模塊上。平臺的系統(tǒng)級資源管理功能從服務(wù)器中獲取相關(guān)文件，對平臺資源是否滿足應(yīng)用軟件需求進(jìn)行檢查，在不滿足的情況下，通過串口打印或其他方式提醒系統(tǒng)開發(fā)人員。系統(tǒng)開發(fā)人員對計(jì)算池信息表進(jìn)行調(diào)整，以滿足應(yīng)用軟件的需求。應(yīng)用軟件接納的過程如圖19所示。

圖19 應(yīng)用軟件接納原理Fig.19 Application software acceptance principle

平臺的系統(tǒng)級資源管理功能確認(rèn)平臺資源能夠滿足應(yīng)用軟件的需求，則應(yīng)用軟件被接納，否則不被接納。在應(yīng)用軟件被接納后，資源管理功能首先查找由特殊需求的應(yīng)用軟件，為其分配計(jì)算池，然后為其他的應(yīng)用軟件分配計(jì)算池。平臺級資源管理功能將其計(jì)算池的分配信息傳送給各模塊級資源管理功能，由各模塊級資源管理功能獲取軟件映像，并加載到相應(yīng)的計(jì)算池中，啟動應(yīng)用軟件。

6 結(jié)論

結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工程經(jīng)驗(yàn)，對航空電子云模型進(jìn)行了研究。

(1)分析了航空電子領(lǐng)域的ARINC653標(biāo)準(zhǔn)和FACE標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了航空電子云模型。

(2)研究了虛擬化技術(shù)，設(shè)計(jì)了計(jì)算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化的方案。

(3)討論了平臺管理技術(shù)，設(shè)計(jì)了航空電子云系統(tǒng)的資源管理、健康管理和故障處理的方案。

后續(xù)計(jì)劃針對航空電子云存儲、服務(wù)器的負(fù)載均衡等技術(shù)進(jìn)一步研究。