外軍軟件通信體系結構規范

朱嬌 祝頌東 阮軼杰

（1.31131 部隊 江蘇省南京市 210000 2.陸裝駐南京地區第一軍代室 江蘇省南京市 211101）

（3.上海美多通信設備有限公司 上海市 200333）

1 背景

美國國防部進行的聯合戰術無線電系統（JTRS)是世界上最先進的戰術無線通信系統之一，為美軍的現役戰術電臺系統，它是一種軟件可編程的模塊化通信系統，能與多種傳統波形互通，可提供C4ISR 能力的、可擴縮的大容量戰術電臺系列。JTRS 建立在通用開放體系結構上，是保密的、即插即用的，JTRS 具有可現場配置的模塊式硬件和波形軟件，具有自動網絡尋址和分配帶寬的能力，基本工作頻段為2 ～2000MHz，能傳話音、視頻和數據。JTRS 通過循序漸進的方式部署，逐步取代了傳統的系統，自身易于升級和改進。

JTRS 的實施分為三個階段：

1.1 體系結構定義階段

為滿足1997年美聯合戰術無線電臺《任務需求說明》中確立的聯合通信要求，JTRS 聯合計劃辦公室將JTRS 實施的第一階段任務確立為通信體系結構定義，美國雷聲、摩托羅拉和波音公司被分別指派了定義軟件通信體系結構的任務，于1999年6月完成了該階段的工作。最終雷聲公司提供的“軟件通信體系結構（SCA: Software Communications Architecture)w，由聯合戰術無線電系統（JTRS)聯合計劃辦公室頒布。

1.2 SCA的開發和驗證階段

該階段具體劃分為2A、2B 和2C 三個階段。

2A 階段的主要工作是開發和驗證已經確立的SCA，包括顯示模型的開發。該階段中雷聲、ITT、羅科韋爾和BAE 系統公司均開發了基于SCA 的車載、艦載或機載的樣機。

2B 階段主要驗證SCA 擴縮性、波形因素效應及可選波形的開發。哈里斯公司的AN/PRC-117F 電臺，能夠提供一種單一的通信平臺，將過去需要使用三種不同電臺分別實現和空中聯絡官、飛行員和陸軍支援部隊通話的通信功能綜合為一體。在“蟒蛇行動”中廣泛應用于空軍和海軍請求近距離空中支援。

2C 階段工程于2000年7月開始實施，著重驗證SCA 在組網和加密方面有關的問題，理解多信道電臺同時工作時的復雜性。

1.3 競標采購階段

該階段的目標是采購約18 萬部符合SCA 的JTRS 電臺，以取代美軍四個軍種現裝備的型號雜亂且不互通的戰術電臺。

2 SCA概述

軟件通信體系結構規范建立了一個可實現的、獨立的框架結構，該結構中包含了聯合戰術無線電系統中的軟件可配置電臺的最基本要求。這些要求包括了接口規范，應用程序接口(APIs)，性能規范以及一些規則。該規范的目的就是保證軟、硬件的可移植性和可配置性，同時保證釆用該規范開發的產品之間的互操作性。

SC 重點包括軟件體系結構、硬件體系結構和安全體系結構三方面的內容。在與可重用性有關的方面，SCA 進行了非常精確的定義，而對于一些具有特定使用要求的方面，它只進行一般性的定義。

對于硬件來說，在不同的領域里，物理上的和應用環境上的差別非常大，因而對于所有的實現來說不可能達到物理上的兼容性。然而，可以利用面向對象的方法來描述硬件，把硬件表示成硬件類，所有的可能的系統實現都包含在一個單獨的框架里。這個框架擁有一些屬性（也就是行為和接口），可以在不同的實現中應用。

軟件的體系結構廣泛利用了對象模塊，它的定義主要在核心框架中。核心框架是整個系統操作環境的一部分。由體系結構對軟件發展的制約是在接口和軟件結構方面，而不是在功能的實現上。這樣，一些具有知識產權的設計不但可以得到保護，并且能夠在體系結構的其它實現中的被廣泛地重復利用。SCA 允許使用硬件或軟件來實現某個特定的功能。

圖1 說明了SCA 的概念以及它在具體平臺的實現。硬件定義停留在SCA 框架的層次上，軟件定義可以直接深入到具體實現中，這是由于軟件具有硬件無關的特性。有一些特殊的要求如尺寸、重量和功耗等限制了軟件對象的直接應用。然而，即使在這些情況下，在軟件、固件建模以及仿真過程中所獲得的可重用性仍然可以大大減少實現的耗費，并且縮短研制周期。

3 軟件體系結構

軟件體系結構定義了一個操作環境，它包括核心框架服務和基礎設施軟件，如板級驅動、網絡協議棧和串行接口服務、操作系統和服務以及CORBA 中間件服務等。該軟件結構是釆用軟件通信體系結構實現波形時的一種典型劃分。圖2 為軟件體系結構圖。

軟件體系結構要能適用大多數工業總線體系結構，并支持可靠的傳輸機制。可選擇的總線有VME、PCI、CompactPCI, Firewire (IEEE-1394)、Ethernet 等，允許在非信息安全（紅）和信息安全（黑）的子系統中使用不同的總線體系結構。

圖1：體系結構框架及其與實現之間的關系

圖2：軟件體系結構

圖3：硬件體系結構框架

軟件體系結構支持多個不同的串行和網絡接口，如RS232, RS422, RS423, RS485, Ethernet, 802.x 等。對應這些接口，可采用不同的低層次網絡協議，如PPP, SLIP, CSLIP, LAPx 等。

軟件體系結構采用一個嵌入式操作系統來為核心應用軟件和非核心的波形處理、網絡應用軟件提供多進程、多線程的支持。為了實現核心及非核心應用軟件的可移植性，體系結構需要一個提供給操作系統服務的操作系統接口。

核心框架是一些基本的開放的應用層接口和服務，通過這些接口和服務來為軟件設計者提供底層軟、硬件的一個抽象。

圖4：硬件安全要素示意圖

應用程序執行用戶通信的功能，這些功能包括調制解調層的數字信號處理、鏈路層的協議處理、網絡層的協議處理、網絡的路由功能、外部的輸入/輸出接口、安全及嵌入式應用等。應用程序必須使用核心框架的接口和服務。應用層中還包括支持非CORBA 組件的適配程序。

由上述可見，軟件體系結構關鍵要點是：盡量使用標準的協議和產品；利用多層開放的軟件結構把核心和非核心應用程序與底層的硬件隔離開來；利用CORBA 技術提供一個分步式處理環境，從而實現軟件的可移植性、再重用性和可擴展性。

4 硬件體系結構

SCA 通過面向對象的方法對硬件結構進行了劃分，具體為硬件體系結構中硬件類及子類的對象構成的層次關系，如圖3 所示。

硬件類結構用于描述硬件是如何按照規范來實現的。通過面向對象的方法可使硬件結構能適用于各種不同的領域（如手持式，背負式，車載式，機載式和艦載/固定臺式）。頂層硬件類與頂層的硬件功能相對應。頂層的硬件類可細化為與次層的硬件功能相對應的子類。由類或子類相關聯的屬性來描述各類或子類對系統特征和性能的影響。

模塊的實現必須滿足JTRS 對硬件可重用性、可擴展性和可擴充性要求。隨著可編程能力和可編程的硬件技術的發展，功能實現從完全依靠硬件逐漸過渡到主要以軟件應用來實現硬件功能。

功能的實現依賴于硬件內含功能和軟件功能的相互結合，由此，圖3 所示的硬件模塊類框架中包括了可編程的功能類（處理器）和其它有內含功能的類。

為滿足將來發展的需要，硬件結構類應具有可擴展性，即硬件類都能被擴展，以進一步增加性能，這可以通過增加新的類或在已有的類中增加新的屬性來實現。這樣既為硬件的定義提供統一的結構，同時具備內在的靈活性，以滿足新的功能或波形的需求，同時支持軟硬件性能進一步發展。

5 安全體系結構

SCA 系統結構至少要有一條獨立的紅邊總線和一條獨立的黑邊總線，黑邊部分處理不需保密的信息或已加密的保密信息；紅邊部分則處理未經加密的保密信息。紅邊和黑邊之間通過加密子系統隔離。系統需要提供加密之外的信息安全，將通過生成獨立的監測和防護措施功能以保證軟件的正確使用和訪問控制，或者綜合利用硬件和運行在紅邊或黑邊處理器上的軟件平臺來保證安全性。設備級安全包括電磁輻射防護、物理防護和電子防護三個方面。

硬件安全方面的要素包括可編程的信息安全、可編程的傳輸安全和密鑰注入處理器，如圖4 所示。

圖4 遵循SCA 的硬件體系結構，紅邊部分的信息未經過保密處理，黑邊部分的信息則經過了安全處理，兩部分通過安全模塊進行信息交互。

系統的軟件體系結構允許對現有軟件進行復用，集成標準軟件模塊如PCI 通用總線軟件，以保持一個靈活的，具有友好用戶界面的系統。那么對于軟件來說，必須考慮三個方面的安全要素：軟件防護；具有標準接口的專用保密模塊控制軟件；可靠的操作系統和CORBA 訪問控制。

可編程模塊化通信系統必須支持多級安全結構，即系統可以與工作在不同安全級別的系統同時進行通信。系統需要為不同的級別的數據提供儲存、路由選擇和控制的服務，具體實現方法是在數據上進行“標注”來區分不同的安全級別。系統安全要求有相應的密鑰管理體制，并需要考慮商用現貨的安全性。

6 小結

在不斷擴展的美國軍事轉型技術計劃中，JTRS 計劃將美軍使用的多種單一功能的無線電臺合并成一個聯合的可互通的電臺系列，從而將促進美軍通信裝備向保密、多頻段、多模式軟件電臺方向的變革。

JTRS 計劃對于我軍通信裝備的發展具有重要的借鑒價值，因此充分理解其SCA 規范，并在此基礎上進行系統設計、波形開發和驗證模型的研制是十分必要的。