基于IMA平臺的機載虛通道通信技術研究

吳姣 戴小氐 崔西寧 張亦姝

【摘要】? ? 針對綜合化航電對機載網絡通信提出的新要求，通過研究ASAAC中關于軟件和通信的相關技術，按照機載應用的使用需求，設計并實現了一種虛通道通信技術，將網絡介質、傳輸協議、操作系統等與應用任務解耦，在滿足實時性和安全性的同時，提高了通信的透明性，為系統管理和應用任務提供了統一的通信平臺，并基于FC網絡進行了測試與驗證。在某飛機的航電系統中得到了應用，功能和性能指標滿足系統設計需求。

【關鍵詞】? ? 綜合化航電? ? 虛通道? ? ASAAC? ? FC

引言

航空電子系統在幾十年的發展演變中，經歷了一個從分立式、混合式、聯合式到高度綜合化的過程[1]。綜合化是下一代航空電子發展的靈魂和核心，它將整個航空電子系統進行了整體的優化設計，減少壽命周期成本，改進任務性能和操作性能，硬件模塊的種類和數量減少，通信網絡進一步統一，軟件也根據功能和需求被配置到通用功能模塊上，在進行模式切換和容錯重構時，任務可以根據系統資源配置遷移到不同的模塊。顯然，這對通信協議提出了進一步的要求，本文介紹的虛通道通信協議，便是一種適用于綜合化航電系統，具有安全性、實時性的平臺無關的通訊協議。

一、系統架構

綜合化模塊化航空電子系統IMA（Integrated Modular Avionics）是為了適應航空電子系統數字化、模塊化、通用化、綜合化和軟件化的發展趨勢，所研制的新一代航空電子系統的總稱。IMA系統應是由IMA核心系統和非核心設備組成的完整系統。IMA核心系統應是由一個或一系列集成機架組成的航空電子系統，該集成機架包含一組標準CFM，通過統一網絡互連，執行獨立于硬件的可重用的功能應用、操作系統和系統管理軟件[2]。

機載航電系統通信方式的發展，經歷了二代機的ARINC429總線、三代機的1553B總線，FC、AFDX等網絡，極大的提高了機載網絡系統的通信帶寬和傳輸可靠性，而且采用星形的網絡拓撲結構，便于機載設備靈活的組網和重構，因此在新一代戰斗機航電系統中得到了廣泛應用。

綜合核心處理機（ICP）處于某重點型號航空電子系統中的任務系統核心處理功能區，采用綜合化、模塊化、開放式的IMA體系架構。

二、通信協議

目前ARINC429、1553B總線、FC、1394、AFDX等的通信協議棧，沒有統一的標準接口，造成應用軟件的實現方式和硬件設備緊耦合，軟件的可移植性較差。同時由于新一代飛機采用綜合化航電技術，機載計算和網絡平臺都統一化，應用軟件和平臺軟件分離，所以對實現統一的機載網絡通信協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的可靠性，增強飛機的生存和任務能力，提出了容錯重構的需求，進一步要求實現應用軟件的動態部署，網絡拓撲動態變化，通信配置動態調整等功能。所以需要研制一種新型的、滿足新一代戰斗機綜合化航電要求的通信協議。

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

2.1虛通道

虛通道是一種平臺無關的通信協議，使應用軟件獨立于傳輸介質。對用戶屏蔽了系統結構的復雜性和硬件設備的多樣性，使應用程序在一個完全邏輯的空間中運行，使開發人員集中精力在應用功能上。同時，對于應用而言，底層的硬件設備透明，便于應用的移植和代碼重用，符合軟件模塊化設計思想，當硬件升級或者結構發生變化時，應用程序可以和新系統無縫連接。

虛通道通信協議特性如下：1）單向性;2）面向消息（即一個VC只傳輸一個定義的消息）;3）由操作系統管理（建立、刪除、路由）;4）時間和資源消耗可預測;5）一個發送者對一個接收者或者對多個接收者。

2.2協議棧設計

虛通道通訊協議共分4層，包括端口、通道、傳輸連接和網絡。

每層通信協議向上層提供標準的服務接口。各層通信協議功能如下：1）端口實現用戶層的數據發送和接收功能，完成數據流從采集，分析，計算，處理到最終的輸出;2）通道負責數據分片和重組，應答和錯重發，加密和解密，完成數據塊的安全性傳輸;3）傳輸連接負責數據路由，完成多處理器之間、多模塊之間的數據傳輸;4）網絡層實現具體的網絡通信協議，驅動硬件進行數據傳輸。

2.3傳輸機制

在虛通道通信協議中，傳輸連接給通道提供與網絡技術無關的網絡訪問服務。傳輸連接支持兩種傳輸模式，消息模式和流模式。消息模式啟動傳輸要求使用發送和接收服務，而流模式傳輸是自動的，數據被寫到一預定義緩沖或從一預定義緩沖讀出，并且當緩沖包含足夠的數據，數據就被發送或接收，不需要調用服務。

傳輸連接有兩種工作模式，觸發方式和回調方式。回調方式當發送數據完成時，產生一個傳輸完成事件，通知通道程序數據發送完成，當數據到達時，產生一個接收數據事件，通知通道程序有數據到達，而觸發方式，不產生回調事件。

詳細的傳輸機制如下：

當任務發送消息時，端口接收用戶緩沖區數據，按照藍圖配置，找到端口映射的通道，按通道屬性對數據進行分塊，加密，選擇一個或多個傳輸連接，調用標準服務遞交數據，傳輸連接按照配置，選擇路由和網絡協議，把數據發送給一個或多個接收者。

在接收一邊，網絡協議接收到數據后，提交給傳輸連接，傳輸連接分析數據報文格式，根據配置，利用回調方式把數據提交給一個或多個通道，通道對接收到的數據進行解密，重組，得到完整的應用數據，按照配置提交給一個或多個端口，任務從端口獲取數據。

2.4數據包格式

在虛通道通信中，數據報是以消息的形式傳遞的。基于虛通道的數據包應包括網絡頭信息、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

虛通道采用靜態配置的方式，所有虛通道的屬性（比如緩沖區大小），通信路徑，網絡協議都在藍圖中配置，藍圖在地面開發環境生成，由系統綜合人員根據應用的需求和資源的負載定義產生，運行時不可更改，所有通信路徑、流量、有效載荷都是可預知的。系統管理在初始化或者重構時根據藍圖數據配置虛通道。

在通信路徑中的所有模塊上都有藍圖配置，所以通信數據包只攜帶必要的數據報頭，虛通道通信協議根據藍圖配置決定發送、接收、轉發數據，減少了軟件解析數據報文結構的時間，而且數據包中有效載荷大，提高了通訊效率，保證了通信的安全性和實時性。

三、測試驗證

3.1驗證環境及驗證方法

在ICP系統中，存在多種類型的網絡，本文討論的虛通道通信協議的測試環境采用FC網絡，在天脈2操作系統上設計和實現了虛通道通信，屏蔽了硬件和操作系統的差異，為應用任務提供通信服務。

在不同的模塊上，針對FC網絡中的不同類型消息（數據塊消息和流消息）[5]，使用相同的測試用例，在直接采用FC網絡接口和增加虛通道FC網絡接口兩種方式下進行測試，比較兩種方式下對帶寬的影響，為了消除測試結果波動對驗證分析結果的不可靠影響，在實驗中均采用多次測量取平均值的方法。

3.2測試結果及分析

依據上述的測試方法，測試結果如圖2。

從帶寬對比圖中可以看出，采用虛通道通信后，對FC的帶寬存在一定程度的影響，尤其是在消息負載小的情況下相差比較大，這是因為在用戶數據長度較小時，協議開銷較大，采用虛通道之后，在原本的FC協議之上又增加了一層協議，所以對FC性能有較大影響，但是隨著用戶數據長度的增大，采用虛通道的方法對FC的性能影響逐漸減少，甚至接近，因此，可以通過增加用戶數據長度，減少虛通道協議的開銷，在不損失原有網絡帶寬的同時，提高了通信的透明性、安全性和可靠性。

四、結束語

虛通道實現了綜合化航電系統中的任務間通訊，為系統管理和應用軟件提供了統一的通信平臺。它提高了通訊的透明性、安全性和可靠性，使軟件的源代碼獨立于硬件，在航電系統迅速發展、不斷的升級換代的今天，多種通訊網絡逐步統一，基于虛通道的各種程序便于移植和代碼重用，減少了測試和認證的代價，有利于新一代綜合化航電系統的研制。

參? 考? 文? 獻

[1] 丁全心， 綜合模塊化航空電子系統標準述評[J]， 電光與控制， 2013，20（6）：1-3.

[2] 王國慶等. 新一代綜合化航空電子系統構架技術研究[J]. 航空學報，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 網絡的模糊可靠性研究[J]， 計算機應用研究， 2013，30（8）：2467-2469.