吴姣 戴小氐 崔西宁 张亦姝

【摘要】    针对综合化航电对机载网络通信提出的新要求，通过研究ASAAC中关于软件和通信的相关技术，按照机载应用的使用需求，设计并实现了一种虚通道通信技术，将网络介质、传输协议、操作系统等与应用任务解耦，在满足实时性和安全性的同时，提高了通信的透明性，为系统管理和应用任务提供了统一的通信平台，并基于FC网络进行了测试与验证。在某飞机的航电系统中得到了应用，功能和性能指标满足系统设计需求。

【关键词】    综合化航电    虚通道    ASAAC    FC

引言

航空电子系统在几十年的发展演变中，经历了一个从分立式、混合式、联合式到高度综合化的过程[1]。综合化是下一代航空电子发展的灵魂和核心，它将整个航空电子系统进行了整体的优化设计，减少寿命周期成本，改进任务性能和操作性能，硬件模块的种类和数量减少，通信网络进一步统一，软件也根据功能和需求被配置到通用功能模块上，在进行模式切换和容错重构时，任务可以根据系统资源配置迁移到不同的模块。显然，这对通信协议提出了进一步的要求，本文介绍的虚通道通信协议，便是一种适用于综合化航电系统，具有安全性、实时性的平台无关的通讯协议。

一、系统架构

综合化模块化航空电子系统IMA（Integrated Modular Avionics）是为了适应航空电子系统数字化、模块化、通用化、综合化和软件化的发展趋势，所研制的新一代航空电子系统的总称。IMA系统应是由IMA核心系统和非核心设备组成的完整系统。IMA核心系统应是由一个或一系列集成机架组成的航空电子系统，该集成机架包含一组标准CFM，通过统一网络互连，执行独立于硬件的可重用的功能应用、操作系统和系统管理软件[2]。

机载航电系统通信方式的发展，经历了二代机的ARINC429总线、三代机的1553B总线，FC、AFDX等网络，极大的提高了机载网络系统的通信带宽和传输可靠性，而且采用星形的网络拓扑结构，便于机载设备灵活的組网和重构，因此在新一代战斗机航电系统中得到了广泛应用。

综合核心处理机（ICP）处于某重点型号航空电子系统中的任务系统核心处理功能区，采用综合化、模块化、开放式的IMA体系架构。

二、通信协议

目前ARINC429、1553B总线、FC、1394、AFDX等的通信协议栈，没有统一的标准接口，造成应用软件的实现方式和硬件设备紧耦合，软件的可移植性较差。同时由于新一代飞机采用综合化航电技术，机载计算和网络平台都统一化，应用软件和平台软件分离，所以对实现统一的机载网络通信协议栈提出了迫切的需求，另一方面，综合化航电为了提高系统的可靠性，增强飞机的生存和任务能力，提出了容错重构的需求，进一步要求实现应用软件的动态部署，网络拓扑动态变化，通信配置动态调整等功能。所以需要研制一种新型的、满足新一代战斗机综合化航电要求的通信协议。

北约组织（NATO）针对综合化航电系统，定义了一组标准体系STANAG 4626《MODULAR AND OPEN AVIONICS ARCHITECTURES》，其中软件分册提出了一种虚通道通信技术，可以有效的满足综合化航电对通信的需求[3-4]。

2.1虚通道

虚通道是一种平台无关的通信协议，使应用软件独立于传输介质。对用户屏蔽了系统结构的复杂性和硬件设备的多样性，使应用程序在一个完全逻辑的空间中运行，使开发人员集中精力在应用功能上。同时，对于应用而言，底层的硬件设备透明，便于应用的移植和代码重用，符合软件模块化设计思想，当硬件升级或者结构发生变化时，应用程序可以和新系统无缝连接。

虚通道通信协议特性如下：1）单向性;2）面向消息（即一个VC只传输一个定义的消息）;3）由操作系统管理（建立、删除、路由）;4）时间和资源消耗可预测;5）一个发送者对一个接收者或者对多个接收者。

2.2协议栈设计

虚通道通讯协议共分4层，包括端口、通道、传输连接和网络。

每层通信协议向上层提供标准的服务接口。各层通信协议功能如下：1）端口实现用户层的数据发送和接收功能，完成数据流从采集，分析，计算，处理到最终的输出;2）通道负责数据分片和重组，应答和错重发，加密和解密，完成数据块的安全性传输;3）传输连接负责数据路由，完成多处理器之间、多模块之间的数据传输;4）网络层实现具体的网络通信协议，驱动硬件进行数据传输。

2.3传输机制

在虚通道通信协议中，传输连接给通道提供与网络技术无关的网络访问服务。传输连接支持两种传输模式，消息模式和流模式。消息模式启动传输要求使用发送和接收服务，而流模式传输是自动的，数据被写到一预定义缓冲或从一预定义缓冲读出，并且当缓冲包含足够的数据，数据就被发送或接收，不需要调用服务。

传输连接有两种工作模式，触发方式和回调方式。回调方式当发送数据完成时，产生一个传输完成事件，通知通道程序数据发送完成，当数据到达时，产生一个接收数据事件，通知通道程序有数据到达，而触发方式，不产生回调事件。

详细的传输机制如下：

当任务发送消息时，端口接收用户缓冲区数据，按照蓝图配置，找到端口映射的通道，按通道属性对数据进行分块，加密，选择一个或多个传输连接，调用标准服务递交数据，传输连接按照配置，选择路由和网络协议，把数据发送给一个或多个接收者。

在接收一边，网络协议接收到数据后，提交给传输连接，传输连接分析数据报文格式，根据配置，利用回调方式把数据提交给一个或多个通道，通道对接收到的数据进行解密，重组，得到完整的应用数据，按照配置提交给一个或多个端口，任务从端口获取数据。

2.4数据包格式

在虚通道通信中，数据报是以消息的形式传递的。基于虚通道的数据包应包括网络头信息、传输连接头信息、通道头信息和消息载荷，如图1所示。

2.5通信配置

虚通道采用静态配置的方式，所有虚通道的属性（比如缓冲区大小），通信路径，网络协议都在蓝图中配置，蓝图在地面开发环境生成，由系统综合人员根据应用的需求和资源的负载定义产生，运行时不可更改，所有通信路径、流量、有效载荷都是可预知的。系统管理在初始化或者重构时根据蓝图数据配置虚通道。

在通信路径中的所有模块上都有蓝图配置，所以通信数据包只携带必要的数据报头，虚通道通信协议根据蓝图配置决定发送、接收、转发数据，减少了软件解析数据报文结构的时间，而且数据包中有效载荷大，提高了通讯效率，保证了通信的安全性和实时性。

三、测试验证

3.1验证环境及验证方法

在ICP系统中，存在多种类型的网络，本文讨论的虚通道通信协议的测试环境采用FC网络，在天脉2操作系统上设计和实现了虚通道通信，屏蔽了硬件和操作系统的差异，为应用任务提供通信服务。

在不同的模块上，针对FC网络中的不同类型消息（数据块消息和流消息）[5]，使用相同的测试用例，在直接采用FC网络接口和增加虚通道FC网络接口两种方式下进行测试，比较两种方式下对带宽的影响，为了消除测试结果波动对验证分析结果的不可靠影响，在实验中均采用多次测量取平均值的方法。

3.2测试结果及分析

依据上述的测试方法，测试结果如图2。

从带宽对比图中可以看出，采用虚通道通信后，对FC的带宽存在一定程度的影响，尤其是在消息负载小的情况下相差比较大，这是因为在用户数据长度较小时，协议开销较大，采用虚通道之后，在原本的FC協议之上又增加了一层协议，所以对FC性能有较大影响，但是随着用户数据长度的增大，采用虚通道的方法对FC的性能影响逐渐减少，甚至接近，因此，可以通过增加用户数据长度，减少虚通道协议的开销，在不损失原有网络带宽的同时，提高了通信的透明性、安全性和可靠性。

四、结束语

虚通道实现了综合化航电系统中的任务间通讯，为系统管理和应用软件提供了统一的通信平台。它提高了通讯的透明性、安全性和可靠性，使软件的源代码独立于硬件，在航电系统迅速发展、不断的升级换代的今天，多种通讯网络逐步统一，基于虚通道的各种程序便于移植和代码重用，减少了测试和认证的代价，有利于新一代综合化航电系统的研制。

参  考  文  献

[1] 丁全心， 综合模块化航空电子系统标准述评[J]， 电光与控制， 2013，20（6）：1-3.

[2] 王国庆等. 新一代综合化航空电子系统构架技术研究[J]. 航空学报，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] 翟正军等， FC-AE-ASM 网络的模糊可靠性研究[J]， 计算机应用研究， 2013，30（8）：2467-2469.