CN109683873B - 利用asn1规则的航天信息接口编码方法及系统架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，使用接口定义语言IDL定义逻辑一致的接口，使用traits技术生成应用层接口Interface与ASN库结构Struct之间的转换模块代码集TRAITS；当程序应用层的信息接口需要进行编解码处理时，将应用层传递的接口实例转化为配套的应用结构实例；ASN BER转换模块按照BER规则将struct转换为相应二进制流stream，并将之传递给传输层，本发明通过进行“接口‑结构‑二进制流”3级映射的航天测控信息接口编解码解决方案，解决了现有技术中存在的航天测控领域无法适应对面向对象编程范式中接口Interface元素的有效解读的问题。

Description

利用ASN1规则的航天信息接口编码方法及系统架构

技术领域

本发明属于地面航天测控信息处理及传输技术领域，具体涉及一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，本发明还涉及一种利用ASN1规则的航天信息接口编码软件系统架构。

背景技术

编解码技术对于构建分布式航天测控系统至关重要，与信息传输、信息存储、信息处理、架构设计等都有密切关系，而现行编解码方式不能满足航天测控技术发展需要。网络环境传输的航天测控信息协议单元(Protocol Data Units，PDU)，在航天测控网各个节点不同业务层次上表现为不同形态，各形态之间的信息格式转化即为编解码过程。航天测控软件领域现行常见编解码做法有直接读取法、拼装法以及常规序列化法，其突出问题是无法有效解读航天测控软件中主流面向对象编程范式的接口(Interface)元素，本身也存在一定的性能弊端和安全风险性，亟待一种新的适应航天测控发展要求的编解码方式。

ASN1抽象语法标记规则(Abstract Syntax Notation One，简称ASN1规则)是一种用于描述结构化客体结构和内容的语言规则，于1988年成为国际标准(ISO 8824或ITU-TX.208)，2006年成为中国国家标准(GB/T 16263.1-2006)。ASN1规则广泛应用于移动网络通讯系统中的各种协议转换及传输领域，具有可靠性、高效性、通用性方面优势。为此，本发明提出了一种基于ASN1规则技术的航天测控信息接口编解码解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，解决了现有技术中存在的航天测控软件领域无法有效解读面向对象编程范式中接口(Interface)元素的问题。

本发明的另一目的是提供一种利用ASN1规则的航天信息接口编码软件系统架构设计。

本发明所采用的第一技术方案是，一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，基于ASN1规则的航天测控信息接口编解码模型TEBA，技术要素包括ASN1模块、接口定义IDL和TRAITS三个部分，其中ASN1模块包括编码规则和ASN1工具集，IDL模块是接口定义语言，用于定义逻辑意义一致的Interface和ASN1基文件，TRAITS是基于模板元编程技术traits、完成Interface与结构之间信息格式转化的代码集；

具体按照以下步骤实施：

步骤1：使用接口定义语言IDL定义逻辑一致的接口，包括应用接口interfacedesign和ASN1基文件，ASN1基文件内含ASN1struct design describe，应用接口与ASN1基文件之间逻辑一致，进一步保证模板元traits技术的正确性；

步骤2：将ASN1基文件转化为内嵌ASN1BER规则的数据结构模块库，即ASN库；

步骤3：使用traits技术生成应用层接口Interface与ASN库结构Struct之间的转换模块代码集TRAITS；

步骤4：当程序应用层的信息接口需要进行编解码处理时，系统调用转换模块代码集TRAITS，将应用层传递的接口实例interface instance转化为配套的应用结构实例struct data；后者是ASN BER转换模块的输入；

步骤5：ASN BER转换模块按照BER规则将struct转换为相应二进制流stream，并将之传递给传输层。

本发明第一技术方案的特点还在于：

步骤1中应用接口是航天测控信息公共属性的抽象，实现了对航天测控信息的有效封装，是应用层所有接口实例interface instance的定义模板，同时接口之间具有继承层次关系，这种层次关系是使用模板元traits技术的必要性基础。

步骤1中ASN基文件是使用ASN1规则描述定义相应的ASN1结构，这种描述被ASN1工具映射成C或C++的数据结构，并被应用程序代码使用。

步骤2中使用符合国际标准ISO 8824的ASN1工具，该工具能够完成对ASN1基文件转化为C语言的结构定义库文件(*.c，*.h)，其过程实质是将接口定义的进一步衍生，为后续“应用接口－结构”转化奠定基础。

步骤3中traits是一种模板特性萃取技术，能够依据公共和私有属性制定相应策略，适于处理具有公共属性的航天测控信息接口，有利于设计出代码量少、性能高效的接口与结构转换库。

步骤3中TRAITS基于traits技术，完成Interface与结构之间信息格式的信息映射，将Interface中的有效信息进行提取，并放置到结构成员，以便于进行后续编码。

步骤4中应用结构生成过程实质是将接口实例的接口元素，提取置入结构实例的相应数据元素，依据接口元素种类，TRAITS生成过程分为：公共元素和私有元素，公共元素为编写公共代码进行填写的元素，私有元素为使用模板元traits技术编写专用代码进行填写的元素，步骤4的正确性由转换模块代码集TRAITS进行保证。

步骤5中编码时由应用层填写相应的数据参数的值，经过编解码模块的编码生成标准ASN1的码流，用于网络层传输，解码时，根据获得的标准ASN1的码流，经过编解码模块的解码，将值信息填入应用层使用的结构中，以备应用层使用，步骤5的正确性由ASN1工具进行保证。

本发明所采用的第二技术方案是，一种利用ASN1规则的航天信息接口编码软件系统架构设计，包括：

1)用于使用接口定义语言IDL定义逻辑一致的接口的装置；

2)用于保证接口之间具有继承层次关系的装置；

3)用于提供应用层所有接口实例interface instance的定义模板的装置；

4)用于ASN1工具将使用ASN1规则描述定义相应的ASN1结构映射成C或C++的数据结构的装置；

5)用于依据公共和私有属性制定相应策略，适于处理具有公共属性的航天测控信息接口的装置；

6)用于完成Interface与结构之间信息格式的信息映射的装置；

7)用于将Interface中的有效信息进行提取，并放置到结构成员，以便于进行后续编码的装置；

8)用于将接口实例的接口元素，提取置入结构实例的相应数据元素的装置；

9)用于将TRAITS生成过程分为公共元素和私有元素的装置；

10)用于定义公共元素为编写公共代码进行填写的元素的装置；

11)用于定义私有元素为使用模板元traits技术编写专用代码进行填写的元素的装置；

12)用于由应用层填写相应的数据参数的值，经过编解码模块的编码生成标准ASN1的码流的装置；

13)用于根据获得的标准ASN1的码流，经过编解码模块的解码，将值信息填入应用层使用的结构中的装置。

本发明的有益效果是，一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，通过进行“接口-结构-二进制流”3级映射的航天测控信息接口编解码解决方案，以更加安全、高效地解决网络化环境下航天测控信息多层次接口的编解码问题。

附图说明

图1(a)是本发明一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法编码基本原理图；

图1(b)是常规编解码基本原理；

图2是ASN1编解码的工作原理图；

图3是Asn1数据类型定义示意图；

图4是本发明一种利用ASN1规则的航天测控信息协议单元(Protocol DataUnits，PDU)接口的继承关系示意图；

图5是本发明一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法TRAITS处理过程示意图；

图6(a)是常规编解码方法示意图；

图6(b)是本发明一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法ASN1编码示意图；

图7是本发明一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法编码的完整原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，基于ASN1规则的航天测控信息接口编解码模型TEBA，技术要素包括ASN1模块、接口定义IDL和TRAITS三个部分，其中：

1)ASN1模块包括编码规则和ASN1工具集；

2)IDL模块是接口定义语言，用于定义逻辑意义一致的Interface和ASN1基文件；

3)TRAITS是基于模板元编程技术traits、完成Interface与结构之间信息格式转化的代码集；

编解码方法包括静态准备过程和动态运行过程，其中静态准备过程完成对接口及配套ASN1模块集的定义，包括定义应用接口、生成ASN1数据结构库、制定“接口-结构”转换模块TRAITS等3个步骤；动态运行过程在静态准备基础上实现对PDU从接口到二进制流之间的动态实时转换，包括生成应用结构、生成ASN1流等2个步骤，具体按照以下步骤实施：

步骤1：使用接口定义语言IDL定义逻辑一致的接口，包括应用接口interfacedesign和ASN1基文件，ASN1基文件内含ASN1struct design describe，应用接口与ASN1基文件之间逻辑一致，进一步保证模板元traits技术的正确性；

其中，应用接口是航天测控信息公共属性的抽象，实现了对航天测控信息的有效封装，是应用层所有接口实例interface instance的定义模板，同时接口之间具有继承层次关系，这种层次关系是使用模板元traits技术的必要性基础；ASN基文件是使用ASN1规则描述定义相应的ASN1结构，这种描述被ASN1工具映射成C或C++的数据结构，并被应用程序代码使用。

步骤2：将ASN1基文件转化为内嵌ASN1BER规则的数据结构模块库，即ASN库，其中，使用符合国际标准ISO 8824的ASN1工具，该工具能够完成对ASN1基文件转化为C语言的结构定义库文件(*.c，*.h)，其过程实质是将接口定义的进一步衍生，为后续“应用接口－结构”转化奠定基础；

步骤3：使用traits技术生成应用层接口Interface与ASN库结构Struct之间的转换模块代码集TRAITS，其中，traits是一种模板特性萃取技术，能够依据公共和私有属性制定相应策略，适于处理具有公共属性的航天测控信息接口，有利于设计出代码量少、性能高效的接口与结构转换库；TRAITS基于traits技术，完成Interface与结构之间信息格式的信息映射，将Interface中的有效信息进行提取，并放置到结构成员，以便于进行后续编码；

步骤4：当程序应用层的信息接口需要进行编解码处理时，系统调用转换模块代码集TRAITS，将应用层传递的接口实例interface instance转化为配套的应用结构实例struct data；后者是ASN BER转换模块的输入；

其中，应用结构生成过程实质是将接口实例的接口元素，提取置入结构实例的相应数据元素，依据接口元素种类，TRAITS生成过程分为：公共元素和私有元素，公共元素为编写公共代码进行填写的元素，私有元素为使用模板元traits技术编写专用代码进行填写的元素，步骤4的正确性由转换模块代码集TRAITS进行保证；

步骤5：ASN BER转换模块按照BER规则将struct转换为相应二进制流stream，并将之传递给传输层，其中编码时由应用层填写相应的数据参数的值，经过编解码模块的编码生成标准ASN1的码流，用于网络层传输，解码时，根据获得的标准ASN1的码流，经过编解码模块的解码，将值信息填入应用层使用的结构中，以备应用层使用，步骤5的正确性由ASN1工具进行保证。

一种利用ASN1规则的航天信息接口编码系统架构，包括：

1)用于使用接口定义语言IDL定义逻辑一致的接口的装置；

2)用于保证接口之间具有继承层次关系的装置；

3)用于提供应用层所有接口实例interface instance的定义模板的装置；

4)用于ASN1工具将使用ASN1规则描述定义相应的ASN1结构映射成C或C++的数据结构的装置；

5)用于依据公共和私有属性制定相应策略，适于处理具有公共属性的航天测控信息接口的装置；

6)用于完成Interface与结构之间信息格式的信息映射的装置；

7)用于将Interface中的有效信息进行提取，并放置到结构成员，以便于进行后续编码的装置；

8)用于将接口实例的接口元素，提取置入结构实例的相应数据元素的装置；

9)用于将TRAITS生成过程分为公共元素和私有元素的装置；

10)用于定义公共元素为编写公共代码进行填写的元素的装置；

11)用于定义私有元素为使用模板元traits技术编写专用代码进行填写的元素的装置；

12)用于由应用层填写相应的数据参数的值，经过编解码模块的编码生成标准ASN1的码流的装置；

13)用于根据获得的标准ASN1的码流，经过编解码模块的解码，将值信息填入应用层使用的结构中的装置；

用于根据获得的标准ASN1的码流，经过编解码模块的解码，将值信息填入应用层使用的结构中的装置。

图1(a)和图1(b)介绍编解码基本原理：信息在计算机网络不同层次上的相互转换过程即被称为编解码，又称序列化和反序列化。其中编码Encode又称序列化Serialize，将数据结构或对象转换成二进制串的过程，如图1(a)所示，解码Decode又称反序列化Deserialize，作为编码逆过程，将编码过程所生成的二进制串转换成数据结构或对象，如图1(b)所示。

图2展示ASN1编解码的工作原理：ASN1工具分析ASN1语法，产生相应数据结构和结构信息数据，应用向编解码模块传入编解码的数据，编解码的调度模块从结构信息数据中获得消息的详细信息(编码产生的是ASN1码流，解码产生的是结构化的消息数据)。

图3展示了对应于ASN1数据类型的结构的格式：

(1)对于Sequence,Set,Choice类型定义为结构的格式，包括：a)用于表示可选子参数是否被选用的标志位，一个参数占一个Bit；b)子参数；

(2)对于SequenceOf,SetOf类型定义为包含数组的结构，包括:a)用于表示选用的数组个数的标志位，填写最大值要求小于数组的最大维；b)子参数的数组；

(3)对于OCTET STRING，NUMBER STRING，PRINT STRING....等字符串类型定义为结构，包括：a)使用的字节数；b)字符串的值；

(4)BIT STRING字符串类型定义为结构，包括：a)使用的字节数。b)未使用的比特数；c)字符串的值；

(5)其他的类型定义为编成语言的对应类型。

图4展示了航天测控信息协议单元(Protocol Data Units，PDU)接口的继承关系：航天测控信息协议单元接口将依据主流组件模型(如COM)进行制定，所有接口有一个共同基接口IUnknown。同时航天测控信息在传输过程中，依据重要程度等因素又可区分为普通信息接口(IInfo)和反馈信息接口(IConfirmedInfo)两种，反馈信息接口从普通接口中进行继承。具体的航天测控信息接口(Concrete Info)分别从普通信息接口(IInfo)和反馈信息接口(IConfirmedInfo)中进行继承，具体接口之间也可能存有继承关系，图中不再标识。

图5展示了TRAITS处理过程：TRAITS包括两个步骤：

(1)公共属性提取：针对接口的公共属性，调用“公共模板库”生成结构数据所需属性；

(2)私有属性提取：针对接口的具体私有属性，调用该接口的“专用模板库”生成结构数据所需属性。

图6(a)和图6(b)展示了基于ASN1规则的编码过程与传统方式对比过程：常规编解码方法如图6(a)所示，需要将结构定义信息(Design)与数据自身(Data)置于一起，很容易破解信息的物理意义，如图6(b)所示，ASN1编码则只存有数据本身，若无结构定义信息，则无法正确解读出编码的实际物理意义，该独有运行机制决定了其安全性和开放性。

图7是本发明一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法编码的完整原理图。基于ASN1的航天测控信息协议编解码模型(TEBA)提出了一种基于ASN1技术、完成对航天测控信息接口进行编解码转换的整体解决方案，其所包含的ASN1模块、接口定义IDL和TRAITS三个部分如图所示。TEBA是对数据编码层(DEL)的具体细化，能显著提高编解码效率和传输安全性，并具有结构清晰、性能高效等特点，大幅降低航天测控信息的开发及维护工作量，有利于实现对航天测控信息的服务化封装。

本发明一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，通过进行“接口-结构-二进制流”3级映射的航天测控信息接口编解码解决方案，以更加安全、高效地解决网络化环境下航天测控信息多层次接口的编解码问题。

Claims (9)

1.一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，其特征在于，基于ASN1规则的航天测控信息接口编解码模型TEBA，技术要素包括ASN1模块、接口定义IDL和TRAITS三个部分，其中ASN1模块包括编码规则和ASN1工具集，IDL模块是接口定义语言，用于定义逻辑意义一致的Interface和ASN1基文件，TRAITS是基于模板元编程技术traits、完成Interface与结构之间信息格式转化的代码集；

具体按照以下步骤实施：

步骤1：使用接口定义语言IDL定义逻辑一致的接口，包括应用接口interface design和ASN1基文件，ASN1基文件内含ASN1 struct design describe，应用接口与ASN1基文件之间逻辑一致，进一步保证模板元traits技术的正确性；

步骤2：将ASN1基文件转化为内嵌ASN1 BER规则的数据结构模块库，即ASN库；

步骤3：使用traits技术生成应用层接口Interface与ASN库结构Struct之间的转换模块代码集TRAITS；

步骤4：当程序应用层的信息接口需要进行编解码处理时，系统调用转换模块代码集TRAITS，将应用层传递的接口实例interface instance转化为配套的应用结构实例structdata；后者是ASN BER转换模块的输入；

步骤5：ASN BER转换模块按照BER规则将struct转换为相应二进制流stream，并将之传递给传输层。

2.根据权利要求1所述的一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，其特征在于，所述步骤1中应用接口是航天测控信息公共属性的抽象，实现了对航天测控信息的有效封装，是应用层所有接口实例interface instance的定义模板，同时接口之间具有继承层次关系，这种层次关系是使用模板元traits技术的必要性基础。

3.根据权利要求1所述的一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，其特征在于，所述步骤1中ASN基文件是使用ASN1规则描述定义相应的ASN1结构，这种描述被ASN1工具映射成C或C++的数据结构，并被应用程序代码使用。

4.根据权利要求1所述的一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，其特征在于，所述步骤2中使用符合国际标准ISO 8824的ASN1工具，该工具能够完成对ASN1基文件转化为C语言的结构定义库文件*.c，*.h，其过程实质是将接口定义的进一步衍生，为后续“应用接口－结构”转化奠定基础。

5.根据权利要求1所述的一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，其特征在于，所述步骤3中traits是一种模板特性萃取技术，能够依据公共和私有属性制定相应策略，适于处理具有公共属性的航天测控信息接口，有利于设计出代码量少、性能高效的接口与结构转换库。

6.根据权利要求5所述的一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，其特征在于，所述步骤3中TRAITS基于traits技术，完成Interface与结构之间信息格式的信息映射，将Interface中的有效信息进行提取，并放置到结构成员，以便于进行后续编码。

7.根据权利要求6所述的一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，其特征在于，所述步骤4中将应用层传递的接口实例interface instance转化为配套的应用结构实例struct data，实质是将接口实例的接口元素，提取置入结构实例的相应数据元素，依据接口元素种类，TRAITS生成过程分为：公共元素和私有元素，公共元素为编写公共代码进行填写的元素，私有元素为使用模板元traits技术编写专用代码进行填写的元素，步骤4的正确性由转换模块代码集TRAITS进行保证。

8.根据权利要求7所述的一种利用ASN1规则的航天信息接口编码方法，其特征在于，所述步骤5中编码时由应用层填写相应的数据参数的值，经过编解码模块的编码生成标准ASN1的码流，用于网络层传输，解码时，根据获得的标准ASN1的码流，经过编解码模块的解码，将值信息填入应用层使用的结构中，以备应用层使用，步骤5的正确性由ASN1工具进行保证。

9.一种利用ASN1规则的航天信息接口编码系统架构，其特征在于，包括：

1)用于使用接口定义语言IDL定义逻辑一致的接口的装置；

2)用于保证接口之间具有继承层次关系的装置；

3)用于提供应用层所有接口实例interface instance的定义模板的装置；

4)用于ASN1工具将使用ASN1规则描述定义相应的ASN1结构映射成C或C++的数据结构的装置；

5)用于依据公共和私有属性制定相应策略，适于处理具有公共属性的航天测控信息接口的装置；

6)用于完成Interface与结构之间信息格式的信息映射的装置；

7)用于将Interface中的有效信息进行提取，并放置到结构成员，以便于进行后续编码的装置；

8)用于将接口实例的接口元素，提取置入结构实例的相应数据元素的装置；

9)用于将TRAITS生成过程分为公共元素和私有元素的装置；

10)用于定义公共元素为编写公共代码进行填写的元素的装置；

11)用于定义私有元素为使用模板元traits技术编写专用代码进行填写的元素的装置；

12)用于由应用层填写相应的数据参数的值，经过编解码模块的编码生成标准ASN1的码流的装置；

13)用于根据获得的标准ASN1的码流，经过编解码模块的解码，将值信息填入应用层使用的结构中的装置。

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