CN114448956A - 基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，包括以下步骤：根据源完整性校验值检验数据帧是否来自设定的源端；根据位完整性校验值检验所述数据帧的位完整性；根据时间戳和系统时间偏差列表检验所述数据帧的实时性；在确认所述数据帧来自设定的源端且满足完整性和实时性后，接收所述数据帧；其中，所述源完整性校验值、所述位完整性校验值以及所述时间戳均来自于所述数据帧，所述数据帧由数据发送端生成和发送。本发明的目的在于提供一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，利用源完整性、位完整性和时间完整性等手段，以此提高音频数据的完整性和实时性。

Description

基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法
技术领域
本发明涉及机载数字音频系统技术领域，尤其涉及一种基于通用数据网络的机载数字音 频系统中间件协议方法。
背景技术
机载音频系统对语音和告警音的可懂度和音频数据的实时性有较高要求，传统的标准以 太网由于其自身技术特性，在音频数据传输实时性和可靠性上无法得到保障，而AFDX协议 虽然对传统以太网协议做了相应修改，使用了基于数据链路层的网络冗余管理和简单序号策 略来保证数据完整性，但无法检验音频数据的目标完整性、无法确认音频数据来自设定的源 端；同时由于网络抖动、延迟和系统时间不一致等因素，当系统对某条音频数据的时间完整 性提出较高要求时，传统的AFDX协议无法满足系统要求，导致驾驶员无法及时获取告警音、 通话音和导航音等优先级高、实时性强的机载音频信息，从而对飞行安全造成严重影响，甚 至造成机毁人亡的事故。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，针 对音频数据在RTP(Real-time Transport Protocol)协议的基础上进行了技术性改进，去除机 载网络环境中无需使用的控制字段，利用源完整性、位完整性和时间完整性等手段，以此提 高音频数据的完整性和实时性。
本发明通过下述技术方案实现：
在本申请实施例的一个方面中，提供了一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间 件协议方法，包括以下步骤：
根据源完整性校验值检验数据帧是否来自设定的源端；
根据位完整性校验值检验所述数据帧的位完整性；
根据时间戳和系统时间偏差列表检验所述数据帧的实时性；
在确认所述数据帧来自设定的源端且所述数据帧满足完整性和实时性后，接收所述数据 帧；
其中，所述源完整性校验值、所述位完整性校验值以及所述时间戳均来自于所述数据帧， 所述数据帧由数据发送端生成和发送。
优选地，所述根据源完整性校验值检验数据帧是否来自设定的源端包括以下子步骤：
读取所述数据帧中的消息头以及所述源完整性校验值；
根据所述源完整性校验值和所述消息头采用CRC校验的方式获取所述数据帧中的源ID；
若所述源ID与配置表中的源ID一致，判断所述数据帧来自设定的源端；所述配置表为 AFDX网络端系统配置表。
优选地，所述根据位完整性校验值检验所述数据帧的位完整性包括以下步骤：
读取所述位完整性校验值和所述数据帧中的消息内容；
根据所述位完整性校验值、所述消息内容以及CRC校验的方式检验所述数据帧在发送过 程中是否损坏；若所述数据帧在发送过程未损坏，判断所述数据帧满足位完整性。
优选地，所述根据时间戳和系统时间偏差列表检验所述数据帧的实时性包括以下子步骤：
读取本地时钟、预先保存的系统时钟偏差以及所述数据帧中的时间戳；
根据所述本地时钟、所述时钟偏差以及所述时间戳计算所述数据帧在通用数据网络中的 传输时延DelayAge；
若所述传输时延DelayAge位于传输时延阈值上限DelayMax和传输时延阈值下限DelayMin之间时，判断所述数据帧满足实时性。
优选地，所述系统时间偏差列表由以下步骤获取：
时间代理终端响应于时间管理终端发送的时间请求，调取本地时钟为时间戳传输至所述 时间管理终端；
接收并存储所述系统时间偏差列表；所述系统时间偏差列表为所述管理终端与网络中各 个所述时间代理终端的时钟偏差值。
优选地，所述系统时间偏差列表按一定频率刷新。
优选地，还包括顺序完整性校验步骤，所述顺序完整性校验步骤用于根据所述数据帧中 的帧序列号来检验所述数据帧是否按序传输。
优选地，所述顺序完整性校验步骤包括以下步骤：
读取当前所述数据帧中的时间戳与上一数据帧中的时间戳；
若当前所述数据帧中的时间戳大于上一数据帧中的时间戳，判断为当前所述数据帧按序 传输；
否则，判断所述帧序列号是否位于正确接收消息序列窗口的范围内；所述正确接收消息 序列窗口的范围为[PMSN-X，PMSN]，PMSN为上一数据帧的帧序列号，X为常量，依据全 机AFDX网络配置情况而定；
若所述帧序列号位于所述正确接收消息序列窗口的范围内，判断为当前所述数据帧按序 传输；
否则，判断当前所述数据帧的时间偏移量是否已知且所述时间偏移量是否在预设范围内；
若所述时间偏移量已知且所述时间偏移量在预设范围内，判断为当前所述数据帧按序传 输；否则，丢弃当前所述数据帧。
优选地，在所述数据帧未来自设定的源端、未满足完整性、未满足实时性或未按序传输 时，进行报错。
在本申请实施例的第二个方面中，提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机 程序，所述计算机程序运行时执行如上所述的一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中 间件协议方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
该方案重新定义了基于通用数据网络的机载音频数据帧格式，在协议栈的数据负载中添 加帧序列号、时间戳和校验值等信息，并利用多种校验逻辑和控制流程，解决当前AFDX网 络无法检测音频数据的源完整性、位完整性和时间完整性等问题；
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明基于通用数据网络的机载数字音频中间件协议框架示意图；
图2为本发明机载数字音频系统中间件协议栈数据帧结构示意图；
图3为本发明源完整性和位完整性校验过程示意图；
图4为本发明实时性校验流程示意图；
图5为本发明全网络时间架构示意图；
图6为本发明顺序完整性校验流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明 作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本 发明的限定。
实施例1
一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，包括以下步骤：
根据源完整性校验值检验数据帧是否来自设定的源端；
根据位完整性校验值检验数据帧的位完整性；
根据时间戳和系统时间偏差列表检验数据帧的实时性；
在确认数据帧来自设定的源端且满足完整性和实时性后，接收数据帧；
其中，源完整性校验值、位完整性校验值以及时间戳均来自于数据帧，数据帧由数据发 送端生成和发送。
机载音频系统对语音和告警音的可懂度和音频数据的实时性有较高要求，传统的标准以 太网由于其自身技术特性，在音频数据传输实时性和可靠性上无法得到保障，而AFDX协议 虽然对传统以太网协议做了相应修改，使用了基于数据链路层的网络冗余管理和简单序号策 略来保证数据完整性，但无法检查音频数据的目标完整性、无法确认音频数据来自设定的源 端，同时由于网络抖动、延迟和系统时间不一致等因素，当系统对某条音频数据的时间完整 性提出较高要求时，传统的AFDX协议无法满足系统要求，导致驾驶员无法及时获取告警音、 通话音和导航音等优先级高、实时性强的机载音频信息，从而对飞行安全造成严重影响，甚 至造成机毁人亡的事故。基于此，本实施例提供了一种基于通用数据网络的机载数字音频系 统中间件协议方法，针对音频数据在RTP(Real-time TransportProtocol)协议的基础上进行 了技术性改进，去除机载网络环境中无需使用的控制字段，利用源完整性、位完整性以及时 间完整性等手段，以此来提高音频数据的完整性和实时性。
具体的，如图1和图2所示，为解决上述技术问题，本申请首先对音频数据包格式重新 进行了定义，在原有音频数据包格式的基础上增加了源ID(代表数据源的ID号)、帧序列号 (初始值随机产生，随后每个数据包逐步加1递增)、时间戳(代表包与包之间的相对时间， 分辨率为X(ms)/224μs，其中X为数据帧发送周期)以及校验值信息(源完整性校验值和位完 整性校验值)等，如图2所示；其次，数据接收端通过读取数据帧中的源完整性校验值来检 验数据帧中的消息内容是否来自配置表中指定的数据发送端及端口；通过读取数据帧中的位 完整性校验值来检验数据帧中的消息内容在发送过程中是否有损坏(也就是消息内容是否完 整)，通过读取数据帧中的时间戳信息，与本地时钟及保存的系统时间偏差列表进行对比计算， 得到数据帧在通用数据网络中的传输时延DelayAge，并与时延阈值进行对比来检验数据帧的 实时性，从而来解决上述技术问题。
其中，本实施例中的配置表指的是按照ARINC664 P7标准的AFDX网络端系统配置表， 里面还有源IP、源MAC、目的IP和目的MAC等信息(网络配置五元表)，形式可以是xml 文件。
具体地，根据源完整性校验值检验数据帧是否来自设定的源端包括以下子步骤，如图3 所示：
所述根据源完整性校验值检验数据帧是否来自设定的源端包括以下子步骤：
读取所述数据帧中的消息头以及所述源完整性校验值；
根据所述源完整性校验值和所述消息头采用CRC校验的方式获取所述数据帧中的源ID；
若所述源ID与配置表中的源ID一致，判断所述数据帧来自设定的源端；所述配置表为 标准的AFDX网络端系统配置表。
根据位完整性校验值检验数据帧的位完整性包括以下步骤，如图3所示：
读取位完整性校验值和数据帧中的消息内容；
根据位完整性校验值和消息内容并采用CRC校验的方式检验数据帧在发送过程中是否 损坏；若数据帧在发送过程未损坏，判断数据帧满足位完整性。
根据时间戳和系统时间偏差列表检验数据帧的实时性包括以下子步骤，如图4所示：
读取本地时钟(本地指的是数据接收端)、预先保存的系统时钟偏差以及数据帧中的时间 戳；
根据本地时钟、时钟偏差以及时间戳计算数据帧在通用数据网络中的传输时延DelayAge；
由于数据帧中的时间戳是数据传送端在发送数据帧时写入的，若系统之间不存在时钟偏 差，则传输时延应当是数据接收端接收到数据帧的时间戳减去数据帧中的时间戳；但是在实 际机载网络中，各终端间存在时间差，在比较数据发送端和数据接收端时间差时，若不补偿 数据接收端之间的时钟差，则比较结果不具备实际意义。因此本实施例中还设置有系统时间 偏差列表，用于对数据接收端接收到数据帧的时间戳与数据帧中的时间戳的差值进行校准， 具体地为，数据接收端根据系统时间偏差列表获取数据接收端与时间管理终端的时延，以及 数据发送终端与时间管理终端的时延，在本实施例中，假设数据接收端和数据发送终端的时 间大于时间管理终端的时间时，时间偏差列表中的时间偏差值为负值；数据接收端和数据发 送终端的时间小于时间管理终端的时间时，时间偏差列表中的时间偏差值为正值，则本实施 例中的传输时延为：
DelayAge＝T1-T2-T3；
其中，T1-表示数据接收端的时间戳，T2表示数据帧中的时间戳；T3表示时间偏差列表中 的时间偏差值。
若传输时延DelayAge位于传输时延阈值上限DelayMax和传输时延阈值下限DelayMin之间 时，判断数据帧满足实时性，否则丢弃该数据帧。
在ARINC664P7(AFDX)规范中，规定了端系统和交换机的技术时延，端系统发送端技 术时延应有界且小于150us，接收端技术时延应有界且小于150us，全部的时延还要加上端系 统收发的帧时延和交换机的转发调度时延。因此在进行全机AFDX网络规划时，是可以大致 计算出每条虚链路的最小时延和最大时延的，每个数据帧的时延都要满足时延的上界和下界。 当某个数据帧的时延小于最小时延时，则认为该数据帧的时延计算存在错误，就抛弃该帧。 同理当某帧的时延大于最大时延时，一样认为该数据帧的时延计算存在错误，就抛弃该帧。
其中，本实施例中的系统时间偏差列表由以下步骤获取：
如图5所示，时间管理终端首先向各个时间代理终端发送时间请求，各个时间代理终端 接收到请求后，取本地时钟为时间戳回复时间管理终端；时间管理终端接收到时间代理终端 发送的时间戳后，计算得出时间管理终端与各个时间代理终端间的时钟偏差，并将时间管理 终端与网络中所有时间代理终端的时钟偏差值形成一张偏差列表，发送给所有的时间代理终 端。其中，作为优选地，为保证网络中各时间代理终端接收到的时间偏差列表是有效的，时 间偏差列表按照一定频率进行刷新。
进一步地，为保证接收的音频数据的完整性，本实施例中还设置有顺序完整性校验步骤， 数据接收端通过校验数据帧中的帧序列号来校验收到的数据帧是否按序传输，从而判断音频 数据是否连续。
具体地，如图6所示，数据接收终端读取当前数据帧中的时间戳与上一数据帧中的时间 戳，并判断当前数据帧中的时间戳与上一数据帧中的时间戳的大小，若当前数据帧中的时间 戳大于上一数据帧中的时间戳，判断为当前数据帧按序传输；否则，判断帧序列号是否位于 正确接收消息序列窗口的范围内；若帧序列号位于正确接收消息序列窗口的范围内，判断为 当前数据帧按序传输；否则，判断当前数据帧的时间偏移量是否已知且时间偏移量是否在预 设范围内；若时间偏移量已知且时间偏移量在预设范围内，判断为当前数据帧按序传输；否 则，判断为当前数据帧未按序传输，丢弃当前数据帧。
其中，本实施例中的正确接收消息序列窗口的范围为[PMSN-X，PMSN]，PMSN为上一数据帧的帧序列号，X为常量，根据全机AFDX网络配置情况而定。
本实施例中的偏移量是指各数据帧的间隔存在一定的偏移，可以认为是抖动造成的。该 偏移量也存在配置文件中，规定AFDX网络每一条虚链路的抖动的边界。如果当前数据帧的 帧序列号在正确接收消息序列窗口之外时，但是该帧由时间偏移量所造成的数据帧到达的时 间仍能落在正确接收消息序列窗口的时间范围内时，则仍然接收该帧。
进一步地，为了数据帧在不满足上述要求(来自指定源端、完整性、实时性)时，能够 及时被工作人员所发现，在不满足上述要求时进行报警，以提示工作人员。
实施例2
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，计算机程序运行时 执行如实施例1所提供的一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护 范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据源完整性校验值检验数据帧是否来自设定的源端；
根据位完整性校验值检验所述数据帧的位完整性；
根据时间戳和系统时间偏差列表检验所述数据帧的实时性；
在确认所述数据帧来自设定的源端且所述数据帧满足完整性和实时性后，接收所述数据帧；
其中，所述源完整性校验值、所述位完整性校验值以及所述时间戳均来自于所述数据帧，所述数据帧由数据发送端生成和发送。
2.根据权利要求1所述的一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，其特征在于，所述根据源完整性校验值检验数据帧是否来自设定的源端包括以下子步骤：
读取所述数据帧中的消息头以及所述源完整性校验值；
根据所述源完整性校验值和所述消息头采用CRC校验的方式获取所述数据帧中的源ID；
若所述源ID与配置表中的源ID一致，判断所述数据帧来自设定的源端；所述配置表为AFDX网络端系统配置表。
3.根据权利要求1所述的一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，其特征在于，所述根据位完整性校验值检验所述数据帧的位完整性包括以下步骤：
读取所述位完整性校验值和所述数据帧中的消息内容；
根据所述位完整性校验值和所述消息内容采用CRC校验的方式检验所述数据帧在发送过程中是否损坏；若所述数据帧在发送过程未损坏，判断所述数据帧满足位完整性。
4.根据权利要求1所述的一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，其特征在于，所述根据时间戳和系统时间偏差列表检验所述数据帧的实时性包括以下子步骤：
读取本地时钟、预先保存的系统时钟偏差以及所述数据帧中的时间戳；
根据所述本地时钟、所述时钟偏差以及所述时间戳计算所述数据帧在通用数据网络中的传输时延DelayAge；
若所述传输时延DelayAge位于传输时延阈值上限DelayMax和传输时延阈值下限DelayMin之间时，判断所述数据帧满足实时性。
5.根据权利要求1所述的一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，其特征在于，所述系统时间偏差列表由以下步骤获取：
时间代理终端响应于时间管理终端发送的时间请求，调取本地时钟为时间戳传输至所述时间管理终端；
接收并存储所述系统时间偏差列表；所述系统时间偏差列表为所述时间管理终端与网络中各个所述时间代理终端的时钟偏差值。
6.根据权利要求1所述的一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，其特征在于，所述系统时间偏差列表按一定频率刷新。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，其特征在于，还包括顺序完整性校验步骤，所述顺序完整性校验步骤用于根据所述数据帧中的帧序列号来检验所述数据帧是否按序传输。
8.根据权利要求7所述的一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，其特征在于，所述顺序完整性校验步骤包括以下步骤：
读取当前所述数据帧中的时间戳与上一数据帧中的时间戳；
若当前所述数据帧中的时间戳大于上一数据帧中的时间戳，判断为当前所述数据帧按序传输；
否则，判断所述帧序列号是否位于正确接收消息序列窗口的范围内；所述正确接收消息序列窗口的范围为[PMSN-X，PMSN]，PMSN为上一数据帧的帧序列号，X为常量；
若所述帧序列号位于所述正确接收消息序列窗口的范围内，判断为当前所述数据帧按序传输；
否则，判断当前所述数据帧的时间偏移量是否已知且所述时间偏移量是否在预设范围内；
若所述时间偏移量已知且所述时间偏移量在预设范围内，判断为当前所述数据帧按序传输；否则，丢弃当前所述数据帧。
9.根据权利要求8所述的一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法，其特征在于，在所述数据帧未来自设定的源端、未满足完整性、未满足实时性或未按序传输时，进行报错。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储的计算机程序，所述计算机程序运行时执行如权利要求1-9中任意一项所述的一种基于通用数据网络的机载数字音频系统中间件协议方法。
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