CN115002233A - 一种基于协议的dds中间件的验证系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空电子领域，涉及一种基于协议的DDS中间件的验证系统及设计方法。验证系统包括：2个嵌入式处理板卡、2个FC子卡和1个FC交换机，1个嵌入式处理板卡与对应的FC子卡组成1台数据处理单元，2台数据处理单元通过FC交换机实现数据通信。

Description

一种基于协议的DDS中间件的验证系统及设计方法

技术领域

本发明属于航空电子领域，涉及一种基于协议的DDS中间件的验证系统及设计方法。

背景技术

综合模块化航空电子系统(Integrated Modular Avioncs system，IMA)的发展使得总线网络对带宽的要求越来越高。光纤通道(Fiber Chanel，FC)的高带宽、低延迟、低误码率、灵活的拓扑结构和服务类型、支持多种上层协议和底层传输介质以及具有流量控制功能，使得它能很好的满足综合模块化航空电子系统的互连要求。当前综合模块化航电系统及新一代航空电子系统均采用了FC总线作为主干网络。FC节点机(FIC)是FC通信网络系统中数据接收和发送的控制终端，采用FC-AE-ASM协议。

IMA系统组成部件众多，各部件之间广泛存在着各种差异。设备和设备之间通信，需要事先配置好对端地址，然后通过制定的地址完成同对端的通信。对于设备而言，如果增加或者删除一个与之通信的设备，需要在程序或配置文件中做相应的修改，这使得设备之间紧密耦合。同时，不同设备之间存在多种多样的消息格式，每增加一种消息格式，就需要重新扩展以前的程序，增加对应的消息打包与解包功能，不能将注意力更为集中到需要解决的业务问题上去。

RTI DDS是由Real-Time Innovation公司开发实现的，这也是第一个支持DDS规范的商业产品(前称NDDS)，目前被广泛应用于任务要求十分苛刻的场合，包括：作战管理、航空航天、美国国家铁路网、空中交通流量控制、交通流量监控、金融交易处理以及工业自动化等。RTI提供了一个与平台无关的数据分发模型，它独立于操作系统和编程语言，极大地方便了不同系统之间的通讯。

发明内容

发明目的：本发明通过在FC-AE-ASM协议之上构建以太网协议栈，实现FC-AE-ASM协议帧向以太网协议帧的转换，使得DDS中间件不需要任何改动，即可基于UDP协议实现DDS的接口适配，实现应用软件通过DDS接口进行数据发布订阅，而业务数据通过FC-AE-ASM协议进行传输，解决DDS中间件在FC总线网络上的构建和适配问题，提高系统的可扩展性。

技术方案：

一种基于协议的DDS中间件的验证系统，包括：2个嵌入式处理板卡、2个FC子卡和1个FC交换机，1个嵌入式处理板卡与对应的FC子卡组成1台数据处理单元，2台数据处理单元通过FC交换机实现数据通信；

数据处理单元用于驻留分区实时嵌入式操作系统；

FC子卡的技术指标包括：支持FC-AE-ASM协议；端口速率4.25Gbps，支持线速收发帧；单卡支持2个光接口；采用PCIE总线和主机接口；支持点对点、交换网络两种拓扑连接；

FC交换机技术指标包括：端口速率4.25Gbps；包含不少于16路端口，不少于2路数据监控端口；支持FC-AE-ASM协议；支持单播、组播和广播，支持255个组播组。

分区实时嵌入式操作系统驻留有DDS链接库；DDS链接库由DDS软件从操作系统层得到FC驱动适配软件和操作系统API的支持，构建基于FC总线的嵌入式通信中间件，通过交叉编译环境，对DDS源码进行编译形成。

分区实时嵌入式操作系统部署驻留有应用软件，通过调用DDS软件实现数据收发。

FC驱动适配软件实现应用软件以以太网数据的接收和发送，通过将以太网数据转换为FC-AE-ASM协议帧数据在FC网络上进行数据传输，通过网络方式启动加载驱动后，该驱动被系统识别为网络设备，使用操作普通以太网设备的方式即可操作FC网络设备。

嵌入式板卡和FC子卡通过PCIE接口连接。

一种基于协议的DDS中间件的设计方法，包括：

构建航空电子系统的软件架构，软件架构包括：硬件平台层、操作系统层、基础服务层、应用层；其中，硬件平台层由通用处理单元组成；操作系统层由分区实时嵌入式操作系统组成，基础服务层由DDS软件组成；应用层由应用软件组成；

操作系统层面向基础服务层提供操作系统底层API支持和FC驱动适配软件及接口，操作系统底层API包括网络套接字库相关函数API；基础服务层将自身包含的DDS通信中间件建构于网络套接字库相关函数API之上，再通过FC-以太网适配接口，建构起基于FC总线的嵌入式通信中间件；应用层由任务所需的应用软件组成，直接调用简单传输服务TS接口来实现初始化和数据收发；TS接口是应用软件开发时，特定于数据结构的DDS应用代码，封装DDS应用API为初始化、发送、接收函数。

操作系统层的构建，包括：

进行FC驱动适配；

建立FC-AE-ASM协议与以太网协议转换的协议栈方案。

DDS通信中间件以链接库的形式驻留在分区实时嵌入式操作系统中。

有益效果：一方面提高了系统架构的可变规模性，使得航空电子系统可以根据需要灵活的增加或减少处理节点；另一方面，通过性能测试对比，相对于通过总线驱动直接进行数据收发，基于DDS通信中间件的数据收发速率损失较小，能够满足机载系统实时数据交互的需求。本专利能够广泛应用于当前采用了FC总线的综合模块化航空电子系统以及新一代航空电子系统，可向预研项目和型号项目推广应用，具有较为广阔的市场应用范围，将取得较大的经济效益。

附图说明

图1为系统总体设计图。

图2为P2020板卡产品图。

图3为FC子卡产品图。

图4为FC交换机产品图。

图5为软件架构设计图。

图6为通用处理单元结构图。

图7为FC驱动适配原理图。

图8为协议栈设计方案图。

图9为软件交联关系图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于协议的DDS中间件设计方法，通过在FC-AE-ASM协议之上构建以太网协议栈，实现FC-AE-ASM协议帧向以太网协议帧的转换，使得DDS中间件不需要任何改动，即可基于UDP协议实现DDS的接口适配，实现应用软件通过DDS接口进行数据发布订阅，而业务数据通过FC-AE-ASM协议进行传输，解决DDS中间件在FC总线网络上的构建和适配问题，提高系统的可扩展性。

基于协议的DDS中间件的验证系统

系统由2块嵌入式处理板卡、2块FC子卡和1台FC交换机组成，嵌入式处理板卡与FC子卡组成数据处理单元，通过FC交换机实现互连。系统组成见附图1。

硬件设计方法

嵌入式处理板卡：采用2块飞思卡尔(FreeScale)公司的P2020RDB-PCA板卡，板卡外形见图2。在其上烧写WindRiver VxWorks653-2.5分区实时嵌入式操作系统的RAM类型系统镜像。

FC子卡：采用型号为FCE-1221A的子卡，板卡外形见附图3。该板卡主要技术指标包括：

支持FC-AE-ASM协议；

端口速率4.25Gbps，支持线速收发帧；

单卡支持2个光接口；

采用PCIE总线和主机接口；

支持点对点、交换网络两种拓扑连接。

FC交换机：采用型号为FCSW-1621的FC交换机，交换机外形见附图4。该交换机主要技术指标如下：

端口速率4.25Gbps；

包含不少于16路端口，不少于2路数据监控端口；

支持FC-AE-ASM协议；

支持单播、组播和广播，支持255个组播组。

软件设计方法

FC驱动适配软件：通过修改FC子卡驱动程序，使操作系统在识别底层设备时，将其作为普通以太网网卡，即通过驱动适配与协议转换，实现FC-AE-ASM协议帧向以太网协议帧的双向转换。

DDS软件：在VxWorks653操作系统中，DDS通信中间件基于操作系统层的网络套接字库，调用FC驱动，对FC总线进行相应操作，并基于FC-AE-ASM协议进行通信，从而构建实现基于FC总线的嵌入式通信中间件。

应用软件：应用软件包括数据融合应用于航路规划应用，部署驻留在数据处理模块分区操作系统中，用于实现基于DDS通信中间件的数据收发测试。

通用处理单元用于驻留分区实时操作系统，由飞思卡尔P2020嵌入式板卡和FC子卡通过PCIE接口连接。

FC交换机用于实现2台处理单元间通过FC总线实现数据通信。

FC驱动适配软件能够实现应用软件以以太网数据的接收和发送，通过将以太网数据转换为FC-AE-ASM协议帧数据在FC网络上进行数据传输，通过网络方式启动加载驱动后，该驱动被系统识别为网络设备，使用操作普通以太网设备的方式即可操作FC网络设备。

DDS软件从操作系统层得到FC驱动适配软件和操作系统API的支持，构建基于FC总线的嵌入式通信中间件，通过交叉编译环境，对DDS源码进行编译，形成DDS链接库，驻留于VxWorks653系统中。

应用软件用于提供实现任务领域的相关能力，由机载软件组件组成，包括数据融合软件和航路规划软件，部署驻留于VxWorks653系统中，通过调用DDS软件实现数据收发。

本发明通过在网络驱动层实现了FC-AE-ASM协议与以太网协议的转换，并在以太网协议之上部署了基于DDS的通信中间件，实现了部署在VxWorks653系统的应用软件通过DDS接口实现了基于FC总线的数据收发。

FC驱动适配软件在网络驱动层实现了FC-AE-ASM协议与以太网协议的转换；FC驱动适配软件驻留于嵌入式处理板卡和VxWorks653分区实时操作系统中；DDS软件通过调用UDP以太网接口实现数据收发；DDS软件部署驻留与VxWorks653分区操作系统的分区中；应用软件部署运行于VxWorks653系统分区中，通过DDS接口实现数据收发。

本发明提供一种DDS中间件设计方法验证系统，如图1所示，包括通用处理单元、FC交换机、FC驱动适配软件、DDS软件、应用软件组成。

1、硬件设计方法

通用处理单元由飞思卡尔P2020RDB-PCA板卡及FC子卡通过PCIE接口连接组成。

板卡搭载双核QorlQ P2020E CPU(1200MHz)，并具有PCIe(x1)的扩展插槽，用来连接FC通讯子卡，如附图2所示。

FC子卡型号为FCE-1221A，如附图3所示。

FC交换机型号为FCSW-1621，如附图4所示。

2、软件设计方法

软件架构由硬件平台层、操作系统层、基础服务层、应用层组成。其中硬件平台层由通用处理单元组成；操作系统层由VxWorks653分区操作系统层组成，基础服务层由DDS软件组成；应用层由数据融合与航路规划软件组成。软件架构如附图5所示。

1)硬件平台层

通用处理单元飞思卡尔P2020RDB-PCA嵌入式开发板与FCE-1221A子卡组成，见附图6。P2020RDB-PCA嵌入式开发板和FCE-1221板卡并排放置，通过PCI-E x1与PCI-E x16转接线相接。

2)操作系统层

操作系统层为VxWorks653 2.5分区操作系统，基于硬件平台层提供的BSP及相关驱动支持，向上承接基础服务层和应用软件层，提供跨模块跨平台的通信交互服务。

操作系统层面向基础服务层提供操作系统底层API支持，主要为网络套接字库相关函数API，如socket()和bind()等。由于基础服务层的DDS通信中间件以DDS链接库的形式驻留于VxWorks653 2.5系统的分区中，因此需要在VxWorks653 2.5系统的分区中提供操作系统底层API支持。对于网络套接字库，以一套类似于IO分区驱动注册的机制，在分区提供相关函数API支持。对于其它需要的操作系统底层API，统一通过系统调用机制，编写相关程序来进行分区支持。

操作系统层面向基础服务层提供FC驱动适配软件及接口，接口将FC驱动封装为VxWorks653系统能够识别的虚拟网卡驱动，并建立虚拟网卡IP地址和FC_ID的映射关系。总体框架见图7，框架分为硬件层、驱动层、内核空间和用户空间四部分。其中硬件层为FC紫卡，实现基于光模块的FC-AE-ASM协议数据的收发，以及FC-AE-ASM帧处理等，并通过PCIe核上报至驻留在操作系统的驱动层。驱动层包括加载模块、卸载模块、数据接收模块、数据发送模块、控制模块和状态查询模块，分别实现FC子卡的加载、卸载、数据收发控制、状态查询等功能。在内核空间，通过FC-AE-ASM协议与以太网协议的转换设计，实现FC-AE-ASM协议帧于以太网协议帧的转换，并最终将标准的以太网协议栈接口暴露给用户空间，由用户空间的应用软件、配置软件等调用。基础服务层的DDS通信中间件建构于网络套接字库的相关函数API之上。网络套接字库中函数逐级调用，最终通过虚拟网卡驱动收发消息。消息通过进一步协议转换，结合对应FC_ID，在FC链路上进行传递。

步骤101：FC驱动适配

FC驱动模块位于操作系统层，主要进行初始化的工作，硬件初始化、内存分配、中断、IO控制函数等的工作，并为上层应用提供支持。驱动主要包括6个模块：加载模块、卸载模块、接收模块、发送模块、控制模块、状态查询模块。整体模块结构如图7所示。

为了确保应用软件能够正常通信，FC驱动适配软件提供了标准接口封装，保证上层数据有大流量时进入驱动反压接口，确保数据流通正常不丢包。通过在应用层调用API函数，void*open_pci_socket()，pci_creatsocket(void*pCook,intport_numb)，pci_recvsocket(void*pCook,int port_numb,int recv_size)，将每次需要发送的数据长度以及socket句柄传入驱动，由驱动进行反压处理，确保不丢包。

步骤102：FC-AE-ASM协议与以太网协议转换

由于本方法没有专门制定的标准，但是根据IP业务在以太网网络的传输要求来分析，最后方法实现的要求应该达到以下几个要求，第一，能够实现上层协议的透明传输，这里包括TCP/IP协议栈的所有协议，并且内核协议栈不需要做任何改变。第二，能够支持以太网帧的单播、组播和广播的传输。第三，保证数据传输的稳定性和可靠性，并且能够利用FC协议的底层流量控制机制实现UDP数据传输的不丢包。

为了保证TCP/IP协议栈的完整性和层次化设计，实现FC-AE-ASM协议与以太网协议的转换，本方案采用在TCP/IP协议栈的网络接口层下增加一个FC接入层，这一层主要实现以下几个功能：

(a)实现以太网帧数据向FC-AE-ASM帧数据的封装和解封帧功能。

(b)实现IP地址或者MAC地址与FC帧的FC_ID之间的映射和转换。

(c)实现FC帧的调度和缓冲，保证以太网帧在FC-AE网络中传输的可靠性。

具体的协议栈方案如图8所示，在以太网帧之前增加了FC-AE-ASM帧头，通过FC-AE-ASM帧头中的FC-ID与MAC地址或IP地址映射，实现消息映射和匹配。在封装时，通过自上而下的协议帧进行逐层封装，并将封装好的FC-AE-ASM协议帧通过FC总线发出。在解帧时，通过自下而上的对协议帧进行解析，以获取payload数据。

3)基础服务层

基础服务层主要包含DDS通信中间件服务。DDS通信中间件以链接库的形式驻留在VxWorks653系统中。通过搭建交叉编译环境，对DDS源码进行特定于操作系统和硬件平台的编译，可得到DDS链接库。

基础服务层从操作系统层得到操作系统底层API以及FC-以太网适配接口支持，FC-以太网适配接口和网络套接字库进一步对接。基础服务层的DDS通信中间件建构于网络套接字库的相关函数API之上，再通过FC-以太网适配接口，建构起基于FC总线的嵌入式通信中间件。

4)应用层

应用层用于提供航空领域的相关能力，由任务所需的机载服务软件组成。2个数据处理单元分别部署VxWorks653操作系统，数据融合与航路规划服务软件分别驻留于2个数据处理单元的分区中。其部署及数据交联关系如图9所示，图中第一个数据处理单元中驻留传感器仿真、运行仿真和航路规划软件，第二个数据处理单元中驻留多机融合、火控结算软件，各处理单元内软件间通过共享内存通信，两个处理单元间对外通过调用基于FC总线的DDS中间件进行通信。

在应用软件开发时，使用rtiddsgen工具与数据格式IDL文件，生成特定于数据结构的DDS应用代码，封装DDS应用API为初始化、发送、接收等函数，即简单传输服务(Transfer Service)接口，供分区应用调用。机载应用软件可以通过直接调用TS接口来实现初始化和数据收发。

用于发送和接收的TS接口，其入口参数即为要发送或者接收的数据结构体。发布和接收的实体，即DDS实体，在初始化完毕后就以全局变量的形式，始终活跃在数据处理模块的DDS域中。当TS接口被调用时，它们就会产生对应的发布或订阅行为，完成数据的发送或接收。

Claims (8)

1.一种基于协议的DDS中间件的验证系统，其特征在于，包括：2个嵌入式处理板卡、2个FC子卡和1个FC交换机，1个嵌入式处理板卡与对应的FC子卡组成1台数据处理单元，2台数据处理单元通过FC交换机实现数据通信；

数据处理单元用于驻留分区实时嵌入式操作系统；

FC子卡的技术指标包括：支持FC-AE-ASM协议；端口速率4.25Gbps，支持线速收发帧；单卡支持2个光接口；采用PCIE总线和主机接口；支持点对点、交换网络两种拓扑连接；

FC交换机技术指标包括：端口速率4.25Gbps；包含不少于16路端口，不少于2路数据监控端口；支持FC-AE-ASM协议；支持单播、组播和广播，支持255个组播组。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，分区实时嵌入式操作系统驻留有DDS链接库；DDS链接库由DDS软件从操作系统层得到FC驱动适配软件和操作系统API的支持，构建基于FC总线的嵌入式通信中间件，通过交叉编译环境，对DDS源码进行编译形成。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，分区实时嵌入式操作系统部署驻留有应用软件，通过调用DDS软件实现数据收发。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，FC驱动适配软件实现应用软件以以太网数据的接收和发送，通过将以太网数据转换为FC-AE-ASM协议帧数据在FC网络上进行数据传输，通过网络方式启动加载驱动后，该驱动被系统识别为网络设备，使用操作普通以太网设备的方式即可操作FC网络设备。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，嵌入式板卡和FC子卡通过PCIE接口连接。

6.一种基于协议的DDS中间件的设计方法，其特征在于，包括：

构建航空电子系统的软件架构，软件架构包括：硬件平台层、操作系统层、基础服务层、应用层；其中，硬件平台层由通用处理单元组成；操作系统层由分区实时嵌入式操作系统组成，基础服务层由DDS软件组成；应用层由应用软件组成；

操作系统层面向基础服务层提供操作系统底层API支持和FC驱动适配软件及接口，操作系统底层API包括网络套接字库相关函数API；基础服务层将自身包含的DDS通信中间件建构于网络套接字库相关函数API之上，再通过FC-以太网适配接口，建构起基于FC总线的嵌入式通信中间件；应用层由任务所需的应用软件组成，直接调用简单传输服务TS接口来实现初始化和数据收发；TS接口是应用软件开发时，特定于数据结构的DDS应用代码，封装DDS应用API为初始化、发送、接收函数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，操作系统层的构建，包括：

进行FC驱动适配；

建立FC-AE-ASM协议与以太网协议转换的协议栈方案。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，DDS通信中间件以链接库的形式驻留在分区实时嵌入式操作系统中。

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