基于SCA的以太網(wǎng)設(shè)備組件的設(shè)計與實現(xiàn)

陳雄 李宏民 徐玲玲 銀壯辰

摘要：針對軟件通信體結(jié)構(gòu)（SCA）電臺中以太網(wǎng)設(shè)備組件的具體應(yīng)用背景，在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)硬件設(shè)備提供的產(chǎn)生和獲取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的功能基礎(chǔ)上，以太網(wǎng)設(shè)備組件作為以太網(wǎng)硬件設(shè)備的軟件抽象，屏蔽底層硬件實現(xiàn)細節(jié)。提出了符合SCA規(guī)范的以太網(wǎng)設(shè)備組件的設(shè)計和實現(xiàn)方法，并對基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)硬件進行有效封裝，采用公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)（CORBA）組件方式實現(xiàn)以太網(wǎng)邏輯設(shè)備，提供訪問以太網(wǎng)口硬件的方法和屬性。為SCA電臺中的波形應(yīng)用和服務(wù)提供了統(tǒng)一的以太網(wǎng)接口，提高了波形應(yīng)用的可移植性和可重用性。

關(guān)鍵詞：軟件通信體系結(jié)構(gòu)（SCA）;以太網(wǎng);設(shè)備組件;CORBA

中圖分類號：TN924+.3

文獻標識碼：A

1 引言

針對傳統(tǒng)無線電通信系統(tǒng)中波形應(yīng)用存在的通用性、互通性和移植性的問題，軟件無線電（Software Radio）應(yīng)運而生[1]。軟件無線電的核心一軟件通信體系結(jié)構(gòu)（SCA）作為美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）計劃投巨資制定的技術(shù)規(guī)范，是未來各軍兵種無線通信系統(tǒng)都將遵循的一體化結(jié)構(gòu)[2]。SCA是一個開放的、與具體實現(xiàn)和外部硬件無關(guān)的系統(tǒng)標準框架，包含硬件體系結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)、安全附錄和應(yīng)用程序接口（APD附錄[3]?；赟CA的平臺架構(gòu)具有開放性、靈活性、可移植性和組件化等特點[4]。SCA系統(tǒng)從構(gòu)造一個標準通用的硬件平臺出發(fā)，采用軟件的方式來實現(xiàn)不同的通信協(xié)議、調(diào)制解調(diào)方式和工作頻段等，將無線通信業(yè)務(wù)從硬件基礎(chǔ)模式中解放出來，并能通過升級系統(tǒng)軟件輕松實現(xiàn)系統(tǒng)功能的更新和升級。SCA平臺架構(gòu)如圖1所示，通用硬件平臺可根據(jù)應(yīng)用場景的需要進行裁剪，通用軟件平臺部署在通用處理器（GPP）上：

平臺架構(gòu)采用分層設(shè)計，包括通信波形應(yīng)用、通用軟件平臺和通用硬件平臺。通信波形應(yīng)用主要由波形組件構(gòu)成，是SDR系統(tǒng)通信功能的實際執(zhí)行體。通用軟件平臺為波形應(yīng)用開發(fā)和系統(tǒng)管理提供統(tǒng)一的接口和服務(wù)，同時對硬件平臺處理器進行統(tǒng)一管理。通用硬件平臺為通信波形提供比特流和符號流的傳輸，完成基帶協(xié)處理和中頻處理的工作。SCA規(guī)范在整個軟件平臺上對框架接口和軟件結(jié)構(gòu)上做出了限制，但對各部分具體功能的實現(xiàn)并不做要求。平臺組件的開發(fā)包括了設(shè)備及服務(wù)組件的開發(fā)和波形應(yīng)用組件的開發(fā)，這是平臺設(shè)計開發(fā)的重點內(nèi)容。平臺設(shè)備組件為上層波形應(yīng)用和服務(wù)提供符合JTRS APIs規(guī)范的設(shè)備接口，提高波形應(yīng)用的可移植性和可重用性，具有重要意義。

2 SCA軟件平臺APls及設(shè)備組件

2.1 軟件平臺APls

通用處理器（GPP）具有靈活、可擴展性和應(yīng)用可移植性強的特點，承擔了SCA系統(tǒng)中通用軟件平臺角色。部署在GPP上的標準化API對于實現(xiàn)SCA系統(tǒng)中波形應(yīng)用組件的可移植性和可重用性至關(guān)重要。SCA規(guī)范中以統(tǒng)一建模語言（UMD的表達方式詳細描述了各類接口之間的關(guān)系。這些以接口描述語言（IDD定義的接口以及這些接口的繼承類也就形成了應(yīng)用程序的接口（API），被波形應(yīng)用程序調(diào)用。這樣保證波形應(yīng)用程序和服務(wù)不用關(guān)心組件內(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)（如編程語言或操作環(huán)境），也使得在一個平臺上開發(fā)的波形應(yīng)用可以復(fù)用到不同大小、任務(wù)或部署的軟件無線電平臺，提高了在軟件無線電系統(tǒng)中部署新功能的速度，同時降低系統(tǒng)的維護成本[3][4]。SCA標準中的APIs包括：基本應(yīng)用接口、框架控制接口、框架服務(wù)接口、基本設(shè)備接口[5]。圖2所示是JTRS系統(tǒng)中GPP上部署的APIs的基本描述。

基本應(yīng)用接口一般由應(yīng)用組件繼承，如波形應(yīng)用組件、平臺日志組件;框架控制接口和框架服務(wù)接口則是由核心框架使用，可提供文件系統(tǒng)，文件管理等功能;基本設(shè)備接口由各類型設(shè)備使用，可選繼承基本設(shè)備接口的相關(guān)接口，同時可選繼承基本應(yīng)用接口的相關(guān)功能，主要為設(shè)備組件提供軟件加載和執(zhí)行接口，通過軟件接口實現(xiàn)對硬件物理設(shè)備的控制和管理。設(shè)備組件是底層物理硬件設(shè)備的軟件抽象，提供訪問物理硬件設(shè)備的方法和屬性，向上層波形組件提供符合JTRS接口規(guī)范的統(tǒng)一設(shè)備接口，屏蔽底層硬件的實現(xiàn)細節(jié)[6]。

2.2 SCA系統(tǒng)中設(shè)備組件

SCA系統(tǒng)中的設(shè)備組件是底層物理硬件設(shè)備的軟件抽象，是一種采用組件方式實現(xiàn)的邏輯設(shè)備。設(shè)備組件的設(shè)計采用面向?qū)ο蟮乃枷?，將訪問物理硬件設(shè)備的方法和屬性封裝成接口類，并根據(jù)設(shè)備組件的接口需求和功能需求建立設(shè)備組件的UML模型，生成IDL接口描述文件。為了適應(yīng)無線電設(shè)備在不同應(yīng)用場景的需求（如機載、艦載和手持），SCA4.O[7]提出了輕量級組件的設(shè)計，在設(shè)備組件的IDL文件中選擇性繼承接口，通過接口的繼承方式就能控制設(shè)備組件的大小。

設(shè)備組件的設(shè)計主要包括三個方面：一是端口定義，用于設(shè)備組件與其它組件之間的連接通信和數(shù)據(jù)交互;二是接口設(shè)計，確定設(shè)備組件的具體功能，支持它所代表的物理硬件設(shè)備的具體方法和屬性;三是設(shè)備組件具體實現(xiàn)，根據(jù)軟件平臺、功能需求和設(shè)備組件API標準來設(shè)計實現(xiàn)[8]。在SCA系統(tǒng)中，組件采用統(tǒng)一建模語言（UML）描述組件的接口模型，IDL文件描述了設(shè)備組件的端口定義和接口設(shè)計，并選擇繼承需要實現(xiàn)的接口類，同時可以被編譯成不同編程語言用于在不同操作環(huán)境（OE）中具體實現(xiàn)，提高了組件的可移植性。

3 以太網(wǎng)設(shè)備組件的設(shè)計

根據(jù)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電集（Joint Tactical Radio（JTR） Sets）中定義的一套通用的以太網(wǎng)設(shè)備標準，對其提供的服務(wù)和接口進行實現(xiàn)。以太網(wǎng)設(shè)備是一種采用CORBA組件方式實現(xiàn)的邏輯設(shè)備，提供訪問以太網(wǎng)口硬件的方法和屬性。

3.1 以太網(wǎng)設(shè)備端口定義

以太網(wǎng)設(shè)備組件端口是其與外界數(shù)據(jù)交互過程中的數(shù)據(jù)通信口。圖3描述了以太網(wǎng)設(shè)備具備五個端口，總體上分為兩類：使用者端口（UserPort）和提供者端口（ProviderPort），端口具有方向性。使用者端口功能定義：1）通過該端口將以太網(wǎng)設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳送到域中其它與該端口連接的組件端口中，以供被使用者接收數(shù)據(jù);2）通過該端口將控制信號、數(shù)據(jù)包大小、優(yōu)先序列數(shù)量、流量控制等報文信息傳送到域中其他與該端口連接的組件端口中。提供者端口功能定義：1）用于接收其它組件的傳入數(shù)據(jù);2）其使用者可將控制信號、數(shù)據(jù)包大小、優(yōu)先序列數(shù)量、流量控制等報文信息傳入以太網(wǎng)設(shè)備;3）其使用者可通過該端口對以太網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)流進行控制。圖3所示是以太網(wǎng)設(shè)備的端口圖。

以太網(wǎng)設(shè)備的端口定義基于面向?qū)ο蟮乃枷?，將端口的屬性和功能封裝成類。以太網(wǎng)設(shè)備的API是由端口類中的方法實現(xiàn)。以太網(wǎng)設(shè)備組件作為底層以太網(wǎng)硬件設(shè)備的封裝，它的基本功能就是從硬件設(shè)備獲取外界傳入的數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包到與之相連的其它組件，與其它組件的交互通過繼承通用數(shù)據(jù)包接口類來實現(xiàn)，如Packet、DevicelO。

3.2 以太網(wǎng)設(shè)備接口設(shè)計

SCA4.0中對接口和組件有了明確的區(qū)分（接口函數(shù)形式和功能保持不變），對組件的劃分更為精細，對接口設(shè)計采用選擇性繼承方式，使得接口設(shè)計更為靈活，提高組件的重用性，降低系統(tǒng)成本。以太網(wǎng)設(shè)備的接口設(shè)計是根據(jù)平臺提供的資源來確定其具體功能，并定義了相應(yīng)的屬性和操作。以太網(wǎng)設(shè)備各接口類圖如圖4所示，主要包括三類接口類圖，繼承接口類和操作如表1所示;

4 以太網(wǎng)設(shè)備組件的具體實現(xiàn)

圖5所示，在SCA電臺中數(shù)據(jù)終端通過以太網(wǎng)設(shè)備與波形應(yīng)用組件相連進行數(shù)據(jù)傳輸，以太網(wǎng)設(shè)備提供產(chǎn)生和獲取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的功能以及流控操作，同時為了便于今后的組網(wǎng)實現(xiàn)，預(yù)留模式配置接口。

4.1 實現(xiàn)方法

以太網(wǎng)設(shè)備是對硬件以太網(wǎng)接口的抽象，它與終端數(shù)據(jù)基于TCP/UDP數(shù)據(jù)交互，與波形應(yīng)用組件基于CORBA數(shù)據(jù)交互。

4.1.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧封裝

以太網(wǎng)設(shè)備與數(shù)據(jù)終端數(shù)據(jù)交互是基于嵌入式TCP/IP協(xié)議[9]，結(jié)合軟件平臺提供的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧對基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)硬件進行有效封裝。通信過程中，每層協(xié)議都要加上一個數(shù)據(jù)首部（header），稱為封裝（Encapsulation）。以太網(wǎng)設(shè)備根據(jù)數(shù)據(jù)終端的發(fā)送業(yè)務(wù)需求，采用不同模式的套接字（socket）來支持數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)控制。同時支持對以太網(wǎng)幀的抓取，方便對傳輸數(shù)據(jù)的進一步分析和數(shù)據(jù)傳輸路徑判斷。

4.1.2 采用CORBA組件方式

組件間的交互采用CORBA中間件提供分布的組件對象間通信連接，屏蔽分布、嵌入式計算系統(tǒng)環(huán)境中各計算單元具體實現(xiàn)的差異和操作系統(tǒng)間的差異，為上層的波形應(yīng)用軟件組件提供統(tǒng)一的API。以太網(wǎng)設(shè)備組件根據(jù)IDL描述的接口進行實現(xiàn)，定義和實現(xiàn)能具體化CORBA對象的伺服類。數(shù)據(jù)交互之前，以太網(wǎng)設(shè)備和波形組件需要建立連接，抽象為客戶端朋艮務(wù)端（C/S）模型。首先以太網(wǎng)設(shè)備和波形組件實例化端口對象，并將提供者端口的對象引用公布到域中。然后，在使用者端口的創(chuàng)建端口連接方法中，根據(jù)可擴展標記（XMD文件中描述的連接關(guān)系，將域中提供者端口的對象引用本地保存，以太網(wǎng)設(shè)備組件和波形組件間的邏輯連接完成;數(shù)據(jù)交互時，當數(shù)據(jù)流從波形組件到以太網(wǎng)設(shè)備時，根據(jù)連接關(guān)系，波形組件的使用者端口作為以太網(wǎng)設(shè)備提供者端口的客戶端，以太網(wǎng)設(shè)備提供者端口作為波形組件使用者端口的服務(wù)端。通過本地保存的以太網(wǎng)設(shè)備提供者端口的對象引用，獲取CORBA伺服類對象，最后調(diào)用推送數(shù)據(jù)流的方法，至此波形應(yīng)用組件推送數(shù)據(jù)流到以太網(wǎng)設(shè)備完成。以太網(wǎng)設(shè)備在判斷數(shù)據(jù)包的傳輸目的地址不是本地時，需要將數(shù)據(jù)包推送給相連的波形組件，此時，根據(jù)以太網(wǎng)設(shè)備使用者端口中保存的波形組件的提供者端口對象引用，調(diào)用推送數(shù)據(jù)流方法，將數(shù)據(jù)流推送至波形組件。

4.2 具體實現(xiàn)分析

根據(jù)以太網(wǎng)設(shè)備基本功能需求，結(jié)合實現(xiàn)方法，分別對基本功能設(shè)計實現(xiàn)。圖6描述了以太網(wǎng)設(shè)備基本功能實現(xiàn)框圖。

（1）基于VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧叫作SENS，即可裁剪增強網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。SENS是基于TCP/IP協(xié)議棧發(fā)展而來，主要特點是在數(shù)據(jù)鏈路層（由網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)）和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間多了MUX層，如圖6所示的。以太網(wǎng)設(shè)備在構(gòu)造函數(shù)中默認創(chuàng)建IP套接字數(shù)據(jù)傳輸，在以太網(wǎng)設(shè)備連接使用者端口時，在connectUsesPort函數(shù)中，調(diào)用muxBind函數(shù)將協(xié)議類型與特定的網(wǎng)絡(luò)接口綁定，函數(shù)參數(shù)傳入一個協(xié)議數(shù)據(jù)處理函數(shù)指針、網(wǎng)絡(luò)接口的名字等參數(shù)，并設(shè)置為接收數(shù)據(jù);此時，將在所有標準協(xié)議接收之前調(diào)用協(xié)議數(shù)據(jù)處理函數(shù)，因此以太網(wǎng)設(shè)備實際上采用TCP/IP協(xié)議中原始套接字方式實現(xiàn)抓取不同協(xié)議、不同目的地址的數(shù)據(jù)包功能。如果目的地址和電臺本機的IP地址不相等，則該數(shù)據(jù)包將不再被傳遞至上層協(xié)議或底層，根據(jù)圖6中以太網(wǎng)設(shè)備和PDCP組件的連接關(guān)系（XML文件中描述），EthConsumerOutPort 端 口 中 保 存 了PdcpConsumerInPort端口的對象引用，通過調(diào)用對象引用的pushPacket方法將數(shù)據(jù)包推送至PDCP組件中;否則，該數(shù)據(jù)包扔回協(xié)議棧中，繼續(xù)向上或向下傳遞。PDCP組件推送數(shù)據(jù)流到以太網(wǎng)設(shè)備時，同樣調(diào)用PdcpConsumerOutPort端口保存的EthConsumerInPort端口對象引用的pushPacket方法，將數(shù)據(jù)流推送至以太網(wǎng)設(shè)備。

（2）以太網(wǎng)設(shè)備中采用了數(shù)據(jù)流速控制和發(fā)送請求/允許請求控制來保證數(shù)據(jù)的有效傳輸。具體數(shù)據(jù)處理流程，包括從底層硬件設(shè)備接收數(shù)據(jù)，傳遞給波形應(yīng)用組件;從波形應(yīng)用組件獲得數(shù)據(jù)，交由底層硬件設(shè)備傳輸。參考JTRS標準以太網(wǎng)設(shè)備API中提供的以太網(wǎng)設(shè)備提供數(shù)據(jù)時序圖和以太網(wǎng)設(shè)備消費數(shù)據(jù)時序[10]。

5 結(jié)束語

設(shè)計的以太網(wǎng)設(shè)備組件，遵循了SCA規(guī)范中邏輯設(shè)備組件的設(shè)計方法，從以太網(wǎng)設(shè)備組件的端口定義、接口設(shè)計和具體實現(xiàn)展開詳細的論述。以太網(wǎng)設(shè)備組件的端口定義和接口設(shè)計滿足JTRSAPIs規(guī)范，提高了軟件的可移植性、可重用性以及組件間的互操作性。以太網(wǎng)設(shè)備組件的具體實現(xiàn)基于軟件平臺提供的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，抓取原始套接字，判斷數(shù)據(jù)包的目的地址，并確定發(fā)送路徑，能夠廣泛應(yīng)用于電臺的通信組網(wǎng);在組件間的數(shù)據(jù)交互中，采用CORBA中間件，提高了傳輸效率;數(shù)據(jù)處理流程上采用了數(shù)據(jù)流速控制和發(fā)送請求，允許請求控制兩類機制，保證了數(shù)據(jù)有效傳遞。本文中以太網(wǎng)設(shè)備組件的開發(fā)，為其它設(shè)備組件的開發(fā)提供了參考。

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