陳雄 李宏民 徐玲玲 銀壯辰

摘要：針對(duì)軟件通信體結(jié)構(gòu)（SCA）電臺(tái)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(shí)現(xiàn)細(xì)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(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)硬件進(jìn)行有效封裝，采用公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)（CORBA）組件方式實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)邏輯設(shè)備，提供訪(fǎng)問(wèn)以太網(wǎng)口硬件的方法和屬性。為SCA電臺(tái)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(lèi)號(hào)：TN924+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)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(wèn)題，軟件無(wú)線(xiàn)電（Software Radio）應(yīng)運(yùn)而生[1]。軟件無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)（JTRS）計(jì)劃投巨資制定的技術(shù)規(guī)范，是未來(lái)各軍兵種無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)都將遵循的一體化結(jié)構(gòu)[2]。SCA是一個(gè)開(kāi)放的、與具體實(shí)現(xiàn)和外部硬件無(wú)關(guān)的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(tái)架構(gòu)具有開(kāi)放性、靈活性、可移植性和組件化等特點(diǎn)[4]。SCA系統(tǒng)從構(gòu)造一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通用的硬件平臺(tái)出發(fā)，采用軟件的方式來(lái)實(shí)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(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)從硬件基礎(chǔ)模式中解放出來(lái)，并能通過(guò)升級(jí)系統(tǒng)軟件輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的更新和升級(jí)。SCA平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示，通用硬件平臺(tái)可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需要進(jìn)行裁剪，通用軟件平臺(tái)部署在通用處理器（GPP）上：

平臺(tái)架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)，包括通信波形應(yīng)用、通用軟件平臺(tái)和通用硬件平臺(tái)。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(shí)際執(zhí)行體。通用軟件平臺(tái)為波形應(yīng)用開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)管理提供統(tǒng)一的接口和服務(wù)，同時(shí)對(duì)硬件平臺(tái)處理器進(jìn)行統(tǒng)一管理。通用硬件平臺(tái)為通信波形提供比特流和符號(hào)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(gè)軟件平臺(tái)上對(duì)框架接口和軟件結(jié)構(gòu)上做出了限制，但對(duì)各部分具體功能的實(shí)現(xiàn)并不做要求。平臺(tái)組件的開(kāi)發(fā)包括了設(shè)備及服務(wù)組件的開(kāi)發(fā)和波形應(yīng)用組件的開(kāi)發(fā)，這是平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)內(nèi)容。平臺(tái)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(tái)APls及設(shè)備組件

2.1 軟件平臺(tái)APls

通用處理器（GPP）具有靈活、可擴(kuò)展性和應(yīng)用可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)，承擔(dān)了SCA系統(tǒng)中通用軟件平臺(tái)角色。部署在GPP上的標(biāo)準(zhǔn)化API對(duì)于實(shí)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(yǔ)言（UMD的表達(dá)方式詳細(xì)描述了各類(lèi)接口之間的關(guān)系。這些以接口描述語(yǔ)言（IDD定義的接口以及這些接口的繼承類(lèi)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(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)（如編程語(yǔ)言或操作環(huán)境），也使得在一個(gè)平臺(tái)上開(kāi)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(wú)線(xiàn)電平臺(tái)，提高了在軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中部署新功能的速度，同時(shí)降低系統(tǒng)的維護(hù)成本[3][4]。SCA標(biāo)準(zhǔn)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(tái)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(lèi)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(shí)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(guò)軟件接口實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fǎng)問(wèn)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(shí)現(xiàn)細(xì)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(shí)現(xiàn)的邏輯設(shè)備。設(shè)備組件的設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢⒃L(fǎng)問(wèn)物理硬件設(shè)備的方法和屬性封裝成接口類(lèi)，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(wú)線(xiàn)電設(shè)備在不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求（如機(jī)載、艦載和手持），SCA4.O[7]提出了輕量級(jí)組件的設(shè)計(jì)，在設(shè)備組件的IDL文件中選擇性繼承接口，通過(guò)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(jì)主要包括三個(gè)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(jì)，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(shí)現(xiàn)，根據(jù)軟件平臺(tái)、功能需求和設(shè)備組件API標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[8]。在SCA系統(tǒng)中，組件采用統(tǒng)一建模語(yǔ)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(jì)，并選擇繼承需要實(shí)現(xiàn)的接口類(lèi)，同時(shí)可以被編譯成不同編程語(yǔ)言用于在不同操作環(huán)境（OE）中具體實(shí)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(jì)

根據(jù)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)電集（Joint Tactical Radio（JTR） Sets）中定義的一套通用的以太網(wǎng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其提供的服務(wù)和接口進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)設(shè)備是一種采用CORBA組件方式實(shí)現(xiàn)的邏輯設(shè)備，提供訪(fǎng)問(wèn)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(guò)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(gè)端口，總體上分為兩類(lèi)：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(guò)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(guò)該端口將控制信號(hào)、數(shù)據(jù)包大小、優(yōu)先序列數(shù)量、流量控制等報(bào)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(hào)、數(shù)據(jù)包大小、優(yōu)先序列數(shù)量、流量控制等報(bào)文信息傳入以太網(wǎng)設(shè)備;3）其使用者可通過(guò)該端口對(duì)以太網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)流進(jìn)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(lèi)。以太網(wǎng)設(shè)備的API是由端口類(lèi)中的方法實(shí)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(guò)繼承通用數(shù)據(jù)包接口類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如Packet、DevicelO。

3.2 以太網(wǎng)設(shè)備接口設(shè)計(jì)

SCA4.0中對(duì)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(duì)組件的劃分更為精細(xì)，對(duì)接口設(shè)計(jì)采用選擇性繼承方式，使得接口設(shè)計(jì)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(jì)是根據(jù)平臺(tái)提供的資源來(lái)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(lèi)圖如圖4所示，主要包括三類(lèi)接口類(lèi)圖，繼承接口類(lèi)和操作如表1所示;

4 以太網(wǎng)設(shè)備組件的具體實(shí)現(xiàn)

圖5所示，在SCA電臺(tái)中數(shù)據(jù)終端通過(guò)以太網(wǎng)設(shè)備與波形應(yīng)用組件相連進(jìn)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(shí)為了便于今后的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，預(yù)留模式配置接口。

4.1 實(shí)現(xiàn)方法

以太網(wǎng)設(shè)備是對(duì)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(tái)提供的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧對(duì)基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)硬件進(jìn)行有效封裝。通信過(guò)程中，每層協(xié)議都要加上一個(gè)數(shù)據(jù)首部（header），稱(chēng)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(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)控制。同時(shí)支持對(duì)以太網(wǎng)幀的抓取，方便對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的進(jìn)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(duì)象間通信連接，屏蔽分布、嵌入式計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境中各計(jì)算單元具體實(shí)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(jìn)行實(shí)現(xiàn)，定義和實(shí)現(xiàn)能具體化CORBA對(duì)象的伺服類(lèi)。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(hù)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(shí)例化端口對(duì)象，并將提供者端口的對(duì)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(kuò)展標(biāo)記（XMD文件中描述的連接關(guān)系，將域中提供者端口的對(duì)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(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)流從波形組件到以太網(wǎng)設(shè)備時(shí)，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(hù)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(guò)本地保存的以太網(wǎng)設(shè)備提供者端口的對(duì)象引用，獲取CORBA伺服類(lèi)對(duì)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(shí)，需要將數(shù)據(jù)包推送給相連的波形組件，此時(shí)，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(duì)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(shí)現(xiàn)分析

根據(jù)以太網(wǎng)設(shè)備基本功能需求，結(jié)合實(shí)現(xiàn)方法，分別對(duì)基本功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。圖6描述了以太網(wǎng)設(shè)備基本功能實(shí)現(xiàn)框圖。

（1）基于VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧叫作SENS，即可裁剪增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。SENS是基于TCP/IP協(xié)議棧發(fā)展而來(lái)，主要特點(diǎn)是在數(shù)據(jù)鏈路層（由網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)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(rèn)創(chuàng)建IP套接字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，在以太網(wǎng)設(shè)備連接使用者端口時(shí)，在connectUsesPort函數(shù)中，調(diào)用muxBind函數(shù)將協(xié)議類(lèi)型與特定的網(wǎng)絡(luò)接口綁定，函數(shù)參數(shù)傳入一個(gè)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(shí)，將在所有標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際上采用TCP/IP協(xié)議中原始套接字方式實(shí)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(tái)本機(jī)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(duì)象引用，通過(guò)調(diào)用對(duì)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(shí)，同樣調(diào)用PdcpConsumerOutPort端口保存的EthConsumerInPort端口對(duì)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(qǐng)求/允許請(qǐng)求控制來(lái)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)序圖和以太網(wǎng)設(shè)備消費(fèi)數(shù)據(jù)時(shí)序[10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)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(jì)方法，從以太網(wǎng)設(shè)備組件的端口定義、接口設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)展開(kāi)詳細(xì)的論述。以太網(wǎng)設(shè)備組件的端口定義和接口設(shè)計(jì)滿(mǎn)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(shí)現(xiàn)基于軟件平臺(tái)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(tái)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(qǐng)求，允許請(qǐng)求控制兩類(lèi)機(jī)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(kāi)發(fā)，為其它設(shè)備組件的開(kāi)發(fā)提供了參考。

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