一种具有网络流量整形的航空电子通信中间件系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有网络流量整形的航空电子通信中间件系统，该系统包括配置文件解析功能模块、协议转换功能模块与流量整形功能模块；其中协议转换功能模块由数据帧检测单元、帧结构重填单元以及SN插入单元构成。本发明专利技术中间件系统基于NDIS模型的改造，通过对数据帧结构重填与SN插入，实现了航空电子全双工交换式网络协议与TCP/IP协议的互相转换，通过内核态的延时数据包发送，实现了对数据包流的整形。最终获得的航空电子通信中间件能够作为普通以太网与航空电子全双工交换式网络的连接部件，实现航空电子应用通信过程透明的在航空电子全双工交换式网络上运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于网络通信领域，涉及到一种应用于航空电子全双工交换式以太网与普通以太网进行信息交互的通信中间件，通过此中间件，具有网络流量整形特征的航空电子全双工交换式网络能够与基于TCP/IP协议的普通以太网实现透明通信。
技术介绍
网络流量整形是航空电子全双工交换式以太网确定性机制实施的根本保障技术之一。在数据源通过对待发送的同一逻辑链路(虚拟链路)承载的前后相邻数据帧之间的时间间隔进行限制和约束，降低和平滑虚拟链路上数据帧的突发流量，从而达到数据源端发送消息限流的目的，保证虚拟链路逻辑带宽预分配机制，增强网络通信确定性过程。网络流量整形以每个虚拟链路为基本单元，在每个带宽分配间隔(Bandwidth Allocation Gap, BAG)中，发送的帧的数目不会多于一个。具有流量整形特征的航空网络，具备有消息传输时间确定性保证的能力，因此它适用于大型飞机航空电子系统的网络组建，能够满足我国航空电子网络系统的综合化互联应用和发展的技术要求。进行航空电子系统组网的关键元素包括端系统(End System,ES) 和交换机(Switch)。中间件处于操作系统与航空电子应用中间。中间件在操作系统、网络之上，航空电子应用之下，为处于自己上层的航空电子应用提供运行与开发环境，帮助系统开发者灵活、 高效地开发和集成航电应用。为了实现基于TCP/IP协议的航空电子应用能够透明地在适用于网络流量整形的航空电子全双工交换式以太网上运行和通信，在通信的双向都需要进行通信协议转换，利用中间件在通信模型中的位置，可以在此基础上在端系统集成处于内核态的通信协议中间件，并配合用户态应用程序，实现将COTS (Commercial-off-the-shelf，译文为商用现成品或技术)技术下已有的航空电子应用通信无缝地接入到航空电子全双工交换式网络中。
技术实现思路
本专利技术提供了一个具有网络流量整形的航空电子通信中间件系统。该系统包括配置文件解析功能模块、协议转换功能模块与流量整形功能模块。其中协议转换功能模块由数据帧检测单元、帧结构重填单元以及SN插入单元构成。所述协议转换功能模块利用检测条件对数据包进行检测，当数据包从普通以太网进入到航空电子网络时，检测条件为数据帧的物理分层、协议类型以及源端口号，当数据包从航空电子网络进入到普通以太网时，检测条件为数据帧的物理分层、MAC头以及VL_ID信息位，对符合检测条件的数据包进行航空电子网络通信协议帧格式与普通以太网TCP/IP 协议的互相转换。具体而言，当数据帧由普通以太网进入到航空电子全双工交换式以太网络中时，中间件对数据帧的物理分层、协议类型以及端口号进行检测，当检测到物理分层不小于3，协议类型为UDP (由于航空电子全双工交换式以太网中采用UDP数据包进行通信，因此，本专利技术通信中间件只对UDP数据包进行处理。)并且源端口与用户配置源端口号一致时，本专利技术中间件系统对该数据帧完成帧格式从TCP/IP协议到航空电子全双工交换式网络协议的转换；当数据帧由航空电子全双工交换式网络进入到普通以太网时，本专利技术中间件系统通过对数据帧的物理分层、MAC头以及VL_ID的检测，来确定该数据帧是否为航空电子全双工交换式以太网数据帧且来自于用户设定的需要处理的虚拟链路。如果数据帧是航空电子全双工交换式以太网数据帧并且此数据帧的VL_ID与用户设定的需要处理的虚拟链路的虚拟链路标识符相同，本专利技术中间件系统则对该数据帧完成帧格式从航空电子全双工交换式网络协议到TCP/IP协议的转换。所述流量整形功能模块是在数据帧由普通以太网进入到航空电子全双工交换式以太网络中时，针对航空电子全双工交换式以太网虚拟链路调度模型，利用NDIS内核调度延迟功能，实现的流量整形机制，即保证数据帧的帧间间隔不小于规定的时间间隔，从消息生成规律上直接限制接入航空电子全双工交换式以太网的通信带宽，保障了航空电子全双工交换式以太网络的通信确定性。在本专利技术中间件系统处理数据帧时需要的数据数据帧检测条件、帧结构重填区段以及帧间间隔，是在配置文件解析功能模块中进行定义，并对配置文件进行解析，从而将数据传递至协议转换功能模块与流量整形功能模块。本专利技术具有网络流量整形的航空电子通信中间件系统的优点在于①本专利技术采用在通信模型中的数据链路层实施协议转换，对基于TCP/IP协议的已有航空应用来说，提供了一种透明的接入到航空电子全双工以太网的接入方式，已有航空电子应用(第三方应用)不会感知在接入航空电子全双工和普通以太网的不同，在网络的升级过程中，最大化保护了已有开发资源，降低了网络接入难度。②本专利技术采用系统服务的方式提供中间件协议转换的实现，安装简单，操作方便， 不影响正常基于TCP/IP协议通信过程，同时采取基于配制的方式实现网络行为定制，显著增强了网络接入的灵活性和可配置性。附图说明图1是本专利技术中间件系统的功能模块结构框图。图2为本专利技术中间件系统的在端系统上的工作层次。图3为本专利技术协议转换功能模块中由TCP/IP协议到航空电子全双工交换式网络协议帧格式转换的实现流程。图4为本专利技术协议转换功能模块中由航空电子全双工交换式以太网协议到TCP/ IP协议帧格式转换的实现流程。图5为本专利技术流量整形功能模块的实现流程。图6为航空电子全双工交换式以太网协议帧格式。图7为本专利技术流量整形功能的原理。图8为本专利技术进行航空电子全双工交换式网络与普通以太网通信的流程图。 具体实施例方式下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术基于NDIS(Network Driver Interface Specification，译文为网络驱动接口规范)模型的改造，通过对数据帧结构重填与SN(Sequence Nubmer，译文为顺序号) 插入，实现了航空电子全双工交换式网络协议与TCP/IP协议的互相转换，通过内核态的延时数据包发送，实现了对数据包流的整形。最终获得的航空电子通信中间件能够作为普通以太网与航空电子全双工交换式网络的连接部件，实现航空电子应用通信过程透明的在航空电子全双工交换式网络上运行。图1为本专利技术的功能模块图。中间驱动程序在上端开放出一个Miniport (译文为微端口)接口 103，在其下端开放出一个ftx)t0C0l(译文为协议)接口 104。其中位于上面的Miniport接口 103与上层驱动程序的ftx)tocol接口 102进行对接。同样的，下面的!Protocol接口 104同底层驱动程序的Miniport接口 105进行对接。这样在安装了航空电子全双工交换式网络协议中间件的系统中，从上层向外界网络发送的数据包和从外界网络接收的数据包都必须经过中间层驱动程序的处理再继续传递。中间层驱动程序由配置文件解析模块107，协议转换功能模块108和流量整形功能模块109构成，其中协议转换功能模块108又分为数据帧检测单元110、帧结构重填单元111与SN插入单元112。图中所示每个小黑块代表一个数据包，多个数据包形成数据包流120，相邻两个数据包的时间间隔记为Tral，则有第一数据包与第二数据包之间的时间间隔记为Treall、第二数据包与第三数据包之间的时间间隔记为T_12、第三数据包与第四数据包之间的时间间隔记为Τ_13。利用流量整形功能模块10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有网络流量整形的航空电子通信中间件系统，该系统用于普通以太网与航空电子网络之间进行数据流转换传输，其特征在于该系统包括配置文件解析功能模块 (107)、协议转换功能模块(108)与流量整形功能模块(109)；其中协议转换功能模块(108) 由数据帧检测单元(110)、帧结构重填单元(111)以及SN插入单元构成(112)；所述配置文件解析功能模块(107)用于配置数据帧检测条件、帧结构重填区段以及帧间间隔，并对配置文件进行解析，从而将数据传递至协议转换功能模块(108)与流量整形功能模块(109)；所述协议转换功能模块(108)利用检测条件对数据包进行检测，当数据包从普通以太网进入到航空电子网络时，检测条件为数据帧的物理分层、协议类型以及源端口号，当数据包从航空电子网络进入到普通以太网时，检测条件为数据帧的物理分层、MAC头以及VL_ID 信息位，对符合检测条件的数据包进行航空电子网络通信协议帧格式与普通以太网TCP/IP 协议的互相转换；所述流量整形功能模块(109)是在数据帧由普通以太网进入到航空电子全双工交换式以太网络中时，针对航空电子全双工交换式以太网虚拟链路调度模型，利用NDIS内核调度延迟功能，实现的流量整形机制，即保证数据帧的帧间间隔不小于规定的时间间隔，从消息生成规律上直接限制接入航空电子全双工交换式以太网的通信带宽，保障了航空电子全双工交换式以太网络的通信确定性。2.根据权利要求1所述的具有网络流量整形的航空电子通信中间件系统，其特征在于中间驱动程序在上端开放出一个Miniport接口(103)，在其下端开放出一个ftOtocol 接口(104)；其中位于上面的Miniport接口(103)与上层驱动程序的ftOtocol接口(102) 进行对接；!Protocol接口(104)同底层驱动程序的Miniport接口(10 进行对接；这样在安装了航空电子全双工交换式网络协议中间件的系统中，从上层向外界网络发送的数据包和从外界网络接收的数据包都必须经过中间层驱动程序的处理再继续传递。3.根据权利要求1所述的具有网络流量整形的航空电子通信中间件系统，其特征在于利用流量整形功能模块(109)对数据包流进行流量整形后，数据包流中相邻数据包之间的时间间隔发生了改变，用户配置的帧间间隔记为TBAe，则有第一数据包与第二数据包之间的帧间间隔记为TBAei、第二数据包与第三数据包之间的帧间间隔记为TBAe2、第三数据包与第四数据包之间的帧间间隔记为TBAe3 ；当数据包流从普通以太网向航空电子全双工以太网发送时，对于检测到协议类型为UDP且源端口号与配置文件解析功能模块(107)传递来 Whport参数相等的数据帧，将先经过协议转换功能模块(108)的处理，即将数据帧的结构进行重新填充以及进行SN的插入；设置检测条件ip_p = 17，是由于航空电子全双工交换式以太网中采用UDP数据包进行通信，经过协议转换功能模块(108)的处理后，数据帧格式将从TCP/IP协议帧格式转换成航空电子全双工交换式以太网协议帧格式规范；协议转换功能模块(108)中所需^port参数以及帧结构重填字段均由配置文件解析功能模块 (107)提供；接下来，流量整形功能模块(109)将会对从协议转换功能模块(108)输出的数据包流进行进一步处理；利用实际帧间间隔Treal与用户配置帧间间隔Tbm比较的结果来判别是否对数据包流进行整形，如果Treal < Tbag,则对数据包流整形；例如图示中，计算到Trall <TBAe，则对数据包进行流量整形处理，当数据包从流量整形功能模块(109)输出时，时间间隔Treall已经规整到TBAei，则TBAei = Tbag ；计算到T_12 < Tbag,则对数据包进行流量整形处理，当数据包从流量整形功能模块(109)输出时，时间间隔Tral2已经规整到TBAe2，则TBAe2 =Tbag ；计算到Tral3 > TBAe，这样的数据包将不被处理，在从流量整形功能模块(109)输出时，时间间隔未发生改变，仍满足TBAe3 = Treal3 ；当在普通以太网接收数据包时，配置文件解析功能模块(107)对配置文件(113)进行解析，获得AvionicsVL_ID、TTL，DesIP与DesMAC 参数；AvionicsVLJD参数被传递至数据帧检测单元(110)，TTL、DesIP与DesMAC参数被传递至协议转换功能模块(108)；从I^otocol接口(104)输出的数据包先经过协议转换功能模块(108)的数据帧检测单元(110)的处理，数据帧检测单元(110)检测通过数据帧的 MAC头来确认该数据帧是否为航空电子全双工交换式以太网协议帧，若数据帧是航空电子全双工交换式以太网协议帧，进一步检测该数据帧的VL_ID信息位(511)是否与用户配置的Avi0niCSVL_ID参数一致；若一致，数据帧进入帧结构重填单元(111)处理；帧结构重填单元(111)利用TTL，DesIP与DesMAC参数并根据TCP/IP协议帧格式规范对数据帧结构进行重新填充，保证进入到普通以太网的数据包符合TCP/IP协议帧格式规范。4.根据权利要求1所述的具有网络流量整形的航空电子通信中间件系统，其特征在于用户需要在配置文件(113)中输入的配置信息包括三部分数据帧检测条件、帧结构重填区段以及帧间间隔；数据帧检测条件参数有Usp0rt、AvionicsVL_ID ；帧结构重填区段参数有VL_ID(606) ,User_Defined_ID(602),Interface_ID603,Partition_ID(608) ,TTL, DesIP, DesMAC ；帧间间隔参数BAG。5.根据权利要求1所述的具有网络流...

【专利技术属性】
技术研发人员：何锋，易娟，王彤，李峭，熊华钢，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：