航空机载以太网网络数据记录软件设计

　　摘要：航空电子设备的复杂程度和信息综合程度不断提高, 尤其是特种飞机任务电子系统具有较高的信息收集能力, 传统数据总线无法满足其数据通信要求。随着网络技术的发展, 以太网以其传输速率高、扩展能力强等特点, 已广泛应用于军、民用飞机的设计。文章介绍了一种基于网络监听、动态内存池和多线程的机载以太网任务数据记录系统。该系统连接交换机监视端口, 通过交换机映射功能将网络数据镜像到监视端口, 利用原始套接字完成任务数据的捕获。针对以太网数据传输速率高的特点, 设计了动态内存池以更高效地使用和管理数据缓存, 并利用多线程技术实现了任务数据捕获、过滤和存储的并行执行, 从而大幅提高数据记录速率。测试结果表明该系统可有效应用于机载高速网络环境下的数据记录。

　　关键词：任务电子系统; 数据记录; 网络监听; 原始套接字; 动态内存池; 多线程;

　　Abstract：The complexity of electronic avionics and the comprehensiveness of information are constantly improving. In particular, mission electronic systems of special aircraft have high capabilities for information collection, and traditional data buses can't meet their data communication requirements. With the development of network technology, Ethernet has been widely used in the design of military and civilian aircraft due to its high transmission rate and strong scalability. This article describes an airborne Ethernet mission data recording system based on network monitoring, dynamic memory pool and multithread. The system is connected to the switch monitoring port, which mirrors the network data to the monitoring port through the switch mapping function and uses the raw socket to capture the task data. In view of the high data transmission rate of Ethernet, the dynamic memory pool is designed to use and manage the data cache more efficiently, and the multi-threading technology can realize the parallel execution of task data capture, filtering and storage, thus greatly increasing the data recording rate. The test results show that the system can be effectively used in airborne high-speed network environment data records.

　　Keyword：mission electronic system; data recording; network monitoring; raw socket; dynamic memory pool; multithread;

　　传统航空电子系统主要采用ARINC429以及MIL-STD-1553B等总线进行数据通信, 这些总线标准具有可靠性高、通信质量稳定等特点, 在当代航空、航海等军事领域得到了广泛应用。随着科学技术的飞速发展, 航空电子设备的复杂程度和信息综合程度都有了很大提高, 尤其是特种飞机的任务电子系统通常具有较高的信息收集能力, 对数据总线的通信能力特别是带宽具有很高的要求, 而传统总线输速率低、扩展能力有限, 无法满足任务电子系统对数据通信的要求[1]。以太网以其传输速率高、扩展能力强等特点, 已广泛应用于当前飞机的设计, 如空客A380大型客机和欧洲七国联合研制的A400M军用运输机上均使用了航空电子全双工交换以太网[2]。随着网络技术在军、民用飞机上的大量使用, 机载以太网数据的采集和记录已成为试飞测试技术的重要内容, 是科研调整及鉴定试飞进行事后数据分析和性能指标评定的基础, 必须为其开发一个高速可靠的以太网数据记录系统。

　　1、机载以太网任务数据记录方案

　　1.1、数据采集方式

　　网络监听是一种简单、有效获取被测网络数据的方法, 在民用领域被广泛应用于网络入侵检测系统等。由于网络监听方式的数据采集主机只是被动接收在局域网上传输的信息, 它不主动与其他主机交换信息, 也不修改在网络上传输的数据, 故该方式不影响网络系统的工作[2]。机载以太网通常采用星形拓扑结构, 各分系统通过以太网交换机进行数据通信。交换机具有映射功能, 通过编程可将需监视端口的数据镜像到监视端口, 本文采用网络监听方式完成机载以太网数据采集。

　　1.2、系统组成

　　机载以太网任务数据记录系统由系统硬件和网络数据记录软件构成。系统硬件采用机载加固计算机以满足机载环境要求, 计算机自带百兆/千兆自适应网卡, 通过网线与任务电子系统交换机监视端口连接。通过交换机编程将所需监视端口的数据镜像到测试端口, 并设置网卡为混杂模式以实现任务电子系统网络数据的捕获和记录。系统硬件构成及数据流如图1所示。

图1 机载以太网任务数据记录系统构成

　　网络数据记录软件是以太网任务数据记录系统的核心组件, 选用Windows XP操作系统和Visual C++6.0作为开发环境, 其主要功能包括:

　　(1) 网络适配器 (网卡) 和采集方式设置;

　　(2) 捕获数据包并进行过滤;

　　(3) 将选取的数据包保存到磁盘。

　　2、网络数据记录软件设计

　　2.1、原始套接字

　　套接字是一种网络编程接口, 它为分布在网络中不同主机上无联系的进程间通信提供了一种发送和接收数据的机制。根据传输数据类型的不同, 套接字可分为流式套接字 (SOCK_STREAM) 、数据报套接字 (SOCK_DGRAM) 和原始套接字 (SOCK_RAW) 。

　　通常网卡只响应与自己MAC地址相匹配或是以广播形式发出的数据帧, 对于其他数据帧则直接丢弃。为了使网卡接收所有经过它的封包, 需要将其设置为混杂模式, 在用户模式下对网卡混杂模式的设置是通过原始套接字实现的[3]。原始套接字操作步骤及相应函数如下:

　　2.2、数据包过滤

　　原始套接字允许访问底层传输协议, 其接收到的数据报包含完整的IP头和TCP/UDP头信息。通常IP头长度为20字节, 如果含有选项字段, 其长度会增加但最大不会超过60字节[4], 具体格式如图2所示。TCP头以20个固定字节开始, 在固定头后面还可以有一些长度不固定的可选项, 具体格式如图3所示。UDP头结构较简单, 长度为8字节, 具体格式如图4所示。

图2 IP头格式

图3 TCP头格式

图4 UDP头格式

　　记录软件捕获到数据包后, 根据协议头结构可提取数据包服务类型 (TCP、UDP等) 、IP地址和端口信息, 根据这些信息可实现对捕获数据包的过滤。

　　2.3、动态内存池设计

　　在高速数据捕获技术中, 需要使用大量的内存来缓存捕获的数据包。当前数据捕获技术主要使用操作系统内存管理器来管理内存, 而使用系统内存管理器实现如此频繁的内存分配和释放有以下几个缺点[5]:

　　(1) 频繁在堆上创建和释放内存, 会导致性能损失, 同时会产生大量的内存碎片, 降低了内存的利用率;

　　(2) 内存分配需要一定的时间, 如果数据包在等待内存分配时到达网卡, 将造成数据包的丢失;

　　(3) 频繁的内存分配, 将有很大几率碰到内存分配失败的情况, 也会使数据包没有被缓存而丢失。

　　考虑到上述缺点, 本文采用动态内存池的方法提供内存管理。动态内存池使用双链表实现, 每个节点包含长度为数据包最大长度的内存块, Free链表由未缓存数据包的空节点组成, Used链表由包含捕获数据的节点组成。

　　应用程序事先申请多个节点并放入Free链表尾部, 捕获时将数据包保存到Free链表的头节点, 然后将该节点从Free链表移除并添加到Used链表尾部;对Used链表头节点缓存的数据包进行相应处理后, 将其从Used链表移除并添加到Free链表尾部。当有数据包被捕获时, 直接循环使用内存池中已分配好的内存, 花费时间仅为几个指针的变化, 远小于现场分配内存的时间, 可大大提高数据捕获效率。

　　2.4、高速数据记录技术

　　在百兆甚至千兆的高速网络环境中, 如果数据记录速度不能与之匹配, 将导致网络数据包的大量丢失, 从而无法用于事后数据分析及系统性能评定。除了提高硬件性能外, 通过软件优化设计同样可以大幅提高数据记录速率, 且提升空间更大、成本更低。

　　常规的数据记录技术采用边捕边存方式, 即捕获一个数据包然后把数据内容写入磁盘, 然后再开始捕获下一个数据包。此时, 记录一个数据包的时间包含捕获时间和存储时间。

　　如果将数据捕获与存储相分离, 则记录一个数据包的时间为捕获和存储时间中较长的时间。因此, 捕获存储分离方法比边捕边存方法支持更高的数据传输速度。

　　此外, 如果将每个数据包单独写入磁盘, 频繁的磁盘IO操作会导致数据存储效率进一步下降, 存储较大数据量后一次写入可在一定程度上提高存储效率。

　　针对高速网络环境和软件功能需求, 本文设计了一种高速数据记录技术, 采用动态内存池作为捕获缓冲区, 采用双缓存作为写缓冲区, 通过多线程并行完成网络数据的捕获、过滤及存储。

　　数据捕获线程不断从捕获缓冲区Free链表头部取得内存节点, 保存捕获数据后将其放入Used链表尾部;

　　数据过滤线程不断从捕获缓冲区Used链表头部取得已用内存节点, 进行过滤后将数据包复制到写缓冲区, 然后将节点放入Free链表尾部, 当前写缓冲区满后对双缓存进行乒乓操作;

　　数据存储线程不断检测写缓冲区, 当有数据时将其写入磁盘。

　　2.5、多线程同步

　　多线程的使用改善了资源利用率、提高了系统吞吐量、减小了系统开销, 但由于线程运行的异步性, 也给操作系统带来了一些问题, 尤其是在它们征用共享资源的时候。

　　高速数据记录技术中, 捕获线程和过滤线程同时访问捕获缓冲区, 过滤线程和存储线程同时访问写缓冲区, 不同线程同时对一块内存进行操作时将导致数据紊乱。因此, 需使用多线程同步技术, 某一线程在使用资源时, 对该资源进行独占, 期间其它线程不可以访问该资源, 直到该线程释放对资源的独占为止。

　　Win32操作系统主要利用临界区、互斥元、信号量、事件等4中对象实现线程同步。本文采用临界区实现线程同步, 因为它不涉及内核对象操作, 具有很高的操作速度。

　　3、性能测试

　　为了验证系统的数据记录性能, 在不同数据速率下对其数据丢包率进行了测试, 测试结果见如表1, 所用计算机主要硬件配置为:

表1 不同网络速率下系统丢包率统计结果

　　测试结果表明机载以太网任务数据记录系统在250Mbps的网络环境下丢包率仍然为零, 适用于当前绝大多数机载任务电子系统的网络数据记录。

　　4、结束语

　　本文提出了一种机载以太网任务数据记录系统, 该系统通过网络监听方式被动接收任务数据, 对网络系统不产生影响, 并可通过交换机编程及软件配置灵活过滤数据内容, 通过动态内存池及多线程技术提高了网络数据记录速度。测试结果表明该系统可有效应用于机载高速网络环境下的任务电子系统数据记录, 并可推广应用于其它高速网络系统的数据记录。

　　参考文献
　　[1]翟正军, 羊昌燕, 易川, 等.基于AFDX的特种飞机任务电子系统总线应用研究[J].测控技术, 2013, 32 (5) :17-20.
　　[2]霍朝晖, 魏建新, 覃燕.飞行试验机载网络数据采集与分析技术[J].现代电子技术, 2011, 34 (11) :144-147.
　　[3]王艳平, 张越.Windows网络与通信程序设计[M].北京:人民邮电出版社, 2006.
　　[4]鲁恩铭, 高建华.原始套接字网络嗅探器的实现与应用[J].计算机安全, 2013 (2) :23-26.
　　[5]冯宏华.C++应用程序性能优化[M].北京:电子工业出版社, 2007.
　　[6]孙宁, 刘洁瑜, 钱培贤.多线程技术在加速度计数据采集中的实现[J].国外电子测量技术, 2006, 25 (5) :37-39, 42.
　　[7]张玉琴, 王亮, 李盘文.高性能网络数据捕获方案的分析和优化[J].电子测量技术, 2015, 38 (6) :135-138.
　　[8]邱桔, 陈若珊.一个基于原始套接字的Sniffer的设计与实现[J].计算机应用与软件, 2006, 23 (4) :117-119.
　　[9]王华涛.多总线数据记录系统的设计与实现[J].信息化研究, 2010, 36 (1) :51-53.
　　[10]李旭芳, 梁健.入侵检测系统中网络数据采集技术研究[J].微型电脑应用, 2006, 22 (4) :16-18.