外军软件通信体系结构规范

2020-02-05朱娇祝颂东阮轶杰

电子技术与软件工程 2020年7期

朱娇祝颂东阮轶杰

（1.31131 部队江苏省南京市 210000 2.陆装驻南京地区第一军代室江苏省南京市 211101）

（3.上海美多通信设备有限公司上海市 200333）

1 背景

美国国防部进行的联合战术无线电系统（JTRS)是世界上最先进的战术无线通信系统之一，为美军的现役战术电台系统，它是一种软件可编程的模块化通信系统，能与多种传统波形互通，可提供C4ISR 能力的、可扩缩的大容量战术电台系列。JTRS 建立在通用开放体系结构上，是保密的、即插即用的，JTRS 具有可现场配置的模块式硬件和波形软件，具有自动网络寻址和分配带宽的能力，基本工作频段为2 ～2000MHz，能传话音、视频和数据。JTRS 通过循序渐进的方式部署，逐步取代了传统的系统，自身易于升级和改进。

JTRS 的实施分为三个阶段：

1.1 体系结构定义阶段

为满足1997年美联合战术无线电台《任务需求说明》中确立的联合通信要求，JTRS 联合计划办公室将JTRS 实施的第一阶段任务确立为通信体系结构定义，美国雷声、摩托罗拉和波音公司被分别指派了定义软件通信体系结构的任务，于1999年6月完成了该阶段的工作。最终雷声公司提供的“软件通信体系结构（SCA: Software Communications Architecture)w，由联合战术无线电系统（JTRS)联合计划办公室颁布。

1.2 SCA的开发和验证阶段

该阶段具体划分为2A、2B 和2C 三个阶段。

2A 阶段的主要工作是开发和验证已经确立的SCA，包括显示模型的开发。该阶段中雷声、ITT、罗科韦尔和BAE 系统公司均开发了基于SCA 的车载、舰载或机载的样机。

2B 阶段主要验证SCA 扩缩性、波形因素效应及可选波形的开发。哈里斯公司的AN/PRC-117F 电台，能够提供一种单一的通信平台，将过去需要使用三种不同电台分别实现和空中联络官、飞行员和陆军支援部队通话的通信功能综合为一体。在“蟒蛇行动”中广泛应用于空军和海军请求近距离空中支援。

2C 阶段工程于2000年7月开始实施，着重验证SCA 在组网和加密方面有关的问题，理解多信道电台同时工作时的复杂性。

1.3 竞标采购阶段

该阶段的目标是采购约18 万部符合SCA 的JTRS 电台，以取代美军四个军种现装备的型号杂乱且不互通的战术电台。

2 SCA概述

软件通信体系结构规范建立了一个可实现的、独立的框架结构，该结构中包含了联合战术无线电系统中的软件可配置电台的最基本要求。这些要求包括了接口规范，应用程序接口(APIs)，性能规范以及一些规则。该规范的目的就是保证软、硬件的可移植性和可配置性，同时保证釆用该规范开发的产品之间的互操作性。

SC 重点包括软件体系结构、硬件体系结构和安全体系结构三方面的内容。在与可重用性有关的方面，SCA 进行了非常精确的定义，而对于一些具有特定使用要求的方面，它只进行一般性的定义。

对于硬件来说，在不同的领域里，物理上的和应用环境上的差别非常大，因而对于所有的实现来说不可能达到物理上的兼容性。然而，可以利用面向对象的方法来描述硬件，把硬件表示成硬件类，所有的可能的系统实现都包含在一个单独的框架里。这个框架拥有一些属性（也就是行为和接口），可以在不同的实现中应用。

软件的体系结构广泛利用了对象模块，它的定义主要在核心框架中。核心框架是整个系统操作环境的一部分。由体系结构对软件发展的制约是在接口和软件结构方面，而不是在功能的实现上。这样，一些具有知识产权的设计不但可以得到保护，并且能够在体系结构的其它实现中的被广泛地重复利用。SCA 允许使用硬件或软件来实现某个特定的功能。

图1 说明了SCA 的概念以及它在具体平台的实现。硬件定义停留在SCA 框架的层次上，软件定义可以直接深入到具体实现中，这是由于软件具有硬件无关的特性。有一些特殊的要求如尺寸、重量和功耗等限制了软件对象的直接应用。然而，即使在这些情况下，在软件、固件建模以及仿真过程中所获得的可重用性仍然可以大大减少实现的耗费，并且缩短研制周期。

3 软件体系结构

软件体系结构定义了一个操作环境，它包括核心框架服务和基础设施软件，如板级驱动、网络协议栈和串行接口服务、操作系统和服务以及CORBA 中间件服务等。该软件结构是釆用软件通信体系结构实现波形时的一种典型划分。图2 为软件体系结构图。

软件体系结构要能适用大多数工业总线体系结构，并支持可靠的传输机制。可选择的总线有VME、PCI、CompactPCI, Firewire (IEEE-1394)、Ethernet 等，允许在非信息安全（红）和信息安全（黑）的子系统中使用不同的总线体系结构。

图1：体系结构框架及其与实现之间的关系

图2：软件体系结构

图3：硬件体系结构框架

软件体系结构支持多个不同的串行和网络接口，如RS232, RS422, RS423, RS485, Ethernet, 802.x 等。对应这些接口，可采用不同的低层次网络协议，如PPP, SLIP, CSLIP, LAPx 等。

软件体系结构采用一个嵌入式操作系统来为核心应用软件和非核心的波形处理、网络应用软件提供多进程、多线程的支持。为了实现核心及非核心应用软件的可移植性，体系结构需要一个提供给操作系统服务的操作系统接口。

核心框架是一些基本的开放的应用层接口和服务，通过这些接口和服务来为软件设计者提供底层软、硬件的一个抽象。

图4：硬件安全要素示意图

应用程序执行用户通信的功能，这些功能包括调制解调层的数字信号处理、链路层的协议处理、网络层的协议处理、网络的路由功能、外部的输入/输出接口、安全及嵌入式应用等。应用程序必须使用核心框架的接口和服务。应用层中还包括支持非CORBA 组件的适配程序。

由上述可见，软件体系结构关键要点是：尽量使用标准的协议和产品；利用多层开放的软件结构把核心和非核心应用程序与底层的硬件隔离开来；利用CORBA 技术提供一个分步式处理环境，从而实现软件的可移植性、再重用性和可扩展性。

4 硬件体系结构

SCA 通过面向对象的方法对硬件结构进行了划分，具体为硬件体系结构中硬件类及子类的对象构成的层次关系，如图3 所示。

硬件类结构用于描述硬件是如何按照规范来实现的。通过面向对象的方法可使硬件结构能适用于各种不同的领域（如手持式，背负式，车载式，机载式和舰载/固定台式）。顶层硬件类与顶层的硬件功能相对应。顶层的硬件类可细化为与次层的硬件功能相对应的子类。由类或子类相关联的属性来描述各类或子类对系统特征和性能的影响。

模块的实现必须满足JTRS 对硬件可重用性、可扩展性和可扩充性要求。随着可编程能力和可编程的硬件技术的发展，功能实现从完全依靠硬件逐渐过渡到主要以软件应用来实现硬件功能。

功能的实现依赖于硬件内含功能和软件功能的相互结合，由此，图3 所示的硬件模块类框架中包括了可编程的功能类（处理器）和其它有内含功能的类。

为满足将来发展的需要，硬件结构类应具有可扩展性，即硬件类都能被扩展，以进一步增加性能，这可以通过增加新的类或在已有的类中增加新的属性来实现。这样既为硬件的定义提供统一的结构，同时具备内在的灵活性，以满足新的功能或波形的需求，同时支持软硬件性能进一步发展。

5 安全体系结构

SCA 系统结构至少要有一条独立的红边总线和一条独立的黑边总线，黑边部分处理不需保密的信息或已加密的保密信息；红边部分则处理未经加密的保密信息。红边和黑边之间通过加密子系统隔离。系统需要提供加密之外的信息安全，将通过生成独立的监测和防护措施功能以保证软件的正确使用和访问控制，或者综合利用硬件和运行在红边或黑边处理器上的软件平台来保证安全性。设备级安全包括电磁辐射防护、物理防护和电子防护三个方面。

硬件安全方面的要素包括可编程的信息安全、可编程的传输安全和密钥注入处理器，如图4 所示。

图4 遵循SCA 的硬件体系结构，红边部分的信息未经过保密处理，黑边部分的信息则经过了安全处理，两部分通过安全模块进行信息交互。

系统的软件体系结构允许对现有软件进行复用，集成标准软件模块如PCI 通用总线软件，以保持一个灵活的，具有友好用户界面的系统。那么对于软件来说，必须考虑三个方面的安全要素：软件防护；具有标准接口的专用保密模块控制软件；可靠的操作系统和CORBA 访问控制。

可编程模块化通信系统必须支持多级安全结构，即系统可以与工作在不同安全级别的系统同时进行通信。系统需要为不同的级别的数据提供储存、路由选择和控制的服务，具体实现方法是在数据上进行“标注”来区分不同的安全级别。系统安全要求有相应的密钥管理体制，并需要考虑商用现货的安全性。