云服务技术在航电软件研发中的应用研究.pdf

航空电子系统硬件的发展，为云服务技术在航空领域的应用提供了可能。借助虚拟化及容器管理技术，将机载计算资源进行池化管理，并借助服务化技术，将复杂航电软件拆分为可协作的独立模块，能够实现航电软件的快速构建、灵活部署，并提高航电软件之间的互操作能力。本文讨论了云服务技术在航空领域的应用现状，研究并提出了一种应用于航电软件研发的云服务架构，给出了服务化和容器管理平台的实现方案，并构建了应用原型验证环境。【关键词云服务；航电软件研发；服务化；容器管理中图分类号TP311.1【文献标识码A文章编号10 0 6-141X(2023)02-0001-06Research on the Application of Cloud Service Technology in AvionicsSoftware DevelopmentLI hu,WANG Guan,JING Wen-jun,ZHOU Liang(China Aeronautical Radio Electronics Research Institute,Shanghai 200233,China)Abstract:The development of avionics system hardware provides the possibility for the application of cloud servicetechnology in the field of aviation software.By means of virtualization and container management technology,theairborne computing resources are pooled and the complex avionics software is divided into independent modules withthe help of service-oriented technology,which can realize the rapid construction and flexible deployment of avionicssoftware and improve the interoperability of avionics software.The application status of cloud service technologyin aviation is discussed and studied,and a cloud service architecture is proposed and applied in aviation.giving theimplementation scheme of service-oriented and container management platform anding build an application prototypeverification environment.Key words:cloud service,avionics software development,service-oriented,container management随着航空装备的飞速发展，航空电子系统需要具备的能力越来越复杂，并呈现出多目标、多信息、多专业、多任务、多功能、多资源和多过程的特征。为了适应这种能力需求，航空电子软件也日趋复杂，软件规模越来越大，单个系统功能的实现往往需要通过多个软件的复杂协同来实现。传统的航空软件研发过程中，软件与硬件资源存在强依赖、强绑定，难以实现软件的灵活部署，同时，软件之间的交联关系相对固定，也难以实现功能的动态扩展，最终导致难以应对航空电子系统的能力需求。收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 4引用格式：李虎，王冠，景文君，周亮.云服务技术在航电软件研发中的应用研究J.航空电子技术，2 0 2 3,54(2)：0 1-0 6.2023年航空电子技术另一方面，伴随着航空电子硬件技术的发展，航空平台的计算资源、网络资源等硬件基础设施正变得越来越丰富，为以云服务为代表的互联网新兴技术在航空领域的应用提供了可能。云服务，是指以容器、容器管理、服务化等技术为基础，将服务器、网络、存储等硬件资源，以及各类服务、应用、数据等软件资源，通过网络，以按需、易扩展的方式对外提供。通过虚拟化，云服务技术把任务分散到一定的虚拟资源中，从而有效的提升资源的利用率，并为系统的动态扩展提供便利。1航电软件云服务架构设计1.1云服务技术在航空领域的应用现状云计算经过十多年的发展，已越来越多地被应用于互联网等高端企业。为了推动云计算的可持续发展，帮助云原生技术开发人员快速、高效地构建产品，2 0 15年12 月11日，谷歌和Linux基金会联系创办了云原生计算基金会（CNCF：Cl o u d Na t i v eComputingFoundation），标志着云计算从基础设施的建设向应用的云架构的转变。2019年，美军宣称已经在F-16战斗机上成功测试和部署了容器管理平台Kubernetes和服务网络Istio，并正在逐步将大部分业务系统迁移到云原生环境中。2 0 2 0 年，美军在其B-21隐身轰炸机、U-2侦察机中部署运行了容器化软件。2 0 2 1年3月，美国防部发布了国防部企业DevSecOps战略指南等系列战略文件，给出了美军在DevSecOps应用中的指导原则，为美军在IT、应用、开发、授权等多方提供了教学、方案、实施及运行指南。1.2基于云服务的航电软件架构面向未来航空装备信息化、智能化发展，针对航空软件与硬件平台耦合度高、难以复用等问题，基于云服务的航电软件架构可以最大程度的解除应用软件对具体的硬件平台、操作系统和网络架构的依赖，并支持通过搭载丰富的扩展平台组件为应用软件提供系统级功能服务，解决机载软件可移植性差、重用难以及低效的互联互通等传统技术问题，实现适用于机载软件跨平台可复用、灵活高效的互联互通互操作，实现功能的动态重构2。基于云服务的航电软件架构设计采用面向服务的软件架构技术，结合基于云的虚拟化技术、容器管理技术、云服务中间件等技术，提供模块化、可配置性、可扩展性、互操作、安全性和保密性等架构属性，以保证特定实时计算应用的性能需求。应用层航空电子应用服务层服务化软件运行框架服务通信中间件服务管理服务监控个个个个支撑层容器管理平台容器镜像管理容器集群管理配置中心控制台资源层实时容器计算资源网络资源图形资源存储资源图1基于云服务的航电软件架构在应用层，对应用软件进行组件化、服务化、容器化封装，并根据业务逻辑需求实现不同功能的人机交互。在服务层，通过机载服务化软件运行框架，支持服务的编排与管理，提高应用间的互操作能力，实现服务的统一注册、本地及远程调用，进一步解除应用之间的耦合度，提高应用软件研发效率与部署的灵活性。在支撑层，基于实时容器技术，搭建容器管理平台，支持容器生命周期管理、容器集群管理、容器编排与调度等功能，实现基于容器的服务化应用的分发、编排和调度。容器管理平台承上启下，对上为整个系统赋予了组织协调管理能力，对下提供了应用分发、容器编排定义，以及业务调度和管理能力。在资源层，基于异构物理硬件资源，通过虚拟设备驱动，为上层操作系统、服务平台及应用软件提供通用的计算、存储、网络等资源，提高硬件资源的利用率，并为软件提供相互隔离的实时容器运行环境。基于云服务的航电软件架构，将航空平台上各计算节点的资源进行虚拟化，借助容器管理平台进行池化管理，同时，将航电应用软件进行服务化拆分，借助服务化软件运行框架进行软件开发、交互通信，实现了航电软件研发的软-硬解耦、软-软解耦。面向航电应用需求，云服务架构在实现时需要重点关注计算、存储、网络等资源受限，以及整个系统的确定性、安全性、可靠性要求等方面的设计约束，以满足航电系统的应用场景和要求。李虎，等：云服务技术在航电软件研发中的应用研究第2 期2机载服务化软件运行框架设计机载服务化软件运行框架的组成包括服务通信中间件、服务管理软件、服务监控软件。在运行时，服务通信中间件部署于机载系统中各工作结点，并集成在服务软件内部，作为软件之间服务交互的基础，服务管理软件及服务监控软件则部署于机载系统中的管理结点，完成对服务的管理调度与运维，服务管理软件及服务监控软件独立运行。（1）月服务通信中间件设计服务通信中间件为服务调用软件和服务软件提供通信支持，是机载软件实现服务化的技术基础，屏蔽服务实例创建、服务请求、服务响应、序列化反序列化和数据通信等中间处理过程的细节。服务通信中间件组件如图2 所示。服务软件服务函数服务调用软件函数调用与返回服务请求与响应服务通信中间件服务任务队列服务通信中间件序列化反序列化序列化反序列化本地服务管理图2 服务通信中间件组成来自服务调用软件的服务调用请求通过序列化，经由网络，发送到服务软件所在的工作节点，并由服务中间件的本地服务管理模块接收。本地服务管理模块根据收到的服务调用请求，并从对应服务的服务任务队列中选择可用的任务，接收该服务调用请求。服务调用请求进入运行中的任务后，经过反序列化映射为相应的函数调用，调用服务函数，在服务函数执行结束后，其返回值被序列化，并返回到服务调用软件所在节点，经过服务通信中间件的反序列化后，交付到服务调用软件。本地服务管理需要完成服务任务队列的创建与维护工作，根据当前工作结点的服务负载，动态调整服务任务队列的长度，以优化资源使用。为了满足航电系统网络资源受限的场景需求，服务通信中间件应支持对应用数据进行压缩与解压缩，以降低大数据量场景（如图片、视频流传输）下对网络资源的占用。O（2）服务管理软件服务管理软件提供服务注册、服务请求路由、服务状态监控等功能，维护机载系统软件之间的服务调用关系。服务管理软件组成如图3所示。管理结点服务监控软件服务信息列表服务管理软件服务路由服务注册中心服务状态管理服务注册服务检索服务状态上报服务调用软件服务软件工作结点工作结点图3服务管理软件组成服务注册中心用于处理服务软件发送的服务注册请求，记录系统中所有服务的基本信息，包括服务名称、服务所属节点、服务标识。服务路由用于处理服务调用软件发送的服务发现请求，依据请求中的服务名称，检索服务列表，并依据服务状态信息，择优匹配并返回检索结果。面向航电系统的确定性、安全性需求，服务路由应支持静态的服务QoS配置能力，以实现检索结果的可预测性。服务状态管理收集各服务软件上报的服务运行信息，包括运行状态和请求负载。服务状态管理识别并统计服务心跳信息，如果一个服务实例在设定时间范围内未上报运行信息，将被识别为离线服务，并被标识为不可用。服务状态管理向服务监控软件周期上报所有服务的运行信息。（3）服务监控软件服务监控软件提供对系统中所有服务的运行时状态监听、可视化展示与实时编排控制，用于辅助优化系统设计，同时提供对系统中运行服务的灵活调度能力，对系统中所有服务的运行状态进行全局控制。服务监控软件的组成如图4所示。2023年航空电子技术管理结点服务管理软件服务信息列表服务监控软件服务调用服务拓扑统计服务调用服务编排展示监听服务调用监听服务状态控制服务调用软件服务软件服务调用工作结点工作结点图4服务监控软件组成服务拓扑展示从服务管理软件获得服务信息列表，并从服务调用监听获得服务调用数据统计，并以可视化的方式呈现系统中各工作节点的全局服务调用关系、服务调用响应延迟等。服务调用监听订阅所有服务的调用信息，以获得系统中的服务调用拓扑、服务响应延时数据。服务编排提供了对系统中服务软件的组合方案的配置，并根据配置信息，对系统中各工作结点的服务软件进行启停控制，实现系统重构。3基于实时容器的机载容器管理平台设计3.1航电系统资源虚拟化需求分析资源虚拟化技术实现对航电系统各节点的计算、存储、网络等资源虚拟化和分布式管理，解决CPU、存储、网络等资源受限的问题，提高资源的利用率。基于云计算、云原生等相关技术，对航电系统的硬件资源，如计算、存储、网络等资源进行构建，向航电应用软件提供综合的基础设施服务；根据航电系统各节点的操作系统和通用服务能力，提供机载实时容器及容器编排管理的技术框架；提供对航电系统各节点内虚拟资源的全生命周期管理，包括开启、关闭、重启、删除等操作，支持节点内虚拟资源的资源分配与部署、配置和调度，支持节点内的服务注册、服务发现、服务管理与服务监控能力，满足机载高可靠、高安全和高实时的航电应用场景。3.2面向航电系统的实时容器技术容器技术有助于软件开发人员更快速、更安全地创建和部署应用程序。以传统方式开发的航电软件离不开特定的运行环境，容器技术则允许开发人员将应用软件运行所依赖的全部内容（包括数据文件、共享库和配置文件等）封装在容器镜像中，以实现标准开发环境的构建，并对开发完成后的应用软件及完整运行环境以容器镜像的形式进行整体部署、迁移。研发人员可以通过构建容器镜像，结合持续集成（ContinuousIntegration）系统进行集成测试，而后直接在目标环境中快速部署该镜像，或结合持续部署（Continuous Delivery/Deployment）系统进行自动化部署。面向航电系统的实时嵌入式环境，加入实时容器技术的实时多任务操作系统（RTOS：R e a l T i m eOperatingSystem）内核需要具备微秒级中断响应时间，并通过容器线程优先级限制，确保关键的高优先级实时线程不被抢占，有效保证任务关键型设备的实时响应能力。同时高效、先进、低开销的实现，容器间的切换需要做到微妙级，使得加入实时容器技术RTOS内核依然有着与标准版本RTOS相当的性能。实时容器保证了航电软件在开发与部署阶段的环境一致性，可以实现对整个应用运行环境的版本控制，一旦应用出现故障可以快速回滚，同时可以解决由于运行环境的变化产生的程序异常。实时容器具备轻量的特征，对系统资源的占用极低，并具备良好的硬实时性、优异的性能以及跨平台能力，可广泛适应机载应用场景。实时容器具备资源隔离与限制能力，可杜绝应用错误对操作系统与其他应用产生的影响，通过对容器内系统资源的配额管理，更好的实现系统集成。同时，实时容器兼容开放容器倡议（OCI：O p e n Co n t a i n e r In i t i a t i v e）容器镜像标准和运行时标准，可以与符合OCI标准的容器管理平台无缝对接。3.3基于实时容器的机载容器管理平台基于实时容器技术，通过搭建机载容器管理平台，支持对机载实时容器和其它符合OCI标准容器的管理，为航电系统提供部署、升级、回滚容器和应用等功能，以满足航电系统所需的高可靠性、灵活部署、快速升级等需求。机载容器管理平台采用主从架构，将航电系统中的计算结点分为管理节点与工作结点，管理结点作为集群的管理中心，工作结点则用于部署航电应第2 期李虎，等：云服务技术在航电软件研发中的应用研究用软件。机载容器管理平台实现容器镜像管理、节点管理、配置中心及控制台接口等功能模块。（1）容器镜像管理容器镜像为软件的迁移带来了灵活性，并且简化了软件的部署方式。容器管理平台为容器镜像提供统一的存储与管理功能，制作好的容器镜像纳入到管理节点的镜像仓库中，当需要在工作节点上运行这些镜像时，只需要工作节点从镜像仓库中拉取所需镜像，并启动运行镜像即可，如图5所示。管理节点同步其他镜像仓库镜像仓库拉取本地镜像运行容器缓存工作节点图5容器镜像管理容器管理平台能够获取镜像仓库中所有容器镜像的信息，包括镜像的来源、名称、版本、创建时间、系统架构等，也可以通过远程代理的方式，访问其它镜像仓库，通过同步机制，使工作节点能够快速使用其他仓库中的容器镜像。（2）容器集群管理机载容器管理平台的容器集群管理能够支持接入驻留实时操作系统的节点作为计算节点，待接入的计算节点需要部署容器运行时以及容器管理守护程序。调度器管理节点控制器监控器工作节点容器调度资源状态管理请求工作节点工作节点工作节点容器管理守护进程容器管理守护进程容器管理守护进程实时容器实时容器实时容器实时容器实时容器实时容器图6 容器集群管理如图6 所示，运行于计算节点上的容器管理守护程序一方面接收来自管理节点的容器调度管理请求，如拉取镜像、启动镜像，另一方面，实时监测本计算节点的CPU、内存等系统资源，定期获取服务指标，并将这些指标汇总、同步到管理节点。当某个工作节点因为系统或网络等故障导致不可用时，管理节点将实时标记该工作节点为不可用状态，同时，如果在当前系统中配置了其他的穴余工作节点，那么该故障节点上的计算业务将被调度到穴余节点上运行。在容器部署时，由管理节点上的调度器根据待调度容器及容器集群状态，将待部署的容器与工作节点进行匹配调度。为了满足航电系统中对安全性、确定性有较高需求的场景，一方面，管理节点应具备余部署的能力，另一方面，调度器应支持基于预先配置的运行蓝图进行匹配调度的能力，以实现管理节点的高可用以及调度结果的可预测性。（3）酒配置中心在机载服务化架构下，一个服务作为一种公共能力，可能会被同时部署在多个工作节点上，当服务中存在某些变量，或者一些变量使用的地方比较多时，往往需要通过配置的方式，对这些变量进行动态读取，同时，为了保持整个航电系统中同一个服务的一致性，则需要在所有部署相同服务的工作节点上对服务的配置信息进行同步。为了解决该问题，容器管理平台需要设计配置中心，实现对配置信息的统一存储与动态读取。管理节点配置中心Key:ValueKey:ValueKey:Value工作节点工作节点工作节点实时容器运行时实时容器运行时实时容器运行时实时容器实时容器实时容器实时容器实时容器实时容器图7 容器集群配置中心（4）控制台容器管理平台提供图形化的控制台，允许用户通过浏览器访问容器管理平台，并以直观、便捷的方式管理机载容器集群。通过控制台图形界面，能够执行查看集群状态、部署容器等操作，并对容器进行创建、运行、删除、查询、暂停等操作。62023年航空电子技术4应用原型验证4.1应用原型验证环境基于ARM32/64架构处理器的硬件环境，搭建航电云服务技术应用原型验证环境，共包括6 个计算结点，其中3个为管理节点，采用银河麒麟操作系统，3个为工作节点，采用银河麒麟Linux操作系统及国产SylinxOS操作系统，各节点间以千兆以太网进行通信。通过在该应用原型验证环境中部署机载服务化软件运行框架及机载容器管理平台，并编写相应的测试用例，开展航电软件云服务技术的应用原型验证，如图8 所示。管理节点工作结点提供计算、存储、网络等资源服务化、容器化资源编排调度业务应用服务化提供服务访问统一入口业务应用容器化容器引擎图8 应用原型验证环境4.2应用原型验证结果分析基于该应用原型验证环境，通过编写测试用例，对机载服务化软件运行框架及机载容器管理平台的功能及关键性能进行了测试验证。应用原型验证的功能测试包括：航电软件服务化功能验证，多节点系统下服务化框架正常运行，具备节点内及节点间的运行时服务发现、远程服务调用、服务状态监控、服务部署和服务调度的能力；航电软件容器化功能验证，多节点系统下软件容器化运行正常，具备容器的启动、删除、迁移等生命周期活动；资源管理与容错功能验证，基于云服务的航电软件容器化隔离、系统资源按需分配和容错能力。应用原型的关键性能测试结果如表1所示。表1应用原型关键性能测试结果性能指标测试结果服务调用延时2461 s容器调度时间141 ms容器通信时延245 s容器迁移时延221 ms容器故障检测时间1.6s基于应用原型验证环境，一方面初步验证了云服务技术在航电系统中应用的功能可用性，其性能也基本满足航电软件的运行需求，另一方面，也验证了云服务技术给航电系统带来软件灵活部署、功能动态重构等能力，以及系统可靠性的提升。5结束语航空装备发展的关键是推动以大数据、人工智能、物联网技术等为代表的新一代信息技术与航空领域的深度融合，而云服务技术在航电软件研发领域的成功应用，则是实现新一代信息技术与航空领域深度融合的必要支撑。本文面向航空领域，提出了基于云服务的航电软件架构，并进一步给出了机载服务化运行框架及机载容器管理平台的初步设计，以此为基础，推动云服务技术在航电软件研发中的应用与研究，提升航空软件的研发效率，实现航空平台能力的快速生成。参考文献1 Li Z,Li Q,Xiong H.Avionics clouds:a generic schemefor future avionics systemsC.Digital Avionics Systems Con-ference.IEEE,2012.DOI:10.1109/DASC.2012.6382402.2鲁俊，何锋，熊华钢.航空电子云系统架构与网络.航空电子技术，2 0 17,48(0 3)：1-9.3李亚晖，王中华.机载云计算技术研究1.航空计算技术,2 0 2 1,51(0 2):10 1-10 4.4李.面向航空电子云计算的异构通信系统关键技术研究D.北京航空航天大学，2 0 15.5屠晓杰.航空电子云的系统设计与性能分析关键技术研究D.北京航空航天大学，2 0 13.