用于针对航空电子系统的动态传输协议层管理的系统和方法与流程

现代飞机配备有支持用于建立机上应用和基于地面的应用之间的通信的多个数据链路选项的通信装备。普遍可用的数据链路的示例包括但不限于卫星通信（SATCOM）数据链路、VHF无线电通信数据链路、Wi-Fi数据链路和蜂窝通信数据链路。典型地，飞机机上的通信管理器维护针对各种数据链路的质量和可用性信息，并具有基于预定义偏好简档自动选择用于建立空中-地面通信的数据链路的能力。基于IP的基于策略的通信管理和数据链路管理的概念基于关于空中/地面接口通信管理器（MAGIC）的AEEC规范839。空中-地面通信的增长的体积基于标准的互联网协议群（IPS）而格式化。事实上，在航空产业中存在下述计划：其用于将承载空中交通管理（ATM）服务的所有空中-地面通信从基于ISO/OSI标准的现有ATN通信迁移到基于IPS标准的ATN通信。该所计划的转变的一个原因是：IPS准许使用新的宽带的基于互联网协议（IP）的空中-地面数据链路，并促进与基于IP的地面网络的标准化的直接连接性。也就是说，飞机应用将使用利用标准IPS协议实现的宽带空中-地面数据链路来与基于地面的应用通信。

国际民航组织已经发布了标准ICAO 9896，其指定IPS标准通信栈应当被用于实现IP空中-地面数据链路。在ICAO 9896中，指定了两种类型的传输协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。TCP提供了非常可靠的传输协议，但其性能易受诸如在某些数据链路（例如SATCOM数据链路）中固有的那些之类的等待时间影响。UDP是无连接传输且不遭受由于等待时间所致的性能问题，但以可靠性为代价。例如，UDP未提供诸如确认、超时、重传、分组排序和流控制之类的可靠性能力。关于应用使用这两个传输协议中的哪一个的决策是在软件开发阶段期间做出的。

关于使用IPS以用于空中-地面通信的一个问题在于：由机上通信管理器选择的数据链路的特性可能以不同方式不利地影响TCP和UDP通信的性能。例如，机上通信管理器在例如其它数据链路不可用或正在经历临时质量问题时可能选择SATCOM数据链路。虽然可靠，但SATCOM已知具有等待时间问题。因此，利用TCP的应用可能使其空中-地面通信被等待时间所导致的超时事件假中断（spuriously interrupted）。这可能导致由于所得到的包重传必要性而抬高完成该通信的成本。

出于以上陈述的原因并且出于在阅读和理解了本说明书时对本领域技术人员来说将变得明显的以下陈述的其它原因，在本领域中存在对于用于针对航空电子系统的动态传输协议层管理的改进的系统和方法的需要。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了用于针对航空电子系统的动态传输协议层管理的方法和系统且将通过阅读和研究以下说明书而被理解。

提供了用于针对航空电子系统的动态传输协议层管理的系统和方法。在一个实施例中，一种用于提供针对航空电子应用的动态传输协议层管理的方法包括：至少部分地基于由一个或多个简档和策略定义进行定义的准则来选择空中-地面通信IP数据链路；基于所选择的空中-地面通信IP数据链路并且进一步基于由所述一个或多个简档和策略定义进行定义的准则来选择传输层协议；基于所选传输层协议来实例化端口实体；以及使用套接字API经由端口实体在第一机上应用和与所选空中-地面通信IP数据链路相关联的无线电装置之间传输空中-地面通信消息。

附图说明

当结合优选实施例的描述和以下附图而考虑时，本发明的实施例可以被更容易地理解并且其另外的优点和用途可以更加显而易见，在附图中：

图1是图示了本公开的一个实施例的系统的框图；

图2是图示了本公开的一个实施例的系统的框图；

图3是图示了本公开的一个实施例的系统的框图；

图4是图示了本公开的一个实施例的过程的流程图。

依照惯例，各种所描述的特征未按比例绘制，而是被绘制成强调与本发明相关的特征。参考标记贯穿附图和文本指代相似的元件。

具体实施方式

在以下详细描述中，对附图进行参照，附图形成该详细描述的部分，且其中通过在其中可实践本发明的具体说明性实施例的方式示出。以充足的细节来描述这些实施例以使得本领域技术人员能够实践本发明，并且要理解的是，可以利用其它实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下做出逻辑、机械和电气改变。以下详细描述因而不应在限制的意义上理解。

本公开的实施例利用在使用TCP和UDP以用于通过数据链路之上的IPS通信之间进行动态选择的系统和方法来解决前面提到的问题。传输层协议由机上的基于IP的通信管理器（ICM）选择，并且参数可以配置成将传输层适配成满足下述各项：利用数据链路的飞机应用的服务质量（QoS）需要；以及被选择以提供用于飞机应用的空中-地面通信服务的空中-地面数据链路的QoS能力。

如以上提到的，UDP是无连接的，而TCP是面向连接的。UDP是比TCP更轻量的协议，这是因为其不具有在TCP中发现的可靠性机制。然而，对于某些应用、数据链路和QoS需要而言，UDP可能仍旧是比TCP更好的可替换方案，在这些应用、数据链路和QoS需要中，UDP上方的应用层可以承担可靠通信、分组排序和流控制的责任到所需要的程度。UDP之上的应用层可以具有可配置成适配于数据链路的固有性能的灵活性，并仍旧提供飞机应用所需的QoS。例如，当飞机在特定空域中时，诸如带宽和覆盖范围之类的因素可能使SATCOM成为针对空中-地面通信的优选或仅有数据链路选择。但是，由于等待时间所致的TCP性能降级可能防止SATCOM之上的TCP满足应用的QoS需要。如以下所描述，UDP可以被选择和配置成使得在这些情况下提供足够水平的传输可靠性。如果TCP仍旧是针对另一应用、数据链路和QoS的更好选择，则可以针对该情形而适当地选择和配置TCP。如本文所描述，本公开的实施例描述了用于在TCP和UDP之间动态选择并且基于应用的QoS需要和所选空中-地面数据链路的QoS能力配置所选传输的实施例。

图1是图示了本公开的一个实施例的机上飞机通信系统100的一个实施例的框图。系统100被绘制成满足传统空中交通管理（ATM）应用（在110-1、110-2和110-3处示出且在本文中被统称为应用110）的空中-地面通信需要。在图1中所示的实施例中，应用110由航空电子计算机系统105执行，航空电子计算机系统105包括用于执行应用110的至少一个处理器。在该术语遍及本公开而使用时，“空中-地面通信”是指在飞机机上执行的应用与地面站处的对应应用之间的通信。照此，该术语旨在涵盖双向通信。在图1中所示的实施例中，ATM应用110包括上下文管理（CM）应用110-1、控制器飞行员数据链路控制（CPDLC）应用110-2和广播式自动相关监视（ADS-B）应用110-3。这些空中交通管理应用的提及不旨在进行限制，而是作为说明性示例而被提供。在其它实施例中，ATM应用110可以包括包含不同应用或者更多或更少数目的应用的集合。

每一个ATM应用110通信耦合到对话服务（DS）模块120，对话服务（DS）模块120包括DS应用管理器121、端口管理器122、TCP端口管理器和汇聚层123以及UDP功率管理器和汇聚层124。

系统100还包括基于IP的通信管理器（ICM）130，其通信耦合到DS模块120。ICM 130包括数据链路管理功能131、路由器配置功能132、空中-地面网络协调功能133、策略管理功能134（其耦合到存储一个或多个简档和策略定义137的存储器136）以及传输决策逻辑和接口135（其在图1中与DS模块120的端口管理器122通信）。

IP数据链路140表示可用于系统100以用于建立空中-地面通信的无线无线电通信硬件选项。IP数据链路140可以包括SATCOM、UHV和VHF无线电、Wi-Fi和蜂窝通信数据链路中的一个或多个。如图1中所指示，一个或多个IP数据链路140是“ICM感知的”，意味着它们包括用于与ICM 130通信的接口。更具体地，IP数据链路140每一个与数据链路管理功能131传送专用于IP数据链路140的特定数据链路的QoS和数据链路网络状态信息。数据链路管理功能131进而可以确定每一个IP数据链路140的状态（例如，可用性和/或质量）并与它们通信以做出针对支持空中-地面通信的带宽分配的请求。也就是说，经由数据链路管理功能131，ICM 130基于当前应用需要以及数据链路可用性和条件来管理IP数据链路140以获取状态并请求QoS。

ICM 130是用于IPS传输选择和配置以及IP数据链路140选择的决策点。ICM 130基于请求空中-地面通信的应用的应用简档（如简档和策略定义137所提供）和当前QoS需要、数据链路140的数据链路简档（如简档和策略定义137所提供）以及当前可用性和QoS能力、以及一个或多个其它策略（如简档和策略定义137所提供）来做出这些决策。由简档和策略定义137提供的一个或多个策略可以包括定义航线关于数据链路使用的偏好的策略以及安全性策略和飞行安全策略。简档和策略定义137中的哪些适合于做出特定数据链路和传输协议决策的确定由策略管理功能134处置。

传输决策逻辑和接口135控制端口管理器122以引导应用110与所选端口（TCP或UDP端口）之间的通信。除IPS传输协议选择外，传输决策逻辑和接口135还与端口管理器122对接以用于状态和配置目的。

DS模块120是支持IPS传输层协议选择和配置的应用层功能。端口管理器122控制TCP与UDP之间的选择并在逐个端口的基础上配置TCP和UDP协议参数。该功能管理TCP和UDP端口管理器和汇聚层（分别为123和124）。如图1中所示，TCP和UDP端口管理器和汇聚层123、124耦合到标准套接字API 150并在其之上操作。

在操作中，DS应用管理器121从应用110之一接收通信消息并向端口管理器122发送该消息。端口管理器向TCP端口管理器和汇聚层123或UDP端口管理器和汇聚层124发送该消息。层123、124中的每一个耦合到端口管理器122并从端口管理器122接收配置、控制和状态信息。因此，取决于ICM 130所选择的传输层协议，TCP端口管理器和汇聚层123或UDP端口管理器和汇聚层124将配置成实例化端口实体并使用对套接字API 150的标准函数调用来处置用于应用的通信。套接字API 150将进而利用传输协议层下面的TCP（在151处示出）或UDP（在152处示出）。

本公开的上下文中的端口表示端口实体和端口号。每一个端口实体被实例化以向传输服务提供针对特定应用、数据链路和QoS定义的传输上下文。传输上下文由所选协议（TCP或UDP）以及所选协议中的参数的设置定义。端口实体实例化由相应TCP和UDP端口管理器和汇聚层123和124提供。

在一个实施例中，TCP和UDP端口实体使用标准套接字API 150和TCP/UDP/IP协议。TCP端口实体可以使用标准套接字API 150和内核网络接口来配置TCP以用于特定应用110、数据链路140和所需QoS。在一个实施例中，其使用通过套接字API 150提供的TCP服务。在一些实施例中，TCP端口管理器和汇聚层123直接与TCP层151通信以配置定时和其它可靠性参数。UDP端口实体可以提供附加功能以提供UDP层152的使用不固有地提供的可靠性、分组排序和流控制。在一个实施例中，公共UDP端口实体类提供可配置的功能。端口实体实例化或对象被配置用于特定应用、数据链路和QoS。其使用通过套接字API 150提供的UDP服务。还通过经实例化的端口来配置标准化IP寻址和端口编号。

由于传输层处置信息的端到端递送，因此航空电子设备中的IPS传输的选择和配置要求与诸如ATC中心或航线操作中心之类的地面端系统或与空中-地面服务提供商地面系统（其提供用于空中交通控制和航线操作中心的空中-地面服务）的协调。在一个实施例中，空中-地面网络协调功能133还与套接字API 150对接以提供飞机与地面应用之间关于下述内容的协调：在发起应用消息通过所选数据链路140的传送之前已经选择哪个传输层协议。也就是说，ICM 130中的空中-地面网络协调功能133与地面系统中的对等端功能关于IPS传输选择和配置进行协调。任何当前可用的基于IP的空中-地面数据和网络可以用于该协调。

在应用了所选传输层协议之后，在块153处针对IP网络之上的传输对消息进行格式化并将消息转发到基于IP的接入网络路由功能160。基于IP的接入网络路由功能160还经由相应路由器端口耦合到每一个IP数据链路140。路由表和其它路由配置参数由ICM 130的路由器配置功能132控制。基于用于实施空中-地面通信的数据链路管理功能131所选择的数据链路140，路由器配置功能132将基于IP的接入网络路由功能160配置成将消息路由到与被选择以促进用于应用110的空中-地面通信的数据链路140相关联的适当路由器端口以及从该适当路由器端口路由消息。

图2是图示了本公开的另一实施例的机上飞机通信系统200的一个实施例的框图。系统200基本上类似于系统100，使得图2中类似编号的元件将提供与关于图1描述的功能相同的功能，除了如以下指出的功能。在该实施例中，系统200被绘制成提供用于通过基于IP的数据链路140传送航空操作控制（AOC）和航空管理通信（AAC）信息的基于IP的应用210的空中-地面通信。在图2中所示的实施例中，应用210由航空电子计算机系统205执行，航空电子计算机系统205包括用于执行应用210的至少一个处理器。应用210中的一些（诸如在210-2处所示）是ICM感知的，因为它们可以动态请求QoS改变。非ICM感知的应用（在210-1处示出）仅被静态地简档化且不能做出动态请求。

系统200包括ICM 230，其包括关于ICM 130描述的相同元件和功能，但还包括应用管理功能236。应用管理功能236向ICM 230提供与ICM感知的应用210-2的接口，通过该接口，这些应用可以动态地从ICM 230请求QoS需要（诸如例如数据吞吐量）中的改变并且ICM 230可以与应用210-2共享诸如每一个数据链路140的可用性状态之类的信息。通过这样的信息交换，应用可以例如确定其是否可以在其与地面应用传送数据的速率方面做出调节。

系统200还包括传输层汇聚功能220，其包括关于DS模块120描述的相同元件和功能，除了DS应用管理器121被应用管理器221取代。应用管理器221与基于IP的应用210通信，并促进基于IP的应用210与TCP端口管理器和汇聚层123以及UDP功率管理器和汇聚层124之间的IP消息业务的传输。

以在图1中描述的相同方式，端口管理器122控制TCP与UDP之间的选择并在逐个端口的基础上配置TCP和UDP协议参数。该功能管理TCP和UDP端口管理器和汇聚层（分别为123和124）。

TCP和UDP端口管理器和汇聚层123、124耦合到标准套接字API 150并在其之上操作。在操作中，应用管理器121从应用210之一接收通信消息并向端口管理器122发送该消息。端口管理器向TCP端口管理器和汇聚层123或UDP端口管理器和汇聚层124发送该消息。层123、124中的每一个耦合到端口管理器122并从其接收配置和控制信息，并向端口管理器122发送状态信息。取决于ICM 130所选择的传输层协议，TCP端口管理器和汇聚层123或UDP端口管理器和汇聚层124将配置成实例化端口实体并使用对套接字API 150的标准函数调用来处置用于应用的通信。套接字API 150将进而利用传输协议层下面的TCP（在151处示出）或UDP（在152处示出）。

应当领会的是，包括系统100和系统200的组合的实施例也被设想为在本公开的范围内。例如，在一个实施例中，ICM（诸如ICM 230）可以耦合到诸如利用系统100说明的处置与ATM应用的通信的对话服务模块，且还耦合到诸如利用系统200说明的处置与基于IP的应用的通信的传输层汇聚功能。在另外其它实施例中，由对话服务模块120提供的功能和传输层汇聚功能220二者均集成到单个DS/传输层汇聚功能（诸如在图3中的320处总体示出）中。

图4是图示了用于提供针对航空电子应用的动态传输协议层管理的本公开的一个实施例的方法400的流程图。该方法在410处以至少部分地基于由一个或多个简档和策略定义进行定义的准则选择空中-地面通信IP数据链路而开始。空中-地面通信IP数据链路可以包括诸如但不限于SATCOM、VHF无线电、Wi-Fi或蜂窝通信数据链路之类的数据链路。空中-地面通信IP数据链路的选择还可以基于数据链路可用性、成本、数据带宽、等待时间、及时性以及其它QoS因素。

该方法继续进行到420，其中基于所选择的空中-地面通信IP数据链路并且进一步基于由该一个或多个简档和策略定义进行定义的准则来选择传输层协议。在一个实施例中，块420包括在传输控制协议（TCP）与用户数据报协议（UDP）之间选择。该选择可以至少部分地基于请求空中-地面通信的应用的QoS需要和所选空中-地面数据链路的QoS能力。在其它实施例中，传输层协议的选择至少部分地基于一个或多个简档和策略定义所定义的准则。该方法继续进行到430，其中基于所选传输层协议实例化端口实体以在第一机上应用与空中-地面通信IP数据链路之间通过套接字API传输空中-地面通信。如以上提到的，每一个端口实体被实例化以向传输服务提供针对特定应用、数据链路和QoS定义的传输上下文。传输上下文由所选协议（TCP或UDP）和所选协议中的参数的设置定义。端口实体实例化由相应TCP和UDP汇聚层提供。空中-地面通信消息然后可以在第一机上应用和与所选空中-地面通信IP数据链路相关联的无线电装置之间传送。在一些实施例中，第一机上应用可以包括诸如以上描述的多个非基于IP的空中交通管理（ATM）应用中的一个。在其它实施例中，第一机上应用可以包括诸如以上描述的多个基于IP的应用中的一个。在这样的实施例中，基于IP的应用可以被表征为ICM感知的或非ICM感知的。在基于IP的应用是ICM感知的情况下，块410和420处的选择中的一个或全部二者可以至少部分地基于由应用传送的偏好。另外，本公开的一些实施例包括同时施行的方法400的多个实例。

示例实施例

示例1包括一种用于提供针对航空电子应用的动态传输协议层管理的方法，所述方法包括：至少部分地基于由一个或多个简档和策略定义进行定义的准则来选择空中-地面通信IP数据链路；基于所选择的空中-地面通信IP数据链路并且进一步基于由所述一个或多个简档和策略定义进行定义的准则来选择传输层协议；以及基于所选传输层协议来实例化端口实体以通过套接字API在第一机上应用和空中-地面通信IP数据链路之间传输空中-地面通信。

示例2包括示例1的方法，其中空中-地面通信IP数据链路包括卫星通信（SATCOM）数据链路、VHF无线电数据链路、Wi-Fi数据链路、蜂窝通信数据链路或宽带的基于IP的空中-地面数据链路中的一个。

示例3包括示例1-2中任一个的方法，其中选择空中-地面通信IP数据链路进一步基于数据链路可用性、成本、数据带宽、等待时间、及时性和QoS因素中的至少一个。

示例4包括示例1-3中任一个的方法，其中选择传输层协议包括在传输控制协议（TCP）与用户数据报协议（UDP）之间选择。

示例5包括示例1-4中任一个的方法，其中选择传输层协议至少部分地基于第一应用的QoS需要和所选空中-地面通信IP数据链路的QoS能力中的一个或全部二者。

示例6包括示例1-5中任一个的方法，其中第一机上应用包括多个非基于IP的空中交通管理（ATM）应用中的一个。

示例7包括示例1-6中任一个的方法，其中第一机上应用包括多个基于IP的应用中的一个。

示例8包括示例1-7中任一个的方法，其中选择空中-地面通信IP数据链路和选择传输层协议中的一个或全部二者至少部分地基于由第一机上应用传送的偏好。

示例9包括一种用于提供针对航空电子应用的动态传输协议层管理的系统，所述系统包括：多个基于互联网协议（IP）的数据链路；包括至少一个处理器的航空电子计算机系统，其中航空电子计算机在飞机机上；第一模块，在飞机机上并且与在航空电子计算机系统上执行的一个或多个航空电子应用通信并且进一步与套接字应用编程接口（API）通信，第一模块包括第一传输层协议管理器和汇聚层以及第二传输层协议管理器和汇聚层；通信管理器，在飞机机上并且耦合到第一模块；其中基于由通信管理器传送的传输决策，第一模块将第一传输层协议管理器和汇聚层或第二传输层协议管理器和汇聚层中的一个配置成：实例化端口实体以通过套接字API在所述一个或多个航空电子应用中的第一应用与所述多个基于IP的数据链路中的第一基于IP的数据链路之间传输空中-地面通信。

示例10包括示例9的系统，其中第一传输层协议管理器和汇聚层包括传输控制协议（TCP）端口管理器和汇聚层；并且第二传输层协议管理器和汇聚层包括用户数据报协议（UDP）端口管理器和汇聚层。

示例11包括示例9-10中任一个的系统，其中第一应用包括非基于IP的空中交通管理（ATM）应用。

示例12包括示例9-11中任一个的系统，其中第一应用包括基于IP的应用。

示例13包括示例9-12中任一个的系统，其中由通信管理器传送的传输决策至少部分地基于由第一应用向通信管理器传送的偏好。

示例14包括示例9-13中任一个的系统，其中通信管理器包括：数据链路管理功能，选择第一基于IP的数据链路以用于从所述多个基于IP的数据链路传输空中-地面通信。

示例15包括示例14的系统，其中第一基于IP的数据链路包括卫星通信（SATCOM）数据链路、VHF无线电数据链路、Wi-Fi数据链路、蜂窝通信数据链路或宽带的基于IP的空中-地面数据链路中的一个。

示例16包括示例14的方法，其中通信管理器还耦合到飞机机上的基于IP的接入网络路由功能，其中通信管理器向基于IP的接入网络路由功能发送路由器配置以将与第一应用相关联的空中-地面通信消息路由到第一基于IP的数据链路。

示例17包括示例14中任一个的系统，其中数据链路管理功能基于数据链路可用性、成本、数据带宽、等待时间、及时性和QoS因素中的一个或多个来选择第一基于IP的数据链路。

示例18包括示例9-17中任一个的系统，其中选择传输层协议至少部分地基于第一应用的QoS需要和所选空中-地面通信IP数据链路的QoS能力中的一个或全部二者。

示例19包括示例9-18中任一个的系统，通信管理器还包括：空中-地面网络协调功能，向至少一个基于地面的应用传送传输决策。

示例20包括示例9-19中任一个的系统，通信管理器还包括：策略管理功能，耦合到存储一个或多个简档和策略定义的存储器；其中通信管理器至少部分地基于所述一个或多个简档和策略定义来生成传输决策。

在各种可替换的实施例中，遍及本公开描述的系统或方法中的任一个可以被实现在一个或多个机上航空电子计算机系统上，该机上航空电子计算机系统包括执行代码以实现关于图1-4描述的模块、功能、管理器、软件层和接口以及其它元件的处理器，所述代码存储在机上非暂时性数据存储设备上。因此，本公开的其它实施例包括驻留在计算机可读介质上的程序指令，其在由这样的机上航空电子计算机系统实现时使得它们能够实现本文所描述的实施例。如本文所使用的，术语“计算机可读介质”是指具有非暂时性物理形式的有形存储器存储设备。这样的非暂时性物理形式可以包括计算机存储器设备，诸如但不限于穿孔卡、磁盘或磁带、任何光学数据存储系统、闪速只读存储器（ROM）、非易失性ROM、可编程ROM（PROM）、可擦除可编程ROM（E-PROM）、随机存取存储器（RAM）或具有物理有形形式的任何其它形式的永久、半永久或临时存储器存储系统或设备。程序指令包括但不限于由计算机系统处理器执行的计算机可执行指令和诸如超高速集成电路（VHSIC）硬件描述语言（VHDL）之类的硬件描述语言。

尽管已经在本文中图示和描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将领会的是，目的在于实现相同目的的任何布置可以替代所示出的具体实施例。本申请旨在覆盖本发明的任何适配或变型。因此，清楚地意图在于本发明仅受权利要求及其等同物限制。