摘要：針對飛行試驗(yàn)過程中基于以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臋C(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于VC環(huán)境下以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包分析處理軟件.該軟件對結(jié)構(gòu)化參數(shù)信息分析處理，及以TCP,UDP等協(xié)議傳輸?shù)臋C(jī)載采集的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析處理，同時(shí)對不同時(shí)間采樣的參數(shù)數(shù)據(jù)按照就近方法進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)一處理，提供有效的性能和狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析.經(jīng)過軟件測試后，該軟件能夠正確的提取參數(shù)數(shù)據(jù)，且效率較好.

　　0 引言

　　目前，大量應(yīng)用于飛行試驗(yàn)的Kam500機(jī)載測試系統(tǒng)，采集記錄的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)PCM 數(shù)據(jù).

　　PCM 格式數(shù)據(jù)由重復(fù)出現(xiàn)的長幀組成，每個(gè)長幀的長度是固定的，每個(gè)長幀包含若干個(gè)短幀.在網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包以EthernetⅡ協(xié)議廣播.采集記錄的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式.每個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的大小都可以不同，并且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中的參數(shù)個(gè)數(shù)也可以不同.根據(jù)記錄器的不同，記錄的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)可以是PCAP格式或者IRIG106-10格式.

　　以太網(wǎng)作為一種原理簡單，便于實(shí)現(xiàn)同時(shí)又價(jià)格低廉的局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界的主流.而更高性能的快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)更使其成為有前途的網(wǎng)絡(luò)技術(shù).以太網(wǎng)的幀是數(shù)據(jù)鏈路層的封裝，網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包被加上幀頭和幀尾成為可以被數(shù)據(jù)鏈路層識別的數(shù)據(jù)幀（成幀）.雖然幀頭和幀尾所用的字節(jié)數(shù)是固定不變的，但依被封裝的數(shù)據(jù)包大小的不同，以太網(wǎng)的長度也在變化，其范圍是64~1 518 B.用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Data Protocol,UDP）是與TCP 相對應(yīng)的協(xié)議.它是面向非連接的協(xié)議，它不與對方建立連接，而是直接就把數(shù)據(jù)包發(fā)送過去.UDP適用于只傳送少量數(shù)據(jù).對可靠性要求不高的應(yīng)用環(huán)境.它的通信效率高，但它的可靠性不如TCP協(xié)議高.TCP是面向連接的通信協(xié)議，通過三次握手建立連接，通信完成時(shí)要拆除鏈接，只能用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信.它是一種可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù)，采用“帶重傳的肯定確認(rèn)”技術(shù)來實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)目煽啃?該協(xié)議將包排序并進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，數(shù)據(jù)包中包括序號確認(rèn)，對未按照順序收到的包可以被排序，而損壞的包可以被重傳.以上的機(jī)制有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性.本文是在以Kam500 作為前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)對Kam500采集的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送到數(shù)據(jù)記錄器，記錄器以PCAP格式對采集的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行記錄.

　　1 PCAP 格式文件結(jié)構(gòu)概述

　　1.1 PCAP文件的整體結(jié)構(gòu)和頭結(jié)構(gòu)

　　PCAP 格式文件的整體結(jié)構(gòu)及PCAP 頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

　　PCAP文件頭24 B各字段說明：

　　Magic:4 B 0x1A 2 B 3C 4D,用來標(biāo)示文件的開始；

　　Major:2 B 0×0200,當(dāng)前文件主要的版本號；

　　Minor:2 B 0×0400,當(dāng)前文件次要的版本號；

　　ThisZone:4 B,當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)時(shí)間；

　　SigFigs:4 B,時(shí)間戳的；

　　SnapLen:4 B,的存儲長度；

　　LinkType:4 B,鏈路類型.

　　1.2 Packet包頭和Packet數(shù)據(jù)組成

　　PCAP格式文件中數(shù)據(jù)包的組成與數(shù)據(jù)包頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

　　字段說明如下：

　　Timestamp:時(shí)間戳高位，到s;

　　Timestamp:時(shí)間戳低位，到μs;

　　Caplen:當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)的長度，即抓到的數(shù)據(jù)幀長度，由此可以得到下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的位置；

　　Len:離線數(shù)據(jù)長度，網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際數(shù)據(jù)幀的長度，一般不大于Caplen,多數(shù)情況下和Caplen數(shù)值相等.

　　Packet 數(shù)據(jù)即Packet（通常就是鏈路層的數(shù)據(jù)幀）具體內(nèi)容，長度就是Caplen,這個(gè)長度的后面，就是當(dāng)前PCAP 文件中存放的下一個(gè)Packet 數(shù)據(jù)包，也就是說：

　　PCAP文件里面并沒有規(guī)定捕獲的Packet數(shù)據(jù)包之間有什么間隔字符串，下一組數(shù)據(jù)在文件中的起始位置.需要靠個(gè)Packet包確定.，Packet數(shù)據(jù)部分的格式其實(shí)就是標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議格式.

　　2 軟件的設(shè)計(jì)思路及結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1 軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

　　因網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)鏈路中傳輸可能出現(xiàn)時(shí)間滯后，數(shù)據(jù)順序打亂甚至丟包等問題.為了解決在數(shù)據(jù)解析當(dāng)中，解析數(shù)據(jù)在時(shí)間上是順序，經(jīng)過多次軟件調(diào)試試驗(yàn)，選擇定長時(shí)間5 s為時(shí)間窗，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析排序輸出，保證了因網(wǎng)絡(luò)延遲導(dǎo)致的采集數(shù)據(jù)點(diǎn)回跳的問題.對于第N 個(gè)時(shí)間窗出現(xiàn)N-1個(gè)時(shí)間窗的時(shí)間點(diǎn)參數(shù)，本程序進(jìn)行了剔除.在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包解析過程中，采用了內(nèi)存映射技術(shù)，通過內(nèi)存映射建立了原始網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到內(nèi)存的映射，然后讀取原始數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析處理.該方法因減少I/O操作時(shí)間，有效的提高了處理速度，能提高處理速度20%~30%.

　　2.2 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

　　該分析軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)對KAM 采集器采集，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的分析處理.軟件主要包括三個(gè)模塊，分別為PCAP頭信息分析模塊，數(shù)據(jù)提取.校準(zhǔn).計(jì)算輸出模塊及參數(shù)校準(zhǔn)信息提取模塊.通過解析PCAP頭信息結(jié)構(gòu)，提取到參數(shù)數(shù)據(jù)的原始碼制數(shù)據(jù)，然后根據(jù)提取的參數(shù)校準(zhǔn)信息，對參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，計(jì)算輸出物理量數(shù)據(jù).軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.

　　3 網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 軟件主程序設(shè)計(jì)

　　該軟件通過分析PCAP 格式文件對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析提取，首先解析PCAP 頭結(jié)構(gòu)，按照頭結(jié)構(gòu)來尋找文件開始標(biāo)識，并確定數(shù)據(jù)包的鏈路類型，進(jìn)行文件的頭結(jié)構(gòu)解析處理.其次解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的包頭，確定數(shù)據(jù)包的長度，讀取一個(gè)指定該長度的完整的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，該長度的數(shù)據(jù)包含以太頭結(jié)構(gòu)，目的和源端物理地址.IP地址.端口號等信息，然后是接收的指定傳輸協(xié)議和長度的塊數(shù)據(jù)，按照提取參數(shù)信息提取參數(shù)的采集數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果數(shù)據(jù)文件，其主流程圖如圖4所示.

　　3.2 提取參數(shù)信息分析

　　在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的分析軟件中，對所要提取參數(shù)數(shù)據(jù)需提供基本的參數(shù)信息，比如參數(shù)的位置.長度.參數(shù)取位.校線.校準(zhǔn)方式以及結(jié)構(gòu)體的參數(shù)信息等，通過提取參數(shù)信息確定參數(shù)數(shù)據(jù)信息，來提取參數(shù)數(shù)據(jù).提取參數(shù)信息的分析是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)提取的基礎(chǔ).其參數(shù)分析的流程圖如圖5所示.

　　4 軟件的測試

　　在基于PCAP 格式的以太網(wǎng)包絡(luò)數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對該軟件進(jìn)行了軟件的功能.效率.正確性.處理異常的能力等方面進(jìn)行了測試，經(jīng)過測試改進(jìn)，該軟件運(yùn)行正常，并能夠正確的解析PCAP格式的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù).該軟件的運(yùn)行界面如圖6所示.

　　5 結(jié)語

　　本文在VC軟件開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸?shù)腜CAP 格式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包分析處理軟件的設(shè)計(jì).并對該軟件進(jìn)行了軟件測試工作，經(jīng)過設(shè)計(jì)和測試，該軟件能夠有效地處理分析基于以太網(wǎng)傳輸?shù)牟杉腜CM數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)包形式的PCM數(shù)據(jù)解析，為飛行試驗(yàn)中基于網(wǎng)絡(luò)采集的試飛數(shù)據(jù)處理提供了方便.