面向航空电子的分区内核关键技术研究

论文摘要

传统架构的机载操作系统采用的“亡羊补牢”方法，已不能满足日益复杂的航空电子系统对机载软件安全性的要求。基于巨内核的系统，由于内核功能复杂、结构庞大，无法进行形式化验证保证系统的安全性。多重独立安全级别（MILS）架构则从预防的角度解决通信安全问题，在实现上采用分区内核。因此，分区内核作为MILS架构的基础，逐渐成为国内的研究热点。本文将围绕分区内核中的关键技术展开研究。本文以综合化航空电子结构的特征为基础，分析了分布式操作系统的航空和军事应用环境、通信状况、效率、应用需求及其局限性等因素，研究了分布式MILS体系结构的理论模型。设计了“自陷”（TRAP系统调用）机制和内核接口。TRAP系统调用机制保证了系统调用的可抢占；内核接口满足了分区内核的功能需求，基本上能够为上层的开发提供基础。设计了动态分区调度算法，并利用此算法实现了分区的动态调度。通过研究分区间通信机制，提出了一种改进的基于分区内核的共享内存模型，保证了消息传递的可靠性及高效性。与传统的TRAP系统调用机制相比较，本文设计的TRAP系统调用机制能够有效缩短关中断时间，及时响应硬件中断。实验结果表明，本文提出的动态调度算法解决了静态调度在系统处于空闲状态下CPU利用率较低的问题，提高了CPU的利用率。在后续的研究工作中，将继续实现分区内核周期处理部分的功能，从而进一步完善内核功能及接口。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 背景与意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文工作
• 1.4 章节安排
• 第二章 面向航空电子的 MILS 安全体系结构研究
• 2.1 基于 MILS 的综合化航空电子系统安全体系结构
• 2.2 分区内核层
• 2.2.1 内核的分类
• 2.2.2 分区内核的安全策略
• 2.2.3 分区内核的时空隔离特性
• 2.2.4 分区内核的特点
• 2.3 中间件层
• 2.3.1 中间件层提供的服务
• 2.3.2 分区间通信系统
• 2.4 应用层
• 2.5 MILS 硬件支持
• 2.6 小结
• 第三章 TRAP 系统调用机制设计及内核接口总体设计
• 3.1 T RAP 系统调用机制设计
• 3.1.1 内核重要性能指标分析
• 3.1.2 隔离保护机制的分类
• 3.1.3 传统 TRAP 系统调用机制研究
• 3.1.4 分区内核的 TRAP 系统调用机制设计
• 3.2 内核接口总体设计
• 3.2.1 分区内核需求分析
• 3.2.2 分区内核结构设计
• 3.2.3 分区内核接口设计
• 3.3 小结
• 第四章 动态分区调度算法设计
• 4.1 动态分区调度的意义
• 4.2 基于滚动时间窗的动态分区调度算法设计
• 4.2.1 动态分区调度算法原理
• 4.2.2 滚动时间窗算法设计
• 4.2.3 动态分区调度算法设计
• 4.3 动态分区调度的设计
• 4.3.1 时间分区的数据结构设计
• 4.3.2 CP U 占用情况统计流程
• 4.3.3 动态分区调度流程
• 4.4 仿真及结果分析
• 4.5 小结
• 第五章 基于分区内核的共享内存访问建模
• 5.1 空间隔离安全性研究
• 5.2 MILS 架构下实现分区间通信的技术难点分析
• 5.3 基于分区内核的共享内存访问模型建立
• 5.3.1 共享内存访问基本原理研究
• 5.3.2 MILS 架构下实现共享内存访问的特殊要求分析
• 5.3.3 共享内存访问模型建立
• 5.3.4 一种优化的消息结构设计
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果