Caractéristiques des aéronefs et CRC

Parmi les différentes caractéristiques d'un aéronef, certaines sont fixes dans le sens où elles ne varient pas — ou presque pas — durant sa vie. Par exemple, tout aéronef possède un numéro d'immatriculation, visible sur son fuselage, qui ne change généralement pas.

Étant donné que ces caractéristiques sont fixes, elles ne sont pas transmises dans les messages envoyés par les aéronefs. Pour les obtenir, il est donc nécessaire d'utiliser d'autres sources de données. Dans le cadre de ce projet, nous utiliserons une base de données publique mise à disposition par l'entreprise mictronics.

Cette base de données contient les attributs de plus de 400 000 aéronefs, identifiés par ce que l'on appelle leur adresse OACI (ICAO address). Cette adresse est un nombre unique attribué à tout aéronef par l'organisation de l'aviation civile internationale (OACI, ou ICAO en anglais, pour international civil aviation organization). L'adresse OACI fait 24 bits, et est généralement écrite en hexadécimal (base 16), avec 6 chiffres exactement. Pour cette raison, elle est parfois nommée simplement hex.

Tous les messages ADS-B envoyés par un aéronef contiennent son adresse OACI, ce qui permet d'une part de regrouper tous les messages émis par un aéronef donné, et d'autre part de trouver les informations relatives à l'émetteur dans la base de données.

La version librement téléchargeable de la base de données mictronics fournit, entre autres, les informations suivantes sur les aéronefs :

• leur numéro d'immatriculation (registration number),
• leur indicateur de type (type designator), défini par le document 8643 de l'OACI,
• leur description (description), un code de trois lettres donnant le type de l'aéronef, son nombre de moteurs et son type de propulsion,
• leur modèle (model), donnant généralement le nom du fabricant et celui du modèle spécifique de l'aéronef,
• leur catégorie de turbulence de sillage (wake turbulence category, souvent abrégée WTC), qui donne une indication de l'importance des turbulences produites dans le sillage de l'aéronef.

La table suivante donne un exemple d'une entrée de la base de données, qui décrit un avion de la compagnie Swiss :

Caractéristique	Valeur
Adresse OACI	4B1814
Immatriculation	HB-JDC
Indicateur de type	A20N
Description	L2J
Modèle	AIRBUS A-320neo
Catégorie de turbulence de sillage	M (medium)

Le préfixe utilisé pour l'immatriculation (HB) nous permet de savoir que l'avion a été immatriculé en Suisse. Sa description (L2J) nous apprend qu'il s'agit d'un avion qui se pose sur terre — L signifiant land —, qu'il possède 2 moteurs, et que ces moteurs sont à réaction — J signifiant jet propulsion.

Une photo de cet avion, obtenue du site Planespotters.net, est visible ci-dessous. En cliquant dessus, on accède à une version à plus haute résolution, qui permet de vérifier la plupart de ces caractéristiques.

Même si la base de données mictronics est conséquente, elle ne contient pas la totalité des aéronefs existants, et même lorsqu'elle contient des informations au sujet d'un aéronef, il est possible qu'elles ne soient que partielles. Dès lors, il arrive qu'aucune entrée n'existe pour une adresse OACI valide, ou alors que certains des attributs mentionnés plus haut soient vides.

La base de données mictronics est disponible au téléchargement dans plusieurs formats, mais aucun d'entre eux ne correspond vraiment à nos besoins. Nous l'avons donc réorganisée et nous vous l'avons fournie sous la forme d'une archive Zip nommée aircraft.zip, incluse dans le squelette.

Attention toutefois : contrairement à d'autres archives Zip fournies dans le cadre de ce projet, le contenu de celle-ci n'est pas destiné à être extrait avant d'être utilisé. Au lieu de cela, le code que vous écrirez dans le cadre de cette étape accédera directement au contenu de cette archive.

L'archive aircraft.zip contient 256 fichiers, dont le nom est composé de deux caractères hexadécimaux (de 0 à 9 ou de A à F) suivis de l'extension .csv. Comme cette extension l'indique, ces fichiers sont au format CSV, pour comma-separated values. Ce format permet de représenter, sous forme textuelle assez compacte, les lignes d'une table : chaque ligne de la table est représentée par une ligne du fichier, et les colonnes sont séparées par une virgule (comma en anglais).

Par exemple, la ligne 293 du fichier nommé 14.csv de l'archive est :

4B1814,HB-JDC,A20N,AIRBUS A-320neo,L2J,M

qui correspond à l'aéronef dont l'adresse OACI est 4B1814, utilisé comme exemple plus haut. De gauche à droite, les colonnes contiennent : l'adresse OACI, le numéro d'immatriculation, l'indicateur de type, le modèle, la description et la catégorie de turbulence de sillage.

Il faut noter que les fichiers CSV sont souvent dotés d'une ligne d'en-tête dont le but est de nommer les différentes colonnes. Pour les fichiers de la base de données, cette ligne d'en-tête pourrait ressembler à ceci :

ICAO,Registration,Designator,Model,Description,WTC

Attention toutefois, les fichiers de l'archive contenant la base de données ne disposent pas de ligne d'en-tête, dans un soucis de simplicité et de gain de place.

Les 256 fichiers de l'archive contiennent chacun entre 1500 et 1900 aéronefs. Ceux-ci sont répartis dans les différents fichiers en fonction des deux derniers caractères de leur adresse OACI. Par exemple, l'aéronef dont l'adresse est 4B1814 se trouve dans le fichier nommé 14.csv. De plus, les fichiers sont triés par adresse OACI, en ordre croissant.

Le fait que les données soient ainsi partitionnées en plusieurs fichiers et triées permet de trouver les données d'un aéronef dont on connaît l'adresse OACI de manière assez efficace. Il suffit en effet de :

1. ouvrir le fichier dont le nom correspond aux deux dernières lettres de l'adresse OACI recherchée,
2. le parcourir ligne à ligne jusqu'à trouver la première entrée dont l'adresse est plus grande ou égale à celle recherchée.

Si aucune ligne n'est trouvée, ou si l'adresse de celle trouvée ne correspond pas à l'adresse recherchée, alors l'aéronef ne figure pas dans la base. Sinon, la ligne trouvée contient ses informations.

Comme nous l'avons vu plus haut, la plupart des caractéristiques fixes des aéronefs peut être représentée par de simples chaînes de caractères.

Ces chaînes ne sont toutefois pas quelconques, mais obéissent à des formats bien particuliers, et nous dirons donc qu'elles sont contraintes. Par exemple, la chaîne représentant l'adresse OACI d'un avion fait exactement 6 caractères, et chacun d'entre eux doit être soit un chiffre décimal (0 à 9), soit l'une des six premières lettres majuscules de l'alphabet latin (A à F).

Pour spécifier le format de ces chaînes, nous utiliserons ce que l'on appelle des expressions régulières (regular expressions), notées ER dans ce qui suit, et qui permettent de décrire la syntaxe de chaînes de caractères.

Une ER est une notation compacte pour décrire un ensemble, souvent infini, de chaînes de caractères — un peu comme une fonction mathématique est une notation compacte pour décrire un ensemble, souvent infini, de (couple de) valeurs. Les ER sont très utiles et donc souvent utilisées en informatique, même si ce n'est pas toujours à bon escient.¹

Les ER les plus simples sont les ER constantes, qui représentent un ensemble de chaîne qui ne contient qu'un seul élément. Par exemple, l'ER que nous noterons  pomme  — le cadre servant à la distinguer d'une chaîne normale — représente l'ensemble de chaîne de caractères qui ne contient qu'un seul élément, la chaîne pomme.

Deux ER peuvent être combinées au moyen d'un opérateur de choix, généralement noté par une barre verticale (|). Par exemple, l'ER  pomme|poire  représente l'ensemble de chaînes de caractères qui contient exactement deux éléments : la chaîne pomme et la chaîne poire. (La barre verticale est en rouge car nous utilisons cette couleur pour distinguer les opérateurs des parties constantes des ER dans ce qui suit.)

Une notation abrégée existe pour noter le choix entre plusieurs ER constituées d'un seul caractère, et consiste à entourer de crochets une séquence de caractères. Par exemple, l'ER  [GACT]  est équivalente à l'ER  G|A|C|T . Entre les crochets, un tiret (-) désigne une plage de caractères, sauf s'il est placé juste avant le crochet fermant. Par exemple, l'ER  [A-D]  est équivalente à l'ER  A|B|C|D , mais l'ER  [A-]  est équivalente à  A|- , car le tiret se trouve juste avant le crochet fermant et perd ainsi sa signification particulière.

En plus de l'opérateur de choix, plusieurs opérateurs existent pour désigner la répétition. Ainsi, en plaçant un entier entre accolades après une ER, on dénote sa répétition ce nombre de fois-là. Par exemple, l'ER  a{3}rgh  est équivalente à l'ER constante  aaargh . En plaçant deux entiers séparés par une virgule entre les accolades, on dénote la répétition un nombre de fois compris entre le premier et le second entier (inclus). Ainsi, l'ER  a{0,2}rgh  est équivalente à l'ER  rgh|argh|aargh .

De manière similaire, l'opérateur « plus » (+) placé après une ER dénote sa répétition un nombre quelconque, mais non nul, de fois. Ainsi, l'ER  a+rgh  représente l'ensemble infini de chaînes de caractères contenant, entre autres, les chaînes argh, aargh, aaargh, etc.

Il existe encore de nombreux autres opérateurs sur les ER, mais ceux décrits ci-dessus nous suffiront. Malheureusement, les opérateurs disponibles ne sont pas totalement standardisés, et il existe donc plusieurs versions d'ER dont les notations ne sont que partiellement compatibles. Dans ce projet, nous utiliserons les ER représentées par la classe Pattern de la bibliothèque Java, dont la syntaxe est décrite en détail dans la documentation de la classe.

Dans cette notation, les ER décrivant les différents types de chaînes contraintes qui nous intéressent sont données dans la table ci-dessous. En cliquant sur l'une d'entre elles, vous accéderez à sa représentation graphique, qui peut faciliter sa compréhension.

Attribut	Expression régulière	Exemple
Adresse OACI	[0-9A-F]{6}	4B1814
Immatriculation	[A-Z0-9 .?/_+-]+	HB-JDC
Indicateur de type	[A-Z0-9]{2,4}	A20N
Description	[ABDGHLPRSTV-][0123468][EJPT-]	L2J

Les messages ADS-B envoyés par les aéronefs peuvent être corrompus lors de leur transmission. Cela se produit par exemple lorsque des messages envoyés par des aéronefs différents se chevauchent. Dès lors, il est nécessaire d'avoir à disposition un mécanisme permettant de vérifier, autant que possible, la validité des messages reçus. De tels mécanismes sont généralement basés sur l'ajout de redondance aux messages.

Par exemple, on pourrait imaginer que les aéronefs envoient toujours deux copies successives d'un message donné, et que le récepteur ignore les messages dont les deux copies ne sont pas identiques. Un tel mécanisme permet de détecter certaines erreurs de transmission, mais est coûteux puisqu'il double la quantité de données à transmettre.

En pratique on utilise donc un mécanisme moins coûteux, qui consiste à attacher à chaque message une petite quantité de données dont la valeur dépend du contenu du message. Ces données, qui ne servent qu'à augmenter la probabilité de détecter d'éventuelles erreurs de transmission, sont appelées sommes de contrôle (checksums). Malgré leur nom, ces sommes de contrôle ne sont généralement pas calculées au moyen de simples sommes.

L'exemple le plus simple de somme de contrôle est le contrôle de parité. Il consiste à ajouter à chaque message un unique bit de parité (parity bit), dont la valeur est déterminée par la parité du nombre de bits valant 1 dans le message : si ce nombre de bits est pair, alors le bit de parité vaut 1, sinon il vaut 0. Le récepteur d'un message peut alors compter le nombre de bits valant 1 dans le message qu'il a reçu et vérifier que cette valeur est conforme au bit de parité. Si c'est le cas, alors le message est considéré comme valide, sinon il est considéré comme invalide, et est ignoré.

Un bit de parité permet de détecter la transmission incorrecte d'un nombre impair de bits du message, mais il ne peut pas détecter les cas où un nombre pair de bits a été reçu de manière incorrecte.

Les messages ADS-B utilisent une somme de contrôle plus sophistiquée qu'un simple bit de parité, nommée contrôle de redondance cyclique (cyclic redundancy check), abrégée CRC et décrite ci-dessous. Le CRC attaché aux messages ADS-B fait 24 bits, mais des CRC d'autres tailles — en particulier 32 bits — sont fréquents en informatique.

  111111001110000
^ 110010000000000
  ―――――――――――――――
  001101001110000
  ^ 1100100000000
    ―――――――――――――
    0001101110000
     ^ 1100100000
       ――――――――――
       0001010000
        ^ 1100100
          ―――――――
          0110100
         ^ 110010
           ――――――
           000110 = CRC

  1111110011101100000
^ 1100100000000000000
  ―――――――――――――――――――
  0011010011101100000
  ^ 11001000000000000
    ―――――――――――――――――
    00011011101100000
     ^ 11001000000000
       ――――――――――――――
       00010101100000
        ^ 11001000000
          ―――――――――――
          01100100000
         ^ 1100100000
           ――――――――――
           0000000000 OK

1: crc = 0
2: pour chaque bit b du message augmenté, de gauche à droite:
3:   crc = (crc << 1) | b
4:   si crc[N] == 1:
5:     crc = crc ^ G
6: crc = N bits de poids faible de crc

crc = 0
pour chaque bit b du message augmenté, de gauche à droite:
  si crc[N - 1] == 1:
    crc = ((crc << 1) | b) ^ G′
  sinon:
    crc = (crc << 1) | b
crc = N bits de poids faible de crc

table = [ 0, G′ ]
crc = 0
pour chaque bit b du message augmenté, de gauche à droite:
  crc = ((crc << 1) | b) ^ table[crc[N - 1]]
crc = N bits de poids faible de crc

table = [ 0, … ]
crc = 0
pour chaque octet o du message augmenté, de gauche à droite:
  crc = ((crc << 8) | o) ^ table[crc[N-1 … N-8]]
crc = N bits de poids faible de crc

table = [ crc_b([0]), crc_b([1]), …, crc_b([255]) ]

L'enregistrement IcaoAddress, du sous-paquetage aircraft, public, représente une adresse OACI. Il ne possède qu'un seul attribut :

• String string, la chaîne contenant la représentation textuelle de l'adresse OACI.

Le constructeur compact de cet enregistrement valide la chaîne qui lui est passée et lève IllegalArgumentException si elle ne représente pas une adresse OACI valide. Cette validation est faite au moyen de l'expression régulière donnée à la fin de la §2.3.

Pattern num2 = Pattern.compile("[01]+");
System.out.println(num2.matcher("").matches());     // false
System.out.println(num2.matcher("2023").matches()); // false
System.out.println(num2.matcher("0111").matches()); // true

Les enregistrement représentant les autres types de chaînes contraintes sont très similaires à IcaoAddress et ne sont donc pas décrits en détail. Ils sont résumés dans la table suivante — IcaoAddress inclus —, la dernière colonne spécifiant si oui ou non le constructeur compact doit accepter une chaîne vide.

Nom	Contenu	Vide ?
IcaoAddress	Adresse OACI	non
AircraftRegistration	Immatriculation	non
AircraftTypeDesignator	Indicateur de type	oui
AircraftDescription	Description	oui

Tous ces enregistrements appartiennent au sous-paquetage aircraft.

L'enregistrement CallSign du sous-paquetage adsb (!), public, représente ce que l'on nomme l'indicatif (call sign) d'un aéronef.

Il s'agit d'un autre type de chaîne contrainte, qui n'a toutefois pas été décrit à la §2.3 car il ne fait pas partie des caractéristiques fixes d'un aéronef. Nous avons néanmoins choisi d'intégrer cet enregistrement à cette étape car il est lui aussi similaire à IcaoAddress, et il est donc logique de le programmer en même temps.

L'indicatif peut être vide, et l'expression régulière représentant l'ensemble des indicatifs valides est [A-Z0-9 ]{0,8}.

Le type énuméré WakeTurbulenceCategory du sous-paquetage aircraft représente la catégorie de turbulence de sillage d'un aéronef. Il contient quatre valeurs qui sont, dans l'ordre :

• LIGHT,
• MEDIUM,
• HEAVY
• UNKNOWN.

La dernière de ces catégories est utilisée soit lorsque la catégorie réelle est inconnue, soit lorsque l'aéronef ne produit pas de turbulence importante — p. ex. s'il s'agit d'un deltaplane ou d'un ballon.

WakeTurbulenceCategory offre l'unique méthode publique et statique suivante, utilisée pour convertir les valeurs textuelles de la base de données en éléments du type énuméré :

• WakeTurbulenceCategory of(String s), qui retourne la catégorie de turbulence de sillage correspondant à la chaîne donnée, à savoir :
  • LIGHT pour la chaîne "L",
  • MEDIUM pour la chaîne "M",
  • HEAVY pour la chaîne "H",
  • UNKNOWN pour toutes les autres chaînes.

L'enregistrement AircraftData, du sous-paquetage aircraft, collecte les données fixes d'un aéronef. Il possède les attributs suivants, dont la signification devrait être évidente :

• AircraftRegistration registration,
• AircraftTypeDesignator typeDesignator,
• String model,
• AircraftDescription description,
• WakeTurbulenceCategory wakeTurbulenceCategory.

Le constructeur compact de AircraftData lève NullPointerException si l'un de ses arguments est nul. Pour ce faire, il appelle la méthode requireNonNull de Objects sur chacun d'entre eux.

La classe AircraftDatabase du sous-paquetage aircraft, publique et finale, représente la base de données mictronics des aéronefs.

La classe AircraftDatabase possède un unique constructeur public :

• AircraftDatabase(String fileName), qui retourne un objet représentant la base de données mictronics, stockée dans le fichier de nom donné, ou lève NullPointerException si celui-ci est nul.

Ce constructeur ne fait rien d'autre que vérifier que son argument n'est pas nul avant de le stocker dans un attribut de la classe. En particulier, il ne lit aucune donnée de la base de données, cette tâche étant réservée à la seule méthode publique de la classe :

• AircraftData get(IcaoAddress address), qui retourne les données de l'aéronef dont l'adresse OACI est celle donnée, ou null si aucune entrée n'existe dans la base pour cette adresse ; lève IOException en cas d'erreur d'entrée/sortie.

Notez que la méthode get doit tirer parti du fait que les fichiers de la base de données sont triés par ordre croissant d'adresse OACI, et interrompre la recherche aussi rapidement que possible lorsque l'adresse OACI recherchée ne figure pas dans le fichier.

String d = getClass().getResource("/aircraft.zip").getFile();
d = URLDecoder.decode(d, UTF_8);
try (ZipFile z = new ZipFile(d);
     InputStream s = z.getInputStream(z.getEntry("14.csv"));
     Reader r = new InputStreamReader(s, UTF_8);
     BufferedReader b = new BufferedReader(r)) {
  String l = "";
  while ((l = b.readLine()) != null)
    System.out.println(l);
}

La classe Crc24 du paquetage principal, publique, finale et immuable, représente un calculateur de CRC de 24 bits. Elle possède un unique attribut public et statique :

• int GENERATOR, qui contient les 24 bits de poids faible du générateur utilisé pour calculer le CRC24 des messages ADS-B, qui vaut FFF409₁₆.

Notez bien que le générateur « réel » fait 25 bits, mais que comme nous l'avons expliqué, le stockage du bit de poids le plus fort n'est pas nécessaire, car celui-ci vaut toujours 1.

En plus de cet attribut, la classe Crc24 offre un constructeur public :

• Crc24(int generator), qui retourne un calculateur de CRC24 utilisant le générateur dont les 24 bits de poids faible sont ceux de generator.

En dehors de ce constructeur, la classe Crc24 offre une seule méthode publique :

• int crc(byte[] bytes), qui retourne le CRC24 du tableau donné.

Notez que le calcul du CRC24 doit impérativement être fait avec l'algorithme le plus optimisé, travaillant octet par octet et présenté à la §2.4.4.

À partir de cette étape, nous ne vous fournissons plus de tests unitaires, et il vous faut donc les écrire vous-même.

Nous vous fournissons néanmoins un fichier de vérification de signatures, nommé SignatureChecks_2.java, à importer dans votre projet dans le même dossier que celui contenant le fichier SignatureChecks_1.java. La classe qu'il contient fait référence à la totalité des classes et méthodes de cette étape, ce qui vous permet de vérifier que leurs noms et types sont corrects. Cela est capital, car la moindre faute à ce niveau empêcherait l'exécution de nos tests unitaires.

Nous vous fournirons de tels fichiers pour toutes les étapes jusqu'à la sixième (incluse), et il vous faudra penser à vérifier systématiquement qu'aucune erreur n'est signalée à leur sujet. Faute de cela, votre rendu pourrait se voir refusé par notre système.