基于發(fā)布/訂閱的信息共享模型實(shí)時(shí)性能分析研究

張強(qiáng) 李建華

(1.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安710071;2.中國人民解放軍95607部隊(duì)，四川 成都610500)

未來信息化戰(zhàn)爭是以網(wǎng)絡(luò)為中心，區(qū)別于機(jī)械化時(shí)代以武器平臺(tái)為中心的戰(zhàn)爭，其核心是通過網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)將戰(zhàn)場各種探測器、武器平臺(tái)和指揮控制系統(tǒng)緊密聯(lián)系起來，在各作戰(zhàn)單元間高質(zhì)量實(shí)時(shí)地共享戰(zhàn)場信息，從而實(shí)時(shí)掌握戰(zhàn)場態(tài)勢，縮短決策時(shí)間，提高指揮效率和協(xié)同作戰(zhàn)能力，達(dá)到作戰(zhàn)效果的精確高效［1］。信息化戰(zhàn)爭強(qiáng)調(diào)信息優(yōu)勢，但建立保持信息優(yōu)勢并不等于收集海量信息，而是要建立一種透明的戰(zhàn)場全局信息共享機(jī)制，確保正確的信息在正確的時(shí)間和地點(diǎn)以正確的形式傳遞到正確的人。

1 基于發(fā)布/訂閱的信息共享模型

發(fā)布/訂閱(Publish/Subscribe)通信范型是一種異步通信機(jī)制，在時(shí)間、空間和控制流上完全解耦，同時(shí)還具有匿名通信和一對(duì)多通信等特性，非常適合于分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用，并已廣泛應(yīng)用于銀行、證券和企業(yè)信息化等領(lǐng)域，得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)［2］。未來信息化戰(zhàn)爭的基本要求是戰(zhàn)場信息的全局透明共享，各作戰(zhàn)單元通過網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)共享戰(zhàn)場信息即是典型的分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用。因此，可采用發(fā)布/訂閱機(jī)制實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場信息共享［3，4］。戰(zhàn)場各類感知系統(tǒng)將探測得到的戰(zhàn)場信息發(fā)布到事件代理節(jié)點(diǎn)，參與作戰(zhàn)的各級(jí)作戰(zhàn)單元向代理節(jié)點(diǎn)訂閱其作戰(zhàn)需求信息。事件代理節(jié)點(diǎn)由各軍兵種的服務(wù)器組成，通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的戰(zhàn)場信息組網(wǎng)中心，主要負(fù)責(zé)信息發(fā)布與訂閱條件的管理、匹配和轉(zhuǎn)發(fā)等，保證戰(zhàn)場信息及時(shí)、可靠地傳送給所有訂制了該信息的作戰(zhàn)單元。

基于發(fā)布/訂閱的信息共享模型通過信息提供者與需求者的精確匹配，實(shí)現(xiàn)信息需求與信息供給的高度吻合，并將信息共享過程完全抽象為純粹以數(shù)據(jù)為中心的交互模式，使得信息提供者和需求者分別僅專注于發(fā)布信息和獲取感興趣的信息，從而從根本上將信息共享方式由統(tǒng)一的被動(dòng)式接收轉(zhuǎn)變?yōu)榘葱璧闹鲃?dòng)式推送，確保戰(zhàn)場信息高質(zhì)量共享。從上述理論分析可以看出，基于發(fā)布/訂閱的信息共享模型有許多優(yōu)勢。然而，定性的理論分析需要定量的建模驗(yàn)證，本文主要針對(duì)基于發(fā)布/訂閱的信息共享模型的實(shí)時(shí)性能，對(duì)比基于請(qǐng)求/響應(yīng)(Request/Reply)的共享模型進(jìn)行建模仿真分析。

2 信息共享模型實(shí)時(shí)性能建模分析

在信息化戰(zhàn)場上，目標(biāo)的時(shí)敏特性日益顯著，戰(zhàn)場態(tài)勢信息瞬息萬變，戰(zhàn)機(jī)轉(zhuǎn)瞬即逝。因此，共享信息的時(shí)限性特征要求較高，因?yàn)檫^長的時(shí)間延遲可能延誤作戰(zhàn)決策，共享信息如果不能及時(shí)送達(dá)指揮決策人員，超過時(shí)限得到的信息將毫無意義。此外，信息化戰(zhàn)場信息來源廣、種類多，海量信息的產(chǎn)生必將導(dǎo)致資源大量消耗，如果消耗不能有效控制，輕則因終端負(fù)載過重導(dǎo)致時(shí)間延遲增大，重則將導(dǎo)致服務(wù)癱瘓。為了更好地分析驗(yàn)證基于發(fā)布/訂閱的信息共享模型，本文將結(jié)合請(qǐng)求/響應(yīng)模型，從信息共享過程中帶來的資源消耗和時(shí)間延遲兩方面出發(fā)，定量建模、對(duì)比分析共享模型的實(shí)時(shí)性能。其中，資源消耗是指在各作戰(zhàn)單元間通過模型共享信息產(chǎn)生的資源消耗;時(shí)間延遲是指在信息共享過程中產(chǎn)生的延遲。由于信息共享方式包括主動(dòng)推送和被動(dòng)拉取，主動(dòng)推送是由信息提供者按需求實(shí)時(shí)將信息主動(dòng)發(fā)送到信息需求者，而信息被動(dòng)拉取則是由信息需求者根據(jù)作戰(zhàn)需要主動(dòng)提交信息訪問請(qǐng)求［5］。因此，本文將時(shí)間延遲劃分為接收時(shí)間延遲和感知時(shí)間延遲，前者是指各作戰(zhàn)單元從發(fā)出訪問信息請(qǐng)求到接收到戰(zhàn)場信息之間的時(shí)間間隔，即被動(dòng)式共享時(shí)間延遲，后者是指從戰(zhàn)場事件發(fā)生后到各作戰(zhàn)單元感知到該共享信息之間的時(shí)間差，即主動(dòng)式共享時(shí)間延遲。

2.1 基于發(fā)布/訂閱的信息共享模型實(shí)時(shí)性能

在基于發(fā)布/訂閱的信息共享模型中，信息共享的各參與者以發(fā)布/訂閱的中間件方式進(jìn)行交互，信息需求者首先根據(jù)作戰(zhàn)信息需求向中間件提交訂閱條件，當(dāng)戰(zhàn)場監(jiān)測的事件發(fā)生后，信息的提供者探測到該事件后立即向中間件發(fā)布，最后由中間件經(jīng)匹配、路由等處理及時(shí)、可靠地傳送給該信息的所有訂閱者，從而完成戰(zhàn)場信息在各作戰(zhàn)單元間的全局透明共享。

現(xiàn)假設(shè)戰(zhàn)場監(jiān)測事件發(fā)生的平均速率為α，且服從泊松分布。共享該信息帶來的資源消耗既包括信息源向中間件發(fā)布事件產(chǎn)生的消耗Cpub，也包括各作戰(zhàn)單元從中間件訂閱事件產(chǎn)生的消耗Csub。當(dāng)n個(gè)作戰(zhàn)單元都訂閱了該信息時(shí)，發(fā)布/訂閱模型通過組播或廣播實(shí)現(xiàn)共享，從而能夠降低逐個(gè)發(fā)送帶來的資源消耗，采用S(n)表示其影響。由此可得出總的消耗為Cps=α(Cpub+nS(n)Csub)。發(fā)布/訂閱通信方式屬于主動(dòng)式共享，戰(zhàn)場事件一經(jīng)發(fā)布，中間件自動(dòng)匹配訂閱了該事件的作戰(zhàn)單元，并主動(dòng)將信息傳輸至訂閱者，所以不存在接收時(shí)間延遲。而感知時(shí)間延遲則取決于信息源向中間件發(fā)布事件時(shí)產(chǎn)生的延遲tpub以及作戰(zhàn)單元向中間件訂閱信息的時(shí)間延遲tsub，由此可得感知時(shí)間延遲為tps=tpub+tsub。

現(xiàn)假設(shè)作戰(zhàn)信息的容忍延遲時(shí)間為D，采用共享信息時(shí)限要求滿足率r描述發(fā)布/訂閱模型在作戰(zhàn)要求時(shí)限內(nèi)提供信息共享服務(wù)的完成情況，則有:因接收時(shí)間延遲為零，對(duì)于作戰(zhàn)單元的信息請(qǐng)求，接收時(shí)間延遲的滿足率r始終為100%;而對(duì)于感知時(shí)間延遲，當(dāng)戰(zhàn)場監(jiān)測事件發(fā)生后，各作戰(zhàn)單元收到該事件的感知時(shí)間延遲的時(shí)限要求:

2.2 基于請(qǐng)求/響應(yīng)的信息共享模型實(shí)時(shí)性能

在基于請(qǐng)求/響應(yīng)的信息共享模型中，信息共享方式屬于被動(dòng)拉取式。共享信息處理過程首先是各作戰(zhàn)單元根據(jù)作戰(zhàn)信息需求，獨(dú)立地向服務(wù)器提出訪問請(qǐng)求，服務(wù)器逐次處理相應(yīng)的請(qǐng)求，再將結(jié)果信息返回給該作戰(zhàn)單元。假設(shè)各作戰(zhàn)單元提交信息訪問請(qǐng)求的平均速率為β，且服從泊松分布。各作戰(zhàn)單元通過請(qǐng)求/響應(yīng)模型共享信息帶來的資源消耗為Crr，即是指各作戰(zhàn)單元訪問請(qǐng)求和服務(wù)器響應(yīng)處理請(qǐng)求產(chǎn)生的消耗。當(dāng)參與共享的作戰(zhàn)單元數(shù)為n，各作戰(zhàn)單元提交訪問請(qǐng)求的平均速率為β時(shí)，總的消耗即為βnCrr。請(qǐng)求/響應(yīng)通信屬于被動(dòng)式共享，各作戰(zhàn)單元接收延遲即是從作戰(zhàn)單元提出訪問請(qǐng)求到請(qǐng)求服務(wù)得到滿足之間的時(shí)間間隔，其值取決于響應(yīng)處理時(shí)間trr，當(dāng)其小于作戰(zhàn)時(shí)限要求，作戰(zhàn)單元的訪問請(qǐng)求能夠及時(shí)得到處理結(jié)果;反之，作戰(zhàn)單元即使接收到信息也無意義。因此，接收時(shí)間延遲的時(shí)限要求:

當(dāng)戰(zhàn)場監(jiān)測的事件發(fā)生后，作戰(zhàn)單元能否通過請(qǐng)求/響應(yīng)模型及時(shí)感知到該共享信息，是由作戰(zhàn)單元的訪問請(qǐng)求速率決定的。當(dāng)作戰(zhàn)單元請(qǐng)求速率為β時(shí)，則請(qǐng)求之間的平均間隔時(shí)間為1/β，并由此可得該事件感知時(shí)間延遲的時(shí)限要求滿足率r為:

3 對(duì)比仿真分析

本節(jié)對(duì)信息共享模型的資源消耗和時(shí)間延遲進(jìn)行對(duì)比仿真驗(yàn)證。仿真中的消耗主要是指信息共享過程產(chǎn)生的通信消耗，其他參數(shù)依次取值為α=0.5，β=0.5，Cpub=1，Csub=1，S(n)=(n-1)/n，Crr=2，trr=1，tps=1。

圖1 通信消耗與參與共享的作戰(zhàn)單元數(shù)量關(guān)系圖

圖2 接收時(shí)間延遲滿足率與作戰(zhàn)時(shí)限要求關(guān)系圖

圖3 感知時(shí)間延遲滿足率與作戰(zhàn)時(shí)限要求關(guān)系圖

在參與作戰(zhàn)的各作戰(zhàn)單元之間進(jìn)行信息共享必然帶來資源消耗，圖1是發(fā)布/訂閱模型和請(qǐng)求/響應(yīng)模型在共享信息時(shí)產(chǎn)生的通信消耗與參與信息共享的作戰(zhàn)單元個(gè)數(shù)之間的關(guān)系圖。從圖1中可以看出，隨著參與共享的作戰(zhàn)單元個(gè)數(shù)增加，各模型的消耗也顯著加大，且發(fā)布/訂閱模型的消耗明顯小于請(qǐng)求/響應(yīng)模型，這是因?yàn)榘l(fā)布/訂閱模型通過廣播或組播分發(fā)信息，而非請(qǐng)求/響應(yīng)模型的逐用戶分發(fā)。

接收時(shí)間延遲和事件感知延遲反映了共享戰(zhàn)場信息的實(shí)時(shí)性，滿足率則反映模型是否能夠達(dá)到作戰(zhàn)應(yīng)用要求。圖2是兩種模型的接收時(shí)間延遲與作戰(zhàn)時(shí)限要求之間的關(guān)系圖，圖3是兩種模型的感知時(shí)間延遲與作戰(zhàn)時(shí)限要求之間的關(guān)系圖。從圖2、圖3中可以看出，發(fā)布/訂閱模型明顯優(yōu)于請(qǐng)求/響應(yīng)模型。

4 結(jié)論

奪取信息優(yōu)勢、獲取決策優(yōu)勢并達(dá)到行動(dòng)優(yōu)勢是未來信息化戰(zhàn)爭條件下所有軍事行動(dòng)的首要目標(biāo)，而信息高質(zhì)量共享是建立保持信息優(yōu)勢的關(guān)鍵。當(dāng)前關(guān)于發(fā)布/訂閱的研究開展得如火如荼，但關(guān)于其實(shí)時(shí)性能建模分析的研究卻較少見。本文提出了一種基于發(fā)布/訂閱的信息共享模型?？紤]到作戰(zhàn)應(yīng)用，結(jié)合請(qǐng)求/響應(yīng)通信機(jī)制重點(diǎn)對(duì)該模型的實(shí)時(shí)性能進(jìn)行了定量建模與仿真分析。仿真結(jié)果表明基于發(fā)布/訂閱的信息共享模型在資源消耗和時(shí)間延遲方面具有較好的優(yōu)勢，能夠滿足戰(zhàn)場信息快速、準(zhǔn)確、高效等共享需求。

1 任連生.基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力概述［M］.北京:軍事科學(xué)出版社，2009.

2 EUGSTER P T，F(xiàn)ELBER P A，GUERRAOUI R，etc.The many faces of publish/subscribe［J］.ACM Computing Surveys，2003，35(2):114-131.

3 宛海寧.基于Pub/Sub的戰(zhàn)場態(tài)勢信息分發(fā)方法與原型系統(tǒng)研究［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

4 張杰勇，姚佩陽，王欣.網(wǎng)絡(luò)化條件下的態(tài)勢信息分發(fā)與Pub/Sub通信范型［J］.電光與控制，2011，18(2):64-68.

5 尤增錄.指揮控制系統(tǒng)［M］.北京:解放軍出版社，2010.