基于云計(jì)算的分布式海戰(zhàn)場(chǎng)指揮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究*

張 濛

(武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205)

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基于云計(jì)算的分布式海戰(zhàn)場(chǎng)指揮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究*

張 濛

(武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205)

現(xiàn)代海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)具有環(huán)境復(fù)雜、組成復(fù)雜多變、通信網(wǎng)絡(luò)多樣等特點(diǎn),未來(lái)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)必須是支持分布性、自治性、移動(dòng)性、交互性以及動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的分布式系統(tǒng)。為滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)指揮控制系統(tǒng)能力要求,將具有開放式和分布式特點(diǎn)的云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于海戰(zhàn)場(chǎng)指揮控制系統(tǒng)系統(tǒng)。根據(jù)云計(jì)算基本理論體系,分析了面向服務(wù)的海戰(zhàn)場(chǎng)指揮控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu),并對(duì)將云計(jì)算應(yīng)用于海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)相關(guān)的分布式存儲(chǔ)、分布式計(jì)算、分布式數(shù)據(jù)分析等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較詳細(xì)的說(shuō)明。

云計(jì)算; 指揮控制系統(tǒng); 分布式; 海戰(zhàn)場(chǎng)

Class Number U674

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,基于海陸空天潛一體化的作戰(zhàn)越來(lái)越復(fù)雜,隨著體系內(nèi)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的不斷增加以及作戰(zhàn)平臺(tái)作用范圍的不斷擴(kuò)大,信息滲透到戰(zhàn)場(chǎng)的各個(gè)領(lǐng)域和環(huán)節(jié),互聯(lián)互通的信息量及其處理需求也隨之大幅度增加,指揮控制系統(tǒng)必須在態(tài)勢(shì)分析、多方案決策優(yōu)化、目標(biāo)解算、數(shù)據(jù)分析和挖掘等方面具備大容量、高可靠的計(jì)算能力。指揮員面臨需從海量信息中準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)有用信息并作出作戰(zhàn)決策,以適應(yīng)瞬息變化的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于指揮控制系統(tǒng),可為指揮員的決策分析提供智能的、自動(dòng)化的輔助手段,提高系統(tǒng)的智能化程度及決策科學(xué)性、時(shí)效性,從而極大地提高作戰(zhàn)的指揮效能和整體作戰(zhàn)能力。海戰(zhàn)場(chǎng)指揮控制系統(tǒng)具有所處環(huán)境復(fù)雜、組成復(fù)雜多變、通信網(wǎng)絡(luò)多樣等特點(diǎn),未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)必須是支持分布性、自治性、移動(dòng)性、交互性以及動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的分布式系統(tǒng)。云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于指揮控制系統(tǒng),可為指揮員的決策分析提供智能的、自動(dòng)化的輔助手段,提高系統(tǒng)的智能化程度及決策科學(xué)性、時(shí)效性,從而提高作戰(zhàn)的指揮效能和整體作戰(zhàn)能力。

作為一種新興技術(shù),云計(jì)算[1]將計(jì)算任務(wù)分布在大量開放式的共享資源上,使用戶能夠按需獲取計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和信息服務(wù),可大幅提高計(jì)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析能力[2～3],目前發(fā)展勢(shì)頭十分迅猛。將其應(yīng)用于海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)集成具有以下優(yōu)勢(shì):

1) 信息優(yōu)勢(shì)。云計(jì)算依托數(shù)據(jù)中心集中統(tǒng)管的基礎(chǔ)設(shè)施資源,消除了基礎(chǔ)設(shè)施間通信的瓶頸,獲得了對(duì)基礎(chǔ)資源強(qiáng)有力的調(diào)度權(quán)力,能夠更好地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的目標(biāo)。

2) 決策優(yōu)勢(shì)。云計(jì)算長(zhǎng)于高速處理全局、海量信息,能夠?qū)λ蚕⑷f(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)做出及時(shí)正確的反應(yīng),并且整個(gè)體系圍繞總體決策步調(diào)一致地細(xì)化各級(jí)決策,從而實(shí)現(xiàn)在以體系對(duì)抗為基本特征的現(xiàn)代海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中高度實(shí)時(shí)的進(jìn)行決策。

3) 指揮體系優(yōu)勢(shì)。云計(jì)算環(huán)境中作戰(zhàn)指揮網(wǎng)與武器控制網(wǎng)、情報(bào)保障網(wǎng)通過(guò)云自然地實(shí)現(xiàn)整合。各級(jí)人員均以云用戶互聯(lián),指控關(guān)系從樹狀變得扁平,打破以往逐級(jí)傳遞的指揮控制方式,實(shí)現(xiàn)指揮控制流程的管控,并可為實(shí)現(xiàn)信息收集、全局態(tài)勢(shì)生成、指揮控制命令快速下達(dá)乃至信息火力一體帶來(lái)有力的技術(shù)支撐。

4) 安全和可靠性優(yōu)勢(shì)。海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)采用“私有云”的方式構(gòu)建,具有物理隔離特性,實(shí)現(xiàn)對(duì)信息進(jìn)行集約化管理,相比于傳統(tǒng)的分散管理、多頭管理模式更高的安全性;云計(jì)算的虛擬化、分布式文件存儲(chǔ)、容災(zāi)備份、動(dòng)態(tài)伸縮等技術(shù),使得云可以在最大程度上降低各種資源的故障對(duì)應(yīng)用的影響,提供更高的可用性。

目前,在作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域,大多集中在對(duì)外軍開放式、分布式體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵進(jìn)行解析,然后提出初步的概念設(shè)想,形成較高層的框架[4～5],尚缺乏較成熟的實(shí)現(xiàn)途徑。本文對(duì)基于云計(jì)算的海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制開放式、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,以實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的分布式管理,提高資源利用效率和整體計(jì)算能力。

2 云計(jì)算概述

云計(jì)算,首先是要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將大量計(jì)算機(jī)無(wú)縫連接起來(lái),構(gòu)成計(jì)算資源池,然后將計(jì)算任務(wù)加載到這個(gè)分布式部署的計(jì)算資源池中。云計(jì)算的目標(biāo),是將當(dāng)前計(jì)算設(shè)備連接在一起,使得用戶能夠如使用電網(wǎng)中的電能一樣使用計(jì)算能力。太陽(yáng)微系統(tǒng)(SUN)公司早在1982年成立時(shí)就曾設(shè)想過(guò)“網(wǎng)絡(luò)即計(jì)算機(jī)”這一構(gòu)想。在云計(jì)算中,各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò),按需地獲取資源池中的計(jì)算(能)力、存儲(chǔ)空間和信息服務(wù)[6]。云計(jì)算中的“云”,實(shí)際上是可自維護(hù)、自管理的虛擬計(jì)算資源,包括計(jì)算服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、寬帶資源等等,并可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向用戶按需提供所需的計(jì)算資源。云計(jì)算可分為三層[7]:基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service,IaaS),平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a Service,PaaS),軟件即服務(wù)(Software as a Service,SaaS),如圖1所示。

圖1 云計(jì)算的服務(wù)類型與層次

圖1中,IaaS是指以服務(wù)的形式提供資源集和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)(計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)),用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)租賃即可搭建自己的應(yīng)用系統(tǒng);PaaS是指提供應(yīng)用服務(wù)引擎,如應(yīng)用編程接口和運(yùn)行平臺(tái)等,開發(fā)者可基于該應(yīng)用服務(wù)引擎進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)和構(gòu)建,利用服務(wù)提供商的資源向最終用戶提供服務(wù);SaaS是指把一些特定的應(yīng)用軟件功能封裝成服務(wù),用戶可通過(guò)按需租用的方式來(lái)使用軟件。Lenk等[8]提出了一個(gè)通用的云計(jì)算框架,其將云計(jì)算技術(shù)和服務(wù)分為不同的層次。

3 面向服務(wù)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

依據(jù)云計(jì)算的基本層次,考慮到海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求,可將系統(tǒng)服務(wù)層次分為基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、平臺(tái)層和應(yīng)用服務(wù)層[9],如圖2所示。

基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層將云計(jì)算能力封裝為標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)云計(jì)算服務(wù),并納入到服務(wù)管理體系。資源集主要是將海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)所屬的高性能計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及人機(jī)交互設(shè)備等資源構(gòu)成同構(gòu)或接近同構(gòu)的資源池,通過(guò)負(fù)載均衡、冗余控制、運(yùn)行監(jiān)控等措施對(duì)上述資源集進(jìn)行管理,從而為上層提供相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。

平臺(tái)層提供系統(tǒng)開發(fā)、集成調(diào)試和運(yùn)行的環(huán)境。設(shè)備供應(yīng)商遵循云計(jì)算數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)規(guī)范,基于應(yīng)用編程接口和規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā),提供各類應(yīng)用服務(wù)程序和戰(zhàn)術(shù)軟件。系統(tǒng)集成方利用集成調(diào)試環(huán)境進(jìn)行各類服務(wù)集成和最終執(zhí)行環(huán)境的設(shè)定。

應(yīng)用服務(wù)層分基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)和高級(jí)應(yīng)用服務(wù),主要是為各設(shè)備供應(yīng)商提供時(shí)間統(tǒng)一、目標(biāo)融合等作戰(zhàn)應(yīng)用服務(wù),并根據(jù)海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)之間的工作流設(shè)計(jì),對(duì)各類應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行發(fā)布、激活和去活等管理。

4 海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)云計(jì)算技術(shù)

4.1 分布式存儲(chǔ)

圖3 分布式存儲(chǔ)

指控系統(tǒng)中所處理的數(shù)據(jù)涉及各種報(bào)文和接口,數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、多變,隨著應(yīng)用規(guī)模的增大,隨之而來(lái)的是數(shù)據(jù)量的劇增,新數(shù)據(jù)類型不斷涌現(xiàn),用戶需求呈現(xiàn)出多樣性,對(duì)數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)難度大大增加,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)適用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、并發(fā)控制、故障恢復(fù)等技術(shù)在新的環(huán)境下面臨挑戰(zhàn)。如圖3所示,分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一般采用主從服務(wù)模式。

物理層面上,系統(tǒng)包括元數(shù)據(jù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器兩部分,如由若干數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)元數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)。存儲(chǔ)系統(tǒng)的中心服務(wù)器為元數(shù)據(jù)服務(wù)器,主要負(fù)責(zé)管理存儲(chǔ)系統(tǒng)的名字空間以及用戶節(jié)點(diǎn)對(duì)文件的訪問(wèn)。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)管理自身節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄保存。依據(jù)元數(shù)據(jù)服務(wù)器上的名字空間,用戶能夠以文件的形式在數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)讀取、寫入數(shù)據(jù)資料。具體實(shí)現(xiàn)層面,單個(gè)數(shù)據(jù)文件被劃分為一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊,而數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)于若干微服務(wù)器組成的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)集上。元數(shù)據(jù)服務(wù)器執(zhí)行存儲(chǔ)系統(tǒng)的名字空間操作,例如打開、關(guān)閉、重命名或目錄創(chuàng)建等。另外,元數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)塊到數(shù)據(jù)服務(wù)器(存儲(chǔ)位置)間的映射。數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)需要處理存儲(chǔ)系統(tǒng)用戶節(jié)點(diǎn)的讀寫請(qǐng)求,并支持在元數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一調(diào)度下完成各數(shù)據(jù)塊的創(chuàng)建、刪除及復(fù)制。

4.2 分布式計(jì)算

在數(shù)據(jù)規(guī)模極大的情況下,數(shù)據(jù)具有規(guī)模大和分布性等特點(diǎn),使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式處理大數(shù)據(jù)不論在處理效率還是處理效果上都不能滿足應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)處理的需求。云計(jì)算普遍采用分布式計(jì)算應(yīng)對(duì)這種大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理。如Google公司的MapReduce[10]和亞馬遜公司的彈性計(jì)算云(Elastic Compute Cloud,EC2)[11],都封裝了并行處理、容錯(cuò)處理與負(fù)載均衡等功能,可以對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)集進(jìn)行高效操作。如圖4所示,分布式計(jì)算一般包括一個(gè)主控任務(wù)服務(wù)器和多個(gè)執(zhí)行任務(wù)服務(wù)器。

圖4 分布式計(jì)算

主控任務(wù)服務(wù)器負(fù)責(zé)調(diào)度和管理執(zhí)行任務(wù)服務(wù)器,將計(jì)算任務(wù)和合并任務(wù)按照負(fù)載均衡的原則分配給空閑的執(zhí)行服務(wù)器,讓這些任務(wù)并行運(yùn)行,并負(fù)責(zé)監(jiān)控任務(wù)的運(yùn)行情況。執(zhí)行任務(wù)服務(wù)器負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù),如果出現(xiàn)故障,主控任務(wù)服務(wù)器會(huì)把其負(fù)責(zé)的任務(wù)分配給其它空閑的執(zhí)行服務(wù)器重新運(yùn)行。對(duì)于大文件來(lái)說(shuō),移動(dòng)計(jì)算比移動(dòng)數(shù)據(jù)的代價(jià)要低。云計(jì)算的DFS提供了接口,以便讓程序?qū)⒆约阂苿?dòng)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地方執(zhí)行。分布式計(jì)算框架和分布式文件系統(tǒng)一般運(yùn)行在一組相同的節(jié)點(diǎn)上,也就是說(shuō),任務(wù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器通常在一起。在處理過(guò)程中一般沒(méi)有數(shù)據(jù)的傳輸工作,只是在合并過(guò)程中需要向主節(jié)點(diǎn)傳送計(jì)算結(jié)果。這種配置允許框架在那些存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)上高效地調(diào)度任務(wù),這可以減少整個(gè)集群網(wǎng)絡(luò)的擁堵,提高系統(tǒng)吞吐量。

4.3 分布式數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)為云計(jì)算核心系統(tǒng),通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器上提供的CloudAPI將分布式數(shù)據(jù)分析應(yīng)用接入云計(jì)算系統(tǒng)。用戶不需要了解系統(tǒng)是如何具體實(shí)現(xiàn),也不需要擔(dān)心系統(tǒng)的存儲(chǔ)和計(jì)算能力不足對(duì)數(shù)據(jù)分析過(guò)程的影響,只需要根據(jù)需求選擇適當(dāng)?shù)乃惴ㄌ幚硐鄳?yīng)的數(shù)據(jù),最終將數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)部署在云計(jì)算系統(tǒng)上并得到結(jié)果,如圖5所示。

圖5 分布式數(shù)據(jù)分析

分布式數(shù)據(jù)分析算法分為兩個(gè)步驟,首先是對(duì)局部數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,生成局部數(shù)據(jù)模型。然后組合不同數(shù)據(jù)站點(diǎn)上的局部數(shù)據(jù)模型,最終得到全局?jǐn)?shù)據(jù)模型。使用軟代理的并行分布式數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要分為三個(gè)模塊:數(shù)據(jù)分析代理、協(xié)調(diào)器和用戶接口。數(shù)據(jù)分析代理用戶訪問(wèn)元數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)中提取生成局部數(shù)據(jù)模型。協(xié)調(diào)器用于協(xié)調(diào)各個(gè)代理,并將挖掘到的相關(guān)信息返回給用戶接口,對(duì)挖掘信息進(jìn)行反饋。用戶接口則主要負(fù)責(zé)用戶與系統(tǒng)之間的信息交互。基于這種分布式數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),對(duì)其各個(gè)模塊進(jìn)行改進(jìn),能夠平滑無(wú)縫地將其部署在基于多節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的云計(jì)算系統(tǒng)之上。

5 結(jié)語(yǔ)

云計(jì)算技術(shù)作為一種商業(yè)計(jì)算模型,將存儲(chǔ)、計(jì)算、分析等任務(wù)分布在大量計(jì)算機(jī)組成的資源池上,通過(guò)并行計(jì)算等方法提供了前所未有的計(jì)算力。云計(jì)算技術(shù)作為當(dāng)前商用領(lǐng)域得到廣泛研究并且應(yīng)用日益成熟的大數(shù)據(jù)支撐技術(shù),為海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下體系對(duì)抗問(wèn)題提供了解決的一個(gè)途徑。本文將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究,分析了面向服務(wù)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu),對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的分布式存儲(chǔ)、分布式計(jì)算、分布式數(shù)據(jù)分析等幾個(gè)方面進(jìn)行了初步的闡釋。云計(jì)算的應(yīng)用可有效提高指控系統(tǒng)的智能化程度和可靠性,提升指控系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

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Research on Architecture of Distributed Command and Control System for Sea Battlefield Based on Cloud Computing

ZHANG Meng

(Wuhan Digital Engineering Institute, Wuhan 430205)

The modern battles in sea battlefield have characters of complex environment, complicated component and diversity of communication network. For this reason, the command and control system in future must be distributed system with autonomy, mobility, interactive and dynamic adaptability. An open and distributed pattern for the command and control system is proposed in this paper to meet the computational demand of modern warfare. A service-oriented integration mainframe is first established as a base for cloud computing, and the related key technologies such as distributed storage system, computing system and data analysis system get a detailed expatiate in this paper.

clouding computing, command and control system, distributed, sea battlefield

2014年10月7日,

2014年11月27日

張濛,女,助理工程師,研究方向:電子信息工程。

U674

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.002