DDS在偵察情報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李鵬偉 楊海濤

偵察情報(bào)系統(tǒng)依托戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò),連接各級(jí)情報(bào)處理節(jié)點(diǎn)和空中地面多種偵察探測(cè)裝備,集偵察監(jiān)視、情報(bào)處理、分發(fā)應(yīng)用為一體,為聯(lián)合作戰(zhàn)指揮決策、部隊(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)、實(shí)施聯(lián)合火力打擊和防空作戰(zhàn)等提供及時(shí)可靠情報(bào)保障和信息支持[1].在偵察情報(bào)系統(tǒng)中,情報(bào)信息種類眾多,包括文字、圖像、影像等;偵察探測(cè)裝備數(shù)量大、狀態(tài)更新快,會(huì)隨時(shí)加入或者退出系統(tǒng);情報(bào)處理節(jié)點(diǎn)需要及時(shí)按需獲取情報(bào)信息,這些都對(duì)偵察情報(bào)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分發(fā)提出了更高要求.

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(Data distribution service,DDS)[2]規(guī)范是對(duì)象管理組織(Object management group,OMG)于2004年12月頒布的分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分發(fā)的一個(gè)最新規(guī)范.DDS可以滿足分布式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和高速數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)管理和按需多點(diǎn)分發(fā),目前被廣泛應(yīng)用于軍事、航空、通信、交通運(yùn)輸、工業(yè)自動(dòng)化、金融等領(lǐng)域.

本文首先分析了偵察情報(bào)系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)分發(fā)的需求,并利用開源DDS中間件提出了基于DDS的偵察情報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,最后通過(guò)測(cè)試分析了基于DDS的偵察情報(bào)系統(tǒng)的性能.

1 偵察情報(bào)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分發(fā)需求分析

偵察情報(bào)系統(tǒng)具有偵察監(jiān)視、情報(bào)處理、分發(fā)應(yīng)用的功能,本文重點(diǎn)分析其在情報(bào)數(shù)據(jù)分發(fā)方面的需求.圖1中是一個(gè)簡(jiǎn)化的機(jī)步團(tuán)偵察情報(bào)系統(tǒng).

在如圖1所示的偵察情報(bào)系統(tǒng)中,機(jī)步營(yíng)情報(bào)處理單元通過(guò)偵察分隊(duì)以及近、中、遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)獲取敵方地面部隊(duì)的目標(biāo)信息,將這些目標(biāo)信息發(fā)送給機(jī)步團(tuán)情報(bào)處理單元;防空雷達(dá)探測(cè)到敵方飛機(jī),將敵方飛機(jī)目標(biāo)信息發(fā)送給防空?qǐng)F(tuán)情報(bào)處理單元,防空?qǐng)F(tuán)情報(bào)處理單元生成空情戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息;機(jī)步團(tuán)情報(bào)處理單元根據(jù)機(jī)步營(yíng)情報(bào)處理單元發(fā)送的目標(biāo)信息以及友鄰部隊(duì)發(fā)送的空情戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息,生成敵情綜合態(tài)勢(shì),并將敵情綜合態(tài)勢(shì)信息向機(jī)步營(yíng)情報(bào)處理單元和上級(jí)情報(bào)處理單元分發(fā).在這個(gè)過(guò)程中,每一個(gè)環(huán)節(jié)都要求有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和可靠性,這就對(duì)數(shù)據(jù)分發(fā)提出了如下要求.

1)可靠性.只有獲得準(zhǔn)確可靠的目標(biāo)信息和空情戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息,機(jī)步團(tuán)情報(bào)處理單元才能形成正確的敵情綜合態(tài)勢(shì),指揮員才能做出正確決策,下達(dá)作戰(zhàn)命令.在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件下,通信條件比較惡劣,通信帶寬有限,如何保證數(shù)據(jù)的可靠性是數(shù)據(jù)分發(fā)要解決的關(guān)鍵問題.

圖1 機(jī)步團(tuán)偵察情報(bào)系統(tǒng)示意圖

2)實(shí)時(shí)性.在戰(zhàn)場(chǎng)中,情報(bào)的時(shí)效性尤為明顯,一條至關(guān)重要的情報(bào)當(dāng)時(shí)機(jī)已過(guò),且不相關(guān)決策已定,則該情報(bào)將變得毫無(wú)價(jià)值,因此,偵察情報(bào)系統(tǒng)也對(duì)數(shù)據(jù)分發(fā)提出了實(shí)時(shí)性要求.

3)復(fù)雜性.復(fù)雜性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是用戶復(fù)雜性,在偵察情報(bào)系統(tǒng)中有許多探測(cè)偵察裝備和情報(bào)處理單元,這些探測(cè)偵察裝備和情報(bào)處理單元是動(dòng)態(tài)變化的(如隨時(shí)加入或退出),這要求數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)管理這些探測(cè)偵察裝備和情報(bào)處理單元;二是情報(bào)數(shù)據(jù)復(fù)雜性,不同情報(bào)處理單元對(duì)不同的情報(bào)數(shù)據(jù)感興趣,比如師情報(bào)處理單元主要關(guān)心整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)己方和敵方部隊(duì)的整體動(dòng)向,連情報(bào)處理單元主要關(guān)注作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)敵方準(zhǔn)確的武器部署、活動(dòng)信息,只有將用戶感興趣的數(shù)據(jù)進(jìn)行按需分發(fā),才能真正對(duì)決策起到支持作用,同時(shí)節(jié)省通信資源.

2 DDS在偵察情報(bào)系統(tǒng)中應(yīng)用方式設(shè)計(jì)

2.1 DDS體系結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

DDS規(guī)范采用一種以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱(Data centered publish subscribe,DCPS)機(jī)制,提供一個(gè)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)模型.DDS由2層組成,分別是數(shù)據(jù)本地重構(gòu)層(Data local reconstruction layer,DLRL)和DCPS.DCPS是DDS的核心和基礎(chǔ),提供了基本的通信服務(wù),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸以及相關(guān)服務(wù)質(zhì)量的控制保證等.DLRL將DCPS提供的服務(wù)進(jìn)行了抽象,在DLRL建立了與底層服務(wù)的映射[3].

自2004年12月發(fā)布DDS規(guī)范以來(lái),多家公司和組織開發(fā)了遵循DDS規(guī)范的DDS中間件產(chǎn)品,其中比較常見的主要有RTI DDS中間件、OpenSplice DDS中間件、OpenDDS中間件、CoreDX DDS中間件以及MicroDDS中間件,這些DDS中間件都遵循DDS規(guī)范,適用于不同的應(yīng)用環(huán)境.需要說(shuō)明的是,OpenDDS中間件是開源程序,本文正是基于OpenDDS中間件開展相關(guān)研究.

目前國(guó)內(nèi)對(duì)DDS的研究才剛剛起步,其中國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)開發(fā)了DDS規(guī)范實(shí)現(xiàn),研究人員出版了相關(guān)專著[4];電子與通信研究院開發(fā)了DDS規(guī)范核心實(shí)現(xiàn);北京神州普惠公司開發(fā)了AppDDS產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了DDS規(guī)范.

2.2 基于DDS的偵察情報(bào)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)DDS規(guī)范,基于DDS中間件設(shè)計(jì)了偵察情報(bào)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),如圖2所示.

在該系統(tǒng)中,為了描述方便,本文將偵察探測(cè)裝備、情報(bào)處理單元統(tǒng)稱為情報(bào)單元.各情報(bào)單元之間的數(shù)據(jù)交互通過(guò)發(fā)布和訂閱相應(yīng)主題來(lái)完成,每個(gè)情報(bào)單元向DDS中間件提交所要發(fā)布或訂閱的主題列表,DDS中間件記錄每個(gè)情報(bào)單元提供的主題列表,并進(jìn)行匹配.當(dāng)主題匹配成功時(shí),DDS中間件會(huì)在主題發(fā)布情報(bào)單元和主題訂閱情報(bào)單元之間建立數(shù)據(jù)傳輸連接,完成數(shù)據(jù)傳輸.各情報(bào)單元可隨時(shí)新增或者取消要發(fā)布或訂閱的主題,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加入或者退出.

3 基于DDS的偵察情報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)性能分析

基于DDS的偵察情報(bào)系統(tǒng)通過(guò)新增或者取消主題,能夠?qū)崿F(xiàn)情報(bào)單元的動(dòng)態(tài)加入和退出,通過(guò)訂閱不同的主題實(shí)現(xiàn)對(duì)情報(bào)的按需索取,能夠滿足復(fù)雜性需求.本節(jié)進(jìn)一步分析基于DDS的偵察情報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)的實(shí)時(shí)性和可靠性.

圖2 基于DDS的偵察情報(bào)系統(tǒng)

3.1 指標(biāo)的選取

通常情況下,時(shí)延和丟包率是評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)性和可靠性的常用指標(biāo)[5],本文也選取這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)基于DDS的偵察情報(bào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)性能進(jìn)行分析.

在時(shí)延測(cè)試中,即使使用了網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘協(xié)議(Network time protocol,NTP),也很難同步網(wǎng)絡(luò)中分布式節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘.為了避免因分布式節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘不同步帶來(lái)的誤差,本文采用單端計(jì)時(shí)的方法測(cè)試往返時(shí)延,取往返時(shí)延值的一半為端到端時(shí)延值.假設(shè)第i數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)的時(shí)間為Tsi,返回時(shí)的時(shí)間為Tei,則該數(shù)據(jù)包的端到端時(shí)延為

通過(guò)測(cè)試一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)包的端到端時(shí)延,取平均值,則數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延為

式中,G為一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)包的總數(shù).

丟包率可以用一段時(shí)間內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)包總量與發(fā)送數(shù)據(jù)包總量之比來(lái)衡量,即

式中,GR為一段時(shí)間內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù),GT為一段時(shí)間內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù).

3.2 測(cè)試方案

該測(cè)試方案選擇獨(dú)立的100 Mbit局域網(wǎng)環(huán)境,采用“一對(duì)一”和“一對(duì)多”2種模式,數(shù)據(jù)包大小從22～214Byte,網(wǎng)絡(luò)丟包率從0%～5%,數(shù)據(jù)包發(fā)送速率為100次/s.

數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Чc上層的QoS策略配置以及底層的傳輸協(xié)議性能有關(guān),在對(duì)上層QoS策略進(jìn)行合適配置基礎(chǔ)上,本文主要測(cè)試底層傳輸協(xié)議性能對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?

DDS中集成了TCP、UDP和組播協(xié)議這3種形式,其中組播協(xié)議支持“盡力而為”和“可靠傳輸”兩種模式.本文主要選擇TCP、UDP和可靠組播協(xié)議.

3.3 測(cè)試結(jié)果及分析

首先測(cè)試“一對(duì)一”模式下,數(shù)據(jù)包大小從22～214Byte,數(shù)據(jù)包發(fā)送速率為100次/s,逐漸增大網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,得到傳輸協(xié)議時(shí)延平均值如圖3所示.

圖3 “一對(duì)一”模式下數(shù)據(jù)包大小對(duì)傳輸協(xié)議平均時(shí)延的影響

從圖3中可以看出,在數(shù)據(jù)包小于1024Byte時(shí),3種傳輸協(xié)議的平均時(shí)延值相差不大,且基本保持不變,保持在900μs左右;當(dāng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度大于2048Byte時(shí),3種傳輸協(xié)議的平均時(shí)延值逐漸增大,這是因?yàn)樵贒DS中,MTU(Maximum transmission unit)值為1400Byte,當(dāng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度大于1400Byte時(shí),會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分割,從而帶來(lái)額外時(shí)延.

在“一對(duì)多”模式,設(shè)置20個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)丟包率為0%,數(shù)據(jù)包大小從22～213Byte,數(shù)據(jù)包發(fā)送速率為100次/s,逐漸增大網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,得到傳輸協(xié)議時(shí)延平均值如圖4所示.

圖4 “一對(duì)多”模式下數(shù)據(jù)包大小對(duì)傳輸協(xié)議平均時(shí)延的影響

從圖4中可以看出,和一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)相比,20個(gè)接收節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的3種傳輸協(xié)議的平均時(shí)延整體有所增加,增加幅度在200μs左右,可靠組播協(xié)議的整體時(shí)延值要小于TCP和UDP;當(dāng)數(shù)據(jù)包小于1024Byte時(shí),3種傳輸協(xié)議的平均時(shí)延值基本保持不變;當(dāng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度大于4096Byte時(shí),TCP和UDP協(xié)議的平均時(shí)延值急劇增大,這是由于此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的擁塞而導(dǎo)致的較大時(shí)延.

結(jié)合圖3和圖4可以看出,基于3種傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸都具有低時(shí)延的特點(diǎn),并且當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)增加到20個(gè)時(shí),平均時(shí)延無(wú)明顯變化,這說(shuō)明了DDS具有很好的擴(kuò)展性.需要說(shuō)明的是,在接收節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí),與采用可靠組播協(xié)議相比,采用單播協(xié)議(TCP和UDP)會(huì)占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬.

分別設(shè)置網(wǎng)絡(luò)丟包率為0%、1%、3%和5%,測(cè)試不同數(shù)量接收節(jié)點(diǎn)(從1～20個(gè))時(shí),各傳輸協(xié)議成功傳輸數(shù)據(jù)包的數(shù)量.測(cè)試結(jié)果表明,TCP和可靠組播協(xié)議均能接收到所有數(shù)據(jù)包,可靠性很高;在網(wǎng)絡(luò)丟包率不為0%時(shí),UDP協(xié)議不能接收到所有數(shù)據(jù)包,可靠性較低.圖5為接收節(jié)點(diǎn)數(shù)量為20時(shí),不同丟包率下各傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸成功率.

3.4 小結(jié)

圖5 20個(gè)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)不同丟包率對(duì)傳輸協(xié)議可靠性影響

通過(guò)對(duì)DDS中間的數(shù)據(jù)分發(fā)性能進(jìn)行測(cè)試分析,可以看出,DDS中間件的數(shù)據(jù)分發(fā)具有實(shí)時(shí)性和可靠性,能滿足偵察情報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)需求.在測(cè)試中發(fā)現(xiàn),在不同環(huán)境條件下(如接收節(jié)點(diǎn)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)丟包率),各傳輸協(xié)議的性能不同.在實(shí)際應(yīng)用中,戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境是動(dòng)態(tài)變化的,需要根據(jù)環(huán)境條件為偵察情報(bào)系統(tǒng)配置合適的傳輸協(xié)議.然而,手動(dòng)配置和切換,既不能滿足實(shí)時(shí)性要求,也不能保證配置的準(zhǔn)確性,因此需要一種自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制自動(dòng)為偵察情報(bào)系統(tǒng)配置合適的傳輸協(xié)議,以保證數(shù)據(jù)分發(fā)的實(shí)時(shí)可靠.

4 總結(jié)

本文針對(duì)偵察情報(bào)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分發(fā)需求,提出了基于DDS的偵察情報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,并在不同條件下對(duì)DDS中間件的性能進(jìn)行了測(cè)試.測(cè)試分析結(jié)果表明,基于DDS中間件的數(shù)據(jù)分發(fā)具有低時(shí)延和高可靠性特點(diǎn),能夠?yàn)閭刹烨閳?bào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)提供有力支持.

下一步工作將會(huì)研究自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制,開發(fā)具有傳輸協(xié)議自適應(yīng)調(diào)整功能的DDS中間件,以實(shí)現(xiàn)偵察情報(bào)系統(tǒng)在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的自適應(yīng)調(diào)整和配置,最大程度地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)可靠.