空基信息系統(tǒng)分層模型及數(shù)據(jù)互操作研究

吳永勝, 李博驍

(中國(guó)電子科學(xué)研究院 北京 100041)

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空基信息系統(tǒng)分層模型及數(shù)據(jù)互操作研究

吳永勝, 李博驍

(中國(guó)電子科學(xué)研究院 北京 100041)

描述了空基信息系統(tǒng)的發(fā)展歷程，參照互聯(lián)網(wǎng)分層模型提出了空基信息系統(tǒng)的分層模型，支持空基信息系統(tǒng)平臺(tái)間協(xié)同應(yīng)用和互操作設(shè)計(jì).針對(duì)空基信息系統(tǒng)的互操作需求，描述了數(shù)據(jù)服務(wù)層的設(shè)計(jì)，以支持?jǐn)?shù)據(jù)互操作.

空基信息系統(tǒng); 分層模型; 數(shù)據(jù)服務(wù)層; 數(shù)據(jù)互操作

0 引言

根據(jù)信息系統(tǒng)部署方式的不同，可分為陸基信息系統(tǒng)、海基信息系統(tǒng)、空基信息系統(tǒng)和天基信息系統(tǒng)[1]. 其中空基信息系統(tǒng)通常以100 km高度以下(大量集中于20 km以下)的飛行器和浮空器平臺(tái)為載體，可以在數(shù)小時(shí)、甚至數(shù)分鐘內(nèi)升空，快速反應(yīng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于地基、?；吞旎畔⑾到y(tǒng)，可以快速部署至熱點(diǎn)地區(qū)，甚至出動(dòng)至遠(yuǎn)海地區(qū).

為滿足防空預(yù)警、機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)、遠(yuǎn)程進(jìn)攻不同的作戰(zhàn)樣式，空基信息系統(tǒng)需具有預(yù)警探測(cè)、控制引導(dǎo)、戰(zhàn)場(chǎng)管理、信息傳輸、打擊評(píng)估等功能. 因此監(jiān)視雷達(dá)、航管雷達(dá)、敵我識(shí)別器、電子偵察、電子對(duì)抗、通信偵察、紅外偵察、SAR、通信電臺(tái)、指控等逐步加裝在空基平臺(tái)，推動(dòng)空基信息系統(tǒng)由預(yù)警探測(cè)單角色至戰(zhàn)場(chǎng)管理等多角色的轉(zhuǎn)變.

隨著數(shù)字陣列技術(shù)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算機(jī)、寬帶數(shù)據(jù)鏈等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，傳統(tǒng)的雷達(dá)、偵察、對(duì)抗等設(shè)備逐漸融合，空基信息系統(tǒng)的發(fā)展出現(xiàn)多元化、綜合化、一體化的發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)功能劃分的界限逐漸模糊.

隨著預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)、通信干擾機(jī)、對(duì)地監(jiān)視飛機(jī)、心理戰(zhàn)飛機(jī)、反潛機(jī)、殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、無(wú)人機(jī)、浮空器等一系列空基信息系統(tǒng)的部署，為滿足多樣化的作戰(zhàn)應(yīng)用，多平臺(tái)間協(xié)同應(yīng)用和互操作成為急需研究的課題[2]，將數(shù)據(jù)服務(wù)層獨(dú)立作為類中間件可提高分布式多平臺(tái)系統(tǒng)之間的信息共享能力與互操作能力[3].本文從作戰(zhàn)應(yīng)用出發(fā)，參照5層因特網(wǎng)協(xié)議棧，建立空基信息系統(tǒng)的分層模型，從支持互操作設(shè)計(jì)角度描述了數(shù)據(jù)服務(wù)層的設(shè)計(jì).

1 互聯(lián)網(wǎng)分層模型分析

互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展得益于“開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)基本參考模型”的制定，使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化. 隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，目前應(yīng)用最廣泛的模型是互聯(lián)網(wǎng)分層模型，共有5層：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層.

(1) 應(yīng)用層.支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，應(yīng)用協(xié)議僅僅是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個(gè)組成部分，運(yùn)行在不同主機(jī)上的進(jìn)程則使用應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行通信，主要協(xié)議有：Http，F(xiàn)tp，Telnet，Smtp，Pop3等.

(2) 傳輸層.負(fù)責(zé)為信源和信宿提供應(yīng)用程序進(jìn)程間的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，這一層上主要定義了兩個(gè)傳輸協(xié)議，傳輸控制協(xié)議即TCP和UDP.

(3) 網(wǎng)絡(luò)層.負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包獨(dú)立地從信源發(fā)送至信宿，主要解決路由選擇、擁塞控制和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等問(wèn)題.

(4) 數(shù)據(jù)鏈路層.負(fù)責(zé)將IP數(shù)據(jù)包封裝成合適在物理網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膸袷讲鬏敚驅(qū)奈锢砭W(wǎng)絡(luò)接收到的幀解封，取出IP數(shù)據(jù)包交給網(wǎng)絡(luò)層.

(5) 物理層.負(fù)責(zé)將比特流在節(jié)點(diǎn)間傳輸，即負(fù)責(zé)物理傳輸.該層的協(xié)議既與鏈路有關(guān)也與傳輸介質(zhì)有關(guān).

2 空基信息系統(tǒng)的分層模型

空基信息系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目多、類型多，各節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用功能均由不同廠商研制，各功能組件間交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，如不規(guī)范研制過(guò)程，制定分層架構(gòu)模型，會(huì)導(dǎo)致各承研單位以自身功能實(shí)現(xiàn)為目的，致使空基信息系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)間協(xié)同、互操作困難.

空基信息系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)多樣，而任務(wù)的執(zhí)行需要通過(guò)相應(yīng)的空基平臺(tái)、設(shè)備以及其上駐留的功能組件實(shí)現(xiàn)，因此多樣化任務(wù)對(duì)應(yīng)于多樣化網(wǎng)絡(luò)信息活動(dòng)[4]，即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化探測(cè)、偵察、定位、跟蹤、控制、打擊和評(píng)估等信息活動(dòng)實(shí)現(xiàn)空基信息系統(tǒng)功能.

通過(guò)對(duì)功能組件功能、輸入輸出關(guān)系、運(yùn)行時(shí)序的研究，開(kāi)展空基信息系統(tǒng)的分層模型研究，分層模型各層功能保證相應(yīng)功能、性能，以支撐空基信息系統(tǒng)在分層模型基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)化信息活動(dòng).

將空基信息系統(tǒng)劃分為6層：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、傳輸服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，支持以數(shù)據(jù)為中心、服務(wù)化、可重構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)；相比互聯(lián)網(wǎng)分層模型，增加數(shù)據(jù)服務(wù)層以支持空基信息系統(tǒng)平臺(tái)間的互操作設(shè)計(jì).

基于作戰(zhàn)任務(wù)的系統(tǒng)之系統(tǒng)分層架構(gòu)模型(SOS)，如圖1所示.

圖1 空基信息系統(tǒng)分層模型Fig.1 Layered model of airborne information system

應(yīng)用層：從預(yù)警探測(cè)、綜合識(shí)別、定位跟蹤、控制引導(dǎo)、打擊評(píng)估和基礎(chǔ)服務(wù)等幾個(gè)方面開(kāi)展系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，根據(jù)功能差異開(kāi)展模型和邏輯設(shè)計(jì)以提高組件的高內(nèi)聚.

數(shù)據(jù)服務(wù)層：通過(guò)作戰(zhàn)任務(wù)、應(yīng)用分析，梳理出空基信息系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)流，根據(jù)業(yè)務(wù)需求提出基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)、控制類數(shù)據(jù)、情報(bào)類數(shù)據(jù)、監(jiān)控類數(shù)據(jù)、指揮引導(dǎo)與協(xié)同數(shù)據(jù)、火力打擊類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)元素、數(shù)值范圍和數(shù)據(jù)的組織方式，并研究以服務(wù)化的方式為各功能應(yīng)用提供支撐，以支持系統(tǒng)的互操作設(shè)計(jì).

傳輸服務(wù)層：通過(guò)遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用、發(fā)布/訂閱、窄帶傳輸控制等機(jī)制提供功能組件端到端的數(shù)據(jù)傳輸能力，提供滿足應(yīng)用需求的服務(wù)等級(jí)；通過(guò)有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效運(yùn)用，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率.

網(wǎng)絡(luò)層：通過(guò)鄰里發(fā)現(xiàn)協(xié)議、已知移動(dòng)信息路由協(xié)議(MARP)和移動(dòng)信息洪泛協(xié)議(MDP)進(jìn)行空基信息系統(tǒng)路由表的維護(hù)；通過(guò)鏈路監(jiān)視信息開(kāi)展擁塞控制、流量控制管理，實(shí)現(xiàn)在多鏈基礎(chǔ)上的負(fù)載均衡設(shè)計(jì).

數(shù)據(jù)鏈路層：實(shí)現(xiàn)將IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合相應(yīng)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)膸袷剑鶕?jù)鏈路的傳輸特性開(kāi)展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)壓縮、鏈路監(jiān)視和鏈路選擇等功能設(shè)計(jì).

物理層：負(fù)責(zé)協(xié)議數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間傳輸，主要通過(guò)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈、寬帶數(shù)據(jù)鏈和武協(xié)鏈等無(wú)線數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳輸.

3 數(shù)據(jù)互操作設(shè)計(jì)

空基信息系統(tǒng)互操作能力反映的是系統(tǒng)自身可以達(dá)到的互操作水平，該水平主要是由系統(tǒng)采用的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)等決定的[5].按照LISI模型，影響系統(tǒng)互操作能力最關(guān)鍵的屬性主要是規(guī)程(P)、應(yīng)用(A)、基礎(chǔ)設(shè)施(I)和數(shù)據(jù)(D).作為實(shí)現(xiàn)空基信息系統(tǒng)服務(wù)化的核心，本文從數(shù)據(jù)(D)方面入手開(kāi)展研究.

基于空基信息系統(tǒng)分布化網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)互操作主要通過(guò)多平臺(tái)間數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)管理等功能為系統(tǒng)提供分布式的數(shù)據(jù)信息服務(wù). 數(shù)據(jù)互操作涉及數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)建設(shè)、管理和應(yīng)用等多方面，建議從數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)體系和分布式服務(wù)化的應(yīng)用方式兩部分開(kāi)展研究.

(1) 數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)體系

實(shí)現(xiàn)空基信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享必須具有一致性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，尤其隨著空基裝備的迅猛發(fā)展并逐步裝備，應(yīng)以空基信息系統(tǒng)基礎(chǔ)信息標(biāo)準(zhǔn)為方法推進(jìn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè). 參照科技部發(fā)布的科學(xué)數(shù)據(jù)共享工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)、通用標(biāo)準(zhǔn)和專用標(biāo)準(zhǔn)3部分，通過(guò)頂層作戰(zhàn)使用研究、空基平臺(tái)應(yīng)用研究逐步細(xì)化至交互數(shù)據(jù)需求，從而為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)提供支撐，其標(biāo)準(zhǔn)體系框架如圖2所示.

圖2 空基信息系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系Fig.2 Basic data standards of airborne information system

指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)作為頂層輸入，規(guī)范了從頂層開(kāi)展作戰(zhàn)使用研究分解至交互數(shù)據(jù)需求的方法，并給出了提供數(shù)據(jù)服務(wù)的方法，并對(duì)名詞術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了約束.

通用標(biāo)準(zhǔn)作為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)的核心，規(guī)范了元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)元素字典標(biāo)準(zhǔn)，從提供發(fā)現(xiàn)、訪問(wèn)、解析和管理等方法方面進(jìn)行了描述.

專用標(biāo)準(zhǔn)作為業(yè)務(wù)領(lǐng)域的規(guī)范，制定了傳感器、信息融合、指控、打擊、監(jiān)控和環(huán)境等方面的數(shù)據(jù)組成要素.

圖3 數(shù)據(jù)服務(wù)層
Fig.3 Data service layer

(2) 分布式服務(wù)化應(yīng)用

在SOA架構(gòu)的基礎(chǔ)上以服務(wù)化方式提供數(shù)據(jù)服務(wù)，構(gòu)建提供數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、訪問(wèn)、解析和管理等方法的數(shù)據(jù)服務(wù)層，數(shù)據(jù)服務(wù)層框圖見(jiàn)圖3.

數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)采用服務(wù)注冊(cè)的方式，注冊(cè)后的數(shù)據(jù)信息將與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行類型比對(duì)，針對(duì)不符合空基信息系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系的數(shù)據(jù)將注冊(cè)失敗，以此保證空基信息系統(tǒng)多平臺(tái)間數(shù)據(jù)互操作；注冊(cè)后，將形成數(shù)據(jù)信息名錄，用于檢索、發(fā)現(xiàn).

數(shù)據(jù)訪問(wèn)采用服務(wù)化方法對(duì)外提供增、刪、改、查等接口，可實(shí)現(xiàn)空基信息系統(tǒng)多平臺(tái)間數(shù)據(jù)的互操作，通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分類管理，可通過(guò)類型實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)塊的操作，提高了信息交互效率.

數(shù)據(jù)解析根據(jù)平臺(tái)間信息需求的差異以及傳輸信息數(shù)據(jù)鏈路的差異，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、解析處理，從而提供一致化服務(wù).

數(shù)據(jù)管理主要實(shí)現(xiàn)空基信息系統(tǒng)平臺(tái)間數(shù)據(jù)的分布式管理，根據(jù)數(shù)據(jù)信息的類型、同步周期、優(yōu)先級(jí)建立分布式管理模型，進(jìn)一步提高平臺(tái)間信息訪問(wèn)效率，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間的數(shù)據(jù)同步管理.

4 結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建空基信息系統(tǒng)的分層模型提高空基信息系統(tǒng)平臺(tái)間的協(xié)同應(yīng)用和互操作的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)互操作設(shè)計(jì)更進(jìn)一步理清了平臺(tái)間互操作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ). 本文借鑒互聯(lián)網(wǎng)分層模型提出空基信息系統(tǒng)的分層模型，并針對(duì)不同層的應(yīng)用方式進(jìn)行了介紹，對(duì)空基信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義. 參照PAID評(píng)價(jià)方法，本文從數(shù)據(jù)(D)角度進(jìn)行互操作設(shè)計(jì)并給出了數(shù)據(jù)服務(wù)層的構(gòu)建方法. 然而，空基信息系統(tǒng)的互操作還需要從P(規(guī)程)、A(應(yīng)用)、I(基礎(chǔ)設(shè)計(jì))等多方面開(kāi)展進(jìn)一步研究.

[1] 陸軍，酈能敬，曹晨, 等．預(yù)警機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論[M]．2版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011．

[2] 劉波，沈齊，李文清．空基預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012．

[3] 李博驍.一種支持智能環(huán)境構(gòu)建的中間件[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版：2013，45(5)：50-53．

[4] 雷中岳，范鵬，黃煒． 一種空基自組網(wǎng)路由協(xié)議的研究[J]．中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2013, 8(6): 632-637．

[5] 羅愛(ài)民，黃力，羅雪山．信息系統(tǒng)互操作性評(píng)估方法研究[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009, 19(7): 17-19．

(責(zé)任編輯：王浩毅)

Research on Layered Model and Data Interoperation of Airborne Information System

WU Yong-sheng， LI Bo-xiao

(ChinaAcademyofElectronicsandInformationTechnology,Beijing100041，China)

The journey of airborne information system was described. According to the internet layered model，a layered model of airborne information system was proposed, which was able to conduct coordination and interoperation between different platforms within the airborne information system. Aiming at the requirement of interoperation, the design of data service layer was proposed, which will support data interoperation.

airborne information system; layered model; data service layer; data interoperation

2015-03-15

吳永勝(1982-)，男，河北唐山人，工程師，碩士，主要從事空基信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、集成與軟件架構(gòu)研究,E-mail:elegantfall@sina.com.

吳永勝，李博驍.空基信息系統(tǒng)分層模型及數(shù)據(jù)互操作研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2015，47(3)：55-58.

TP393

A

1671-6841(2015)03-0055-04

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.03.010