C4ISR體系結構驗證評估

劉俊先 羅雪山 羅愛民 陳洪輝

1.國防科技大學信息系統(tǒng)工程重點實驗室湖南長沙410073

“體系結構(Architecture)”一詞來源于建筑領域,表示建筑物的式樣、風格以及建造建筑物的藝術與科學等,也稱架構.計算機和信息系統(tǒng)產(chǎn)生后,“體系結構”一詞被用于計算機軟硬件、信息系統(tǒng)及系統(tǒng)工程等領域,提出了計算機體系結構、系統(tǒng)體系結構等概念.C4ISR體系結構是C4ISR系統(tǒng)組成單元的結構及其關系,以及指導系統(tǒng)設計和演進的原則和指南.在系統(tǒng)建設初期使用體系結構對系統(tǒng)進行頂層設計,科學規(guī)劃系統(tǒng)的組成、結構以及相互關系,遵循的標準規(guī)范,能夠促進理解與交流、為系統(tǒng)建設提供決策支持、指導系統(tǒng)開發(fā)與集成、指導系統(tǒng)運行等,在系統(tǒng)的整個生命周期中都發(fā)揮著重要作用.

體系結構是一個抽象的概念,體系結構設計出來后,必須用一種規(guī)范的形式進行表述,這種表述稱為體系結構描述.體系結構開發(fā)涉及各種復雜的業(yè)務和技術領域,由于不同領域人員知識結構存在差異,相互之間的交流比較困難.如果沒有某種約束,不同人員根據(jù)自己的習慣和喜好,采用各自的方式描述體系結構,必將造成體系結構描述內(nèi)容和形式的不統(tǒng)一,勢必帶來人們理解和認識的不統(tǒng)一,使得體系結構的使用效果大打折扣.通過建立相應的規(guī)范來約束體系結構描述,進而勾畫出復雜系統(tǒng)的體系結構,這些規(guī)范就稱為體系結構框架.

經(jīng)過多年的研究和實踐,各個領域發(fā)展了許多的體系結構框架,如美軍C4ISR體系結構框架[1?2]和DoDAF體系結構框架[3?5]、英軍MoDAF體系結構框架[6]、北約體系結構框架[7]等,其核心和精髓都是基于多視圖的方法.多視圖的體系結構設計方法從不同的角度描述信息系統(tǒng),較方便地反映各類風險承擔者的需求和愿望,易于形成對體系結構整體的描述.各視圖和產(chǎn)品數(shù)據(jù)之間存在復雜的關聯(lián)和約束關系,不同視圖和產(chǎn)品數(shù)據(jù)存在一定的交叉和重復,這是多個視圖和產(chǎn)品構成體系結構的基礎.但同時這些產(chǎn)品和數(shù)據(jù)之間的復雜關系也增加了設計的難度.

正是由于體系結構在系統(tǒng)建設中發(fā)揮著重要作用,體系結構的設計質(zhì)量就顯得尤為重要.體系結構驗證評估是檢查體系結構的設計成果在語法、語義上是否正確、合理,是否符合系統(tǒng)需求,從結構、性能、可靠性、效能等方面對體系結構設計方案的優(yōu)劣程度進行評價,并對一組可選體系結構設計方案進行折衷分析和選優(yōu).明確體系結構設計的驗證評估內(nèi)容,并建立科學高效的體系結構驗證評估方法是開展驗證評估工作的前提和基礎.

1 體系結構信息模型

按照認識論的觀點,對事物的認識和理解,依賴于主體表述該事物的存在方式、運動狀態(tài)及其變化方式.事物的存在方式、運動狀態(tài)及其變化方式的外在形式、內(nèi)在含義和效用價值是正確表示和理解事物的三要素,它們相互依存、不可分割.要正確理解體系結構設計結果,判斷體系結構設計質(zhì)量,也有必要從外在表現(xiàn)形式、內(nèi)在含義和效用價值3方面入手.借用語言學中關于語法、語義和語用信息概念,體系結構設計相關的信息分為語法、語義和語用信息[8,13].

體系結構的語法信息指的是體系結構設計結果外在表現(xiàn)形式所包含或提供的信息,是體系結構數(shù)據(jù)最直觀的表現(xiàn)形式,與它們的具體含義無關,主要反映體系結構實體之間的結合方式和相互關系.體系結構的語義信息主要指描述體系結構的實體在組合后所體現(xiàn)出的邏輯含義,反映體系結構各實體之間的邏輯關系和行為特征,如結構與分解關系、信息流關系、時序關系等.如果按照一定語法規(guī)則描述的實體沒有內(nèi)在的邏輯關系,那么這樣的設計是不完整的.按照一定邏輯或語義組合的體系結構實體最終能執(zhí)行一定的功能,具有一定的性能,實現(xiàn)一定的效用,這是體系結構設計的目標.體系結構語用信息反映體系結構的功能和性能,能夠支持完成的任務和最終實現(xiàn)的效能.

圖1 體系結構信息模型

語法信息、語義信息和語用信息是體系結構表現(xiàn)在3個不同層面的信息,體系結構是這3個層面信息的綜合體.文獻[8]提出一種體系結構信息模型,如圖1所示.體系結構語法信息是體系結構設計中直接的內(nèi)容,語義信息和與語用信息是語法信息中隱含的信息,它們通過語法信息體現(xiàn),是語法信息綜合后在主體上形成的高層信息.體系結構設計表面看是設計體系結構語法信息,但本質(zhì)上是在語義信息指導下、以語用信息為目標、體現(xiàn)語義信息和語用信息的綜合設計.

2 基于信息模型的體系結構驗證評估內(nèi)容

2.1 體系結構驗證評估的內(nèi)容層次

按照體系結構信息模型,體系結構是通過語法信息、語義信息和語用信息來表示的,體系結構設計中存在的設計不規(guī)范、數(shù)據(jù)不一致、不能滿足實際需要等問題,就是體系結構語法層、語義層和語用層設計的問題.針對體系結構信息模型,在文獻[8-9]的基礎上,建立C4ISR體系結構驗證評估內(nèi)容模型如圖2所示.

圖2 體系結構驗證評估的內(nèi)容層次

語法層驗證主要是解決體系結構設計“對不對”的問題,檢查體系結構設計內(nèi)容是否完整、形式是否規(guī)范、描述是否準確,包括設計完整性檢查、數(shù)據(jù)引用正確性檢查、數(shù)據(jù)對齊分析、關系一致性分析等活動.語義層驗證主要是解決體系結構“行不行”的問題.開展兩方面的工作,一是作戰(zhàn)流程、系統(tǒng)功能流程設計的合理性驗證,二是系統(tǒng)/作戰(zhàn)狀態(tài)設計與系統(tǒng)/作戰(zhàn)流程設計的一致性驗證.語用層驗證評估主要是解決體系結構“好不好”的問題,評估體系結構設計對象的性能和效能是否滿足需求,通過驗證分析所設計系統(tǒng)的基本性能是否達標,系統(tǒng)的弱點和瓶頸在哪里,系統(tǒng)在整個體系中的作用如何等.

2.2 C4ISR體系結構的語法驗證

語法層驗證主要對體系結構設計是否符合語法規(guī)則進行驗證,即對描述體系結構的基本元素、產(chǎn)品、數(shù)據(jù)的結構是否符合語法規(guī)范和要求進行驗證.其中包括設計完整性檢查、數(shù)據(jù)引用正確性檢查、數(shù)據(jù)對齊分析、關系一致性分析.

設計完整性檢查主要檢查用戶是否完成所有必須的設計內(nèi)容.這里必須的設計內(nèi)容包括兩個方面的含義:一是體系結構設計所要求的視圖或產(chǎn)品;二是特定產(chǎn)品的具體內(nèi)容是否完整,必不可少的屬性等是否完成了設計,如:對作戰(zhàn)節(jié)點間信息交換的設計是否完整,具體包括信息交換的名稱、產(chǎn)生信息的作戰(zhàn)活動、使用信息的作戰(zhàn)活動、觸發(fā)事件、時效性要求等;對系統(tǒng)節(jié)點,是否指明了節(jié)點完成的系統(tǒng)功能集？系統(tǒng)子節(jié)點是否指明了完成的功能？對系統(tǒng)功能,是否有至少一個節(jié)點配置了此項功能？

數(shù)據(jù)引用正確性檢查主要是檢查所有數(shù)據(jù)引用,判斷是否存在無出處的引用.主要包括兩種檢查:一是參考資源的引用正確性檢查,如作戰(zhàn)活動模型中的所有作戰(zhàn)活動是否來自“通用聯(lián)合任務清單”？二是其他產(chǎn)品設計內(nèi)容引用正確性檢查,如作戰(zhàn)節(jié)點執(zhí)行的作戰(zhàn)活動,或信息交換中生成或使用該信息交換的活動,必須被作戰(zhàn)活動模型包含.

數(shù)據(jù)對齊分析主要是檢查所有核心數(shù)據(jù),引導用戶比對名稱相同的核心數(shù)據(jù),對本質(zhì)相同的數(shù)據(jù)進行標記,否則需要用戶進行改名處理.如作戰(zhàn)、后勤、裝備部門在描述聯(lián)合火力打擊作戰(zhàn)樣式下的作戰(zhàn)體系結構時,可能都會使用“聯(lián)合火力打擊”、“威脅評估”、“計劃擬制”等作戰(zhàn)活動,以及同名的作戰(zhàn)節(jié)點等.這些同名的作戰(zhàn)活動、作戰(zhàn)節(jié)點在作戰(zhàn)、后勤、裝備等部門設計的體系結構中是否表示同一個活動？不進行數(shù)據(jù)對齊分析,可能會出現(xiàn)用同一名稱命名不同事物的可能,這會使體系結構集成時形成錯誤的流程圖、狀態(tài)圖,從而給后續(xù)分析、研發(fā)造成更大的隱患.

關系一致性分析主要驗證體系結構數(shù)據(jù)是否存在相互矛盾的內(nèi)容.數(shù)據(jù)一致性驗證主要包括不同產(chǎn)品中體系結構實體一致性以及實體之間關系的一致性.不同產(chǎn)品中體系結構實體一致性指出現(xiàn)在不同產(chǎn)品中的相同數(shù)據(jù)實體要一致.實體之間關系要一致主要指不同視圖或產(chǎn)品中體現(xiàn)的同類實體關系必須一致.

2.3 C4ISR體系結構的語義驗證

語義驗證評估主要是判斷體系結構的基本語法元素形成的描述語義是否合理和正確,是否存在相互矛盾、沖突和不合理的內(nèi)容.其中主要是對行為邏輯的正確性進行驗證評估.驗證分為兩個方面:一是驗證用戶對體系和系統(tǒng)行為的期望是否合理？即作戰(zhàn)/作戰(zhàn)流程、系統(tǒng)功能流程是否合理？二是驗證所設計的體系和系統(tǒng)能否按用戶所期望的運行？即作戰(zhàn)狀態(tài)描述、系統(tǒng)狀態(tài)描述等是否符合作戰(zhàn)流程和功能流程的描述？如不能通過行為邏輯驗證,則用戶對系統(tǒng)的期望是不合理的,或系統(tǒng)設計是無效的.

2.4 C4ISR體系結構的語用驗證評估

語用驗證評估主要側重體系結構的效用分析,特別是體系結構的整體效用.分析按照體系結構設計方案最終開發(fā)得到的系統(tǒng)是否達到設計要求,滿足各項需求指標.語用驗證主要包括性能驗證評估、效能驗證評估和綜合評估.通過語用驗證評估,旨在解決以下問題:系統(tǒng)設計是否滿足基本性能指標的要求？若不滿足,系統(tǒng)的弱點和瓶頸是什么？出現(xiàn)瓶頸或弱點的原因是什么？如何改進系統(tǒng)設計方案才能提高性能？

性能驗證評估是針對體系結構設計的性能指標,驗證對應性能指標能否達到設計的指標,能否達到需求性能指標,滿足需求的程度.性能驗證評估可分為基本性能評估、靜態(tài)結構性能評估、動態(tài)結構性能評估3類.基本性能驗證評估主要通過對基本性能指標的評估來分析體系結構的性能,指標包括體系結構中各系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)功能的能力,如處理速度、作用范圍、發(fā)現(xiàn)概率等.該類驗證評估的目的是驗證評估體系結構能否達到設計要求的性能指標.系統(tǒng)靜態(tài)結構指的是系統(tǒng)的物理結構.靜態(tài)結構性能評估指標包括:結構復雜性,即系統(tǒng)組成結構要素及其關系的復雜程度;結構抗毀性,即系統(tǒng)在受到攻擊后能夠繼續(xù)完成任務的能力;結構適應性,即系統(tǒng)結構適應不同任務變化的能力.系統(tǒng)的動態(tài)結構指的是系統(tǒng)邏輯結構.驗證評估內(nèi)容包括系統(tǒng)傳輸瓶頸、系統(tǒng)處理瓶頸等,評估指標包括系統(tǒng)反應時間、系統(tǒng)服務時間、平均等待時間等.通過對這些指標的分析,可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行時結構的瓶頸和薄弱環(huán)節(jié),從而為進一步改進完善系統(tǒng)結構設計提出建議和參考.

效能驗證評估是針對體系結構設計的效能指標,驗證對應效能指標能否達到設計的指標,能否達到需求指標,以及滿足需求的程度.體系結構的效能驗證評估主要是達到兩個目的,一是通過對作戰(zhàn)任務的性能需求和系統(tǒng)性能的對比分析,解決系統(tǒng)能在多大程度上滿足作戰(zhàn)任務要求,并找出影響作戰(zhàn)效能的關鍵系統(tǒng)因素;二是評估系統(tǒng)對整個體系的能力提升或填補能力差距方面有何貢獻？基于體系結構設計,一方面可以明確特定任務背景下的作戰(zhàn)體系及相應的支撐系統(tǒng),進而通過仿真等手段獲取相應的能力指標和作戰(zhàn)效能指標;另一方面,可以從體系結構設計直接獲得相應的性能指標.通過建立性能指標和能力指標、效能指標之間的關聯(lián)關系,可以比較特定任務場景下系統(tǒng)能力差距或效能差距的滿足情況,進而分析體系結構的整體效能.

綜合評估是綜合考慮體系結構的功能性指標和非功能性指標,對體系結構進行綜合評估.體系結構非功能性指標的評估,包括可用性、費用、風險等方面,主要回答“所設計的體系結構是否有用、是否具有可實施性”等問題.

3 C4ISR體系結構驗證評估方法

國內(nèi)外對體系結構驗證評估方法已開展了大量研究.國外研究側重在驗證評估方法,主要研究了專家評審法、基于軟件體系結構評估的方法和基于可執(zhí)行模型的方法[10].國內(nèi)學者主要研究了體系結構驗證評估的概念、內(nèi)涵、內(nèi)容和方法,如羅愛民提出了一種C4ISR系統(tǒng)體系結構信息模型,建立了一種體系結構設計與分析框架[8];修勝龍研究了C4ISR體系結構產(chǎn)品的一致性開發(fā)和驗證方法[11];黃力研究了基于Statechart圖的C4ISR系統(tǒng)體系結構驗證方法[12];姜志平研究了基于CADM的C4ISR系統(tǒng)體系結構驗證方法及關鍵技術[13];姜軍研究了可執(zhí)行體系結構及DoDAF的可執(zhí)行化方法[14].這些研究從不同側面分析了體系結構驗證評估問題.

根據(jù)方法的特點,體系結構驗證評估方法可以分為3類:形式化驗證方法、基于仿真模擬的驗證評估方法和綜合評估方法.

3.1 體系結構驗證評估的形式化方法

形式驗證的核心是利用數(shù)學的確定性證明設計的正確性.這證明意味著這種驗證是完備的,在數(shù)學上是嚴謹?shù)?設計的正確性通常與規(guī)范有關.規(guī)范就是要求、約束.就體系結構驗證來說,規(guī)范體現(xiàn)在兩方面:高層模型和性質(zhì).高層模型就是自頂向下設計時的上層體系結構設計,如綜合級體系結構是項目級體系結構的規(guī)范,作戰(zhàn)視圖是系統(tǒng)視圖的規(guī)范等.下層設計實現(xiàn)了上層設計要求,就認為設計是正確的.性質(zhì)就是體系結構實現(xiàn)過程中必須始終遵守的行為屬性,如業(yè)務流程的活性、正確性、有界性等.常用的體系結構形式化驗證方法有:基于數(shù)據(jù)模型的完整性檢查、基于圖論模型的數(shù)據(jù)關系分析、基于Petri網(wǎng)模型的流程合理性驗證、基于有限狀態(tài)機模型的安全驗證等.

3.2 基于仿真模擬的體系結構驗證評估方法

基于仿真模擬的體系結構驗證評估方法指的是根據(jù)體系結構設計,建立仿真模型并進一步形成仿真系統(tǒng),在此基礎上設計仿真實驗并統(tǒng)計數(shù)據(jù),進行體系結構性能或效能評估的方法.根據(jù)建立仿真模型時所使用體系結構模型的不同,可以將基于仿真模擬的驗證評估方法分為體系結構模型級模擬仿真、體系結構視圖級模擬仿真和集成級模擬仿真3類.

體系結構模型級模擬仿真對單個體系結構模型進行仿真分析,以確定模型設計的合理性和可行性,判斷性能指標是否滿足需求.體系結構視圖級模擬仿真基于視圖內(nèi)的多個模型建立仿真模型,分析整個視圖設計內(nèi)容的合理性、可行性,可以評估作戰(zhàn)效能、系統(tǒng)性能等指標.體系結構集成級模擬仿真基于多個視圖內(nèi)的體系結構模型建立仿真模型,分析整個體系結構所具備的能力及滿足需求的情況.

3種方法各有優(yōu)缺點,在難度、復雜度、分析范圍和使用的仿真引擎方面各有不同,如表1所示.

3.3 體系結構綜合評估方法

體系結構綜合評估方法可以采用一般系統(tǒng)綜合評估的方法,如層次分析法、專家評審法、軟件體系結構折衷分析方法等.

不同驗證評估方法能夠支持不同的體系結構驗證評估活動,如形式化方法可以支持數(shù)據(jù)及關系分析、邏輯行為驗證和性能評估等活動,基于模擬仿真的方法能為性能和效能評估提供有效支持,綜合評估方法則適合于效能評估和體系結構設計方案的優(yōu)選.

體系結構驗證評估方法還存在許多難點問題沒有完全解決.具體包括:

1)對形式化方法,如何根據(jù)體系結構設計生成需要的形式化模型？這些形式化模型遵循的規(guī)范或滿足的性質(zhì)是什么;如何開展相關規(guī)范和性質(zhì)的驗證？如何解決形式化方法應用中的狀態(tài)空間爆炸等問題？

表1 基于仿真模擬的體系結構驗證評估方法

2)對基于仿真模擬的驗證評估方法,如何根據(jù)體系結構設計生成仿真實驗設計,如何根據(jù)體系結構設計中的性能參數(shù)生成仿真配置參數(shù),如何進行探索性分析快速找到關聯(lián)的指標及其影響？

3)對綜合評估方法,如何根據(jù)體系結構設計開展非功能性指標如可靠性、風險等的評估分析？