面向空基信息系統(tǒng)的公共操作環(huán)境研究

吳永勝,姜邵巍,劉曉敏

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引 言

空基信息系統(tǒng)[1]是以預(yù)警機為中心，協(xié)同干擾機、戰(zhàn)斗機、無人機等多型空基裝備，集成預(yù)警探測、情報偵察、指揮控制以及協(xié)同打擊等功能，面向網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)，具備高動態(tài)、低時延的特點，公共操作環(huán)境是網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)能力的重要組成部分，是多平臺協(xié)同能力構(gòu)建的基礎(chǔ)。

面向空基信息系統(tǒng)特點，公共操作環(huán)境應(yīng)具備動態(tài)嵌入、高實時，與資源解耦合等特點，需采用開放式架構(gòu)模型，解決應(yīng)用之間緊耦合、軟件與硬件緊綁定的問題，論文基于空基信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)活動分析了公共操作環(huán)境分層架構(gòu)，闡述了分層架構(gòu)的技術(shù)實施途徑，并結(jié)合任務(wù)調(diào)度進行了功能組件的部署驗證。

1 空基信息系統(tǒng)公共操作環(huán)境架構(gòu)

通過對空基信息系統(tǒng)預(yù)警探測、情報偵察、指揮控制以及協(xié)同打擊等網(wǎng)絡(luò)化活動的梳理，分解為多類業(yè)務(wù)功能軟件組成的功能線程在傳感器、計算資源基礎(chǔ)上并發(fā)執(zhí)行，因此公共操作環(huán)境應(yīng)在傳感器、計算資源管理的基礎(chǔ)上提供調(diào)度管理、傳輸服務(wù)、共用服務(wù)等功能，以滿足多功能線程調(diào)度以及對應(yīng)硬件資源、軟件資源的運行約束要求，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建面向任務(wù)動態(tài)調(diào)度部署的系統(tǒng)架構(gòu)，空基信息系統(tǒng)功能分層架構(gòu)如圖1所示。

面向多任務(wù)、多功能線程的并發(fā)需求，從系統(tǒng)抽取7類抽象模型元素，其模型由作戰(zhàn)任務(wù)集(M，Missions)、功能單元集(F，F(xiàn)unctions)、資源模塊集(硬件、軟件)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集(N，Nodes)、屬性集(A，Attributes)、關(guān)聯(lián)關(guān)系(R，Relations)、環(huán)境集(V，Environment)組成，構(gòu)成空基信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上確定任務(wù)、功能、資源的基礎(chǔ)上確定各層節(jié)點實體、實體屬性、交聯(lián)關(guān)系及環(huán)境要求，分析各層信息交互關(guān)系與環(huán)境的變化，提出了一種面向任務(wù)的系統(tǒng)之系統(tǒng)(System of System, SOS)分層架構(gòu)模型，將空基信息系統(tǒng)與平臺任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)同構(gòu)化處理，統(tǒng)一劃分為任務(wù)、功能與共用服務(wù)、傳輸服務(wù)和資源等層次，支撐按照任務(wù)實現(xiàn)硬件、軟件等資源的動態(tài)調(diào)度，開展公共操作環(huán)境的分層設(shè)計，包括資源管理、傳輸服務(wù)和共用服務(wù)等三部分，如圖2所示，系統(tǒng)具體分層描述如下：

圖2 分層模型研究

任務(wù)層：分析空基信息系統(tǒng)主要的作戰(zhàn)任務(wù)，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)提出系統(tǒng)下一層對具體功能、業(yè)務(wù)、交互關(guān)系、交互信息的要求，提出單平臺所需實現(xiàn)的功能以及其對外的信息交互內(nèi)容；

功能層：從預(yù)警探測、情報偵察、指揮控制和協(xié)同打擊等四方面分析系統(tǒng)的應(yīng)用，提出功能應(yīng)用組件的設(shè)計，以支撐應(yīng)用組件的高內(nèi)聚設(shè)計；

共用服務(wù)層：在功能應(yīng)用設(shè)計的基礎(chǔ)上抽取共用服務(wù)，將多功能應(yīng)用具備的功能匯聚，采用發(fā)布訂閱與遠(yuǎn)程調(diào)用混合機制構(gòu)建了共用服務(wù)管理器，提升功能軟件內(nèi)聚設(shè)計；

傳輸服務(wù)層：通過遠(yuǎn)程過程調(diào)用、發(fā)布/訂閱等機制的研究，提出滿足應(yīng)用組件需求的服務(wù)等級；通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的綜合有效運用，提高系統(tǒng)的運行效率；同時提供應(yīng)用組件管理功能，支持對應(yīng)用組件的動態(tài)遷移部署，通過對應(yīng)用組件運行所需資源、優(yōu)先級等的分配，實現(xiàn)對應(yīng)用組件的差異化控制，以支撐系統(tǒng)的高效率運行；數(shù)據(jù)服務(wù)通過對任務(wù)層、應(yīng)用層輸入的分解，梳理出空基信息系統(tǒng)相關(guān)信息的元數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)流，根據(jù)業(yè)務(wù)需求提出不同類型的數(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，以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的解耦合能力；

資源管理層：通過對空基信息系統(tǒng)的傳感器資源和計算資源進行綜合管理，傳感器等外設(shè)資源采用系統(tǒng)建模、功能代理的方式構(gòu)建管控能力，計算資源采用組件管理技術(shù)實施，以支撐系統(tǒng)高魯棒、高效率的運行；

任務(wù)調(diào)度：通過對任務(wù)、狀態(tài)、態(tài)勢等信息的監(jiān)控，以及任務(wù)執(zhí)行與資源調(diào)度的匹配情況，進行系統(tǒng)功能再部署，從而支撐更有效地資源利用，提高系統(tǒng)的效能。

2 公共操作環(huán)境研究

公共操作環(huán)境提供在傳感器、計算資源等空基信息系統(tǒng)資源的基礎(chǔ)上資源管理、傳輸和共用服務(wù)，并具備面向任務(wù)實現(xiàn)功能軟件動態(tài)部署的能力，針對空基高動態(tài)、低時延的特點，提供功能軟件的訪問處理時延要求在毫秒級。

2.1 資源管理技術(shù)研究

資源管理面向傳感器資源類、計算資源類提供訪問管理服務(wù)，其中傳感器類構(gòu)建代理服務(wù)，注冊在公共操作環(huán)境中，通過服務(wù)接口實現(xiàn)對本地、遠(yuǎn)端傳感器的調(diào)度；計算資源類通過封裝功能運行單元，定義功能組件規(guī)范，涵蓋資源需求、傳輸時延、運行約束等信息，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)運行實體，注冊在公共操作環(huán)境中，通過管理接口實現(xiàn)在多計算平臺上的部署。

2.1.1 傳感器代理

針對雷達(dá)、電子偵察等異構(gòu)傳感器類系統(tǒng)進行同構(gòu)化建模，梳理業(yè)務(wù)處理邏輯、處理時延約束，以及傳感器的控制輸入、探測輸出等信息數(shù)據(jù)進行抽象處理，采取Agenet建模技術(shù)[3]，分別將傳感器等節(jié)點按照物理特征進行建模，采用軟件服務(wù)化方法構(gòu)建代理訪問服務(wù)，提供針對其工作狀態(tài)、工作狀況、工作參數(shù)設(shè)置、工作模式設(shè)定以及特征信息上報等服務(wù)接口的統(tǒng)一管理，并根據(jù)傳感器類型、平臺節(jié)點構(gòu)建符合其約束原則的訪問邏輯控制，具體如圖3所示。其代理服務(wù)類型包括雷達(dá)系統(tǒng)、電子偵察系統(tǒng)、敵我識別系統(tǒng)等，經(jīng)同構(gòu)化建模后，要素管理類型包括State_Contrl、Status_Monitor、Parameter_Ctrl、WorkMode_Ctrl和Traget_Info等信息。

圖3 傳感器代理示意圖

2.1.2 計算資源管理

計算資源類管理通過功能組件的部署、遷移調(diào)度實現(xiàn)，其核心技術(shù)在于功能組件技術(shù)及調(diào)度管理。組件管理技術(shù)作為任務(wù)調(diào)度的技術(shù)實現(xiàn)基礎(chǔ)，承擔(dān)了功能組件注冊、數(shù)據(jù)持久化、即插即用等功能，用以支持遷移和部署，組件管理平臺的工作原理是基于ICE核心服務(wù)中的IceGrid服務(wù)，具體如圖4所示。

組件管理設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)包括組件部署與組件遷移功能。組件部署與遷移服務(wù)的功能是在分布式計算系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中將應(yīng)用的各組件分發(fā)到指定的計算節(jié)點并執(zhí)行，監(jiān)視各節(jié)點的資源使用情況，通過遷移組件到資源空閑的節(jié)點，來實現(xiàn)整個分布式計算系統(tǒng)的負(fù)載均衡。該服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施包括一個注冊表和多個節(jié)點，注冊表和節(jié)點之間相互協(xié)作，以實現(xiàn)對組件的管理。系統(tǒng)完成某個功能由多個組件組成，這些組件一起被部署。注冊表用來收集和存儲應(yīng)用部署描述，節(jié)點完成組件按照描述進行執(zhí)行、停止、監(jiān)視等操作。應(yīng)用部署描述為應(yīng)用中的每個組件指定一個運行節(jié)點，將其通知給注冊表。為了提高容錯性，注冊表可以設(shè)置多個備份。部署描述可進行更新，注冊表收到更新后，將其與原有部署進行比較，對差異進行更改，包括可能的組件在節(jié)點之間的遷移。

組件管理命令接口通過IceGrid服務(wù)中的定位器創(chuàng)建一個IceGrid管理事務(wù)，通過解析器解析管理命令類型。

·啟動/停止/卸載命令直接通過遠(yuǎn)程方法調(diào)用方式調(diào)度組件

·加載/部署/遷移命令則先啟動同步器，執(zhí)行拷貝組件程序及數(shù)據(jù)文件至相應(yīng)設(shè)備節(jié)點方法，根據(jù)實際情況追加或不追加啟動命令，通過遠(yuǎn)程方法調(diào)用方式調(diào)度組件。

圖4 組件管理服務(wù)核心機制

隨著容器技術(shù)的發(fā)展，后續(xù)將推進基于容器的功能組件管理技術(shù)。

2.2 傳輸服務(wù)研究

面向解耦合的功能需求，傳輸服務(wù)需要提供運行位置無關(guān)的信息交互模式，改變傳統(tǒng)面向連接的功能交互方式，設(shè)計了以數(shù)據(jù)為中心的組件交互方式，具備鄰間發(fā)現(xiàn)機制以及傳輸Qos服務(wù)機制，滿足多種場景下的應(yīng)用需求，可根據(jù)任務(wù)的數(shù)據(jù)需求實現(xiàn)主動推送和拉取，實現(xiàn)空間解耦、時間解耦合控制流解耦，提供大容量通信、高可靠通信、低時延通信、歷史可恢復(fù)通信以及無線環(huán)境下通信的能力。

數(shù)據(jù)為中心的通信模式在數(shù)據(jù)傳輸過程中包含兩種角色：發(fā)布者和訂閱者；其中發(fā)布者發(fā)布指定主題的數(shù)據(jù)，訂閱者訂閱指定主題的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的來源和目標(biāo)通過主題的匹配在運行時動態(tài)確定。通過服務(wù)質(zhì)量來指定具體的傳輸行為，序列化和解序列化被封裝在數(shù)據(jù)傳輸層內(nèi)部。

表1 服務(wù)保障機制及應(yīng)用場景

針對傳輸服務(wù)功能開展了信息交互的測試驗證(測試環(huán)境：3臺國產(chǎn)計算機、千兆以太網(wǎng))，經(jīng)與傳統(tǒng)消息中間件比較，其性能有較大提升，具體見表2。

表2 傳輸性能測試數(shù)據(jù)(千兆以太網(wǎng)、可靠傳輸)

面向無線傳輸，提供遵循DDS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸功能，將所傳輸數(shù)據(jù)及協(xié)議進行壓縮，在IP化端機的支持下實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的發(fā)布訂閱傳輸，支持空基各節(jié)點的自由網(wǎng)絡(luò)接入與退出。DDS協(xié)議報文在無線鏈路的應(yīng)用處理如圖5所示。

圖5 DDS無線應(yīng)用

2.3 共用服務(wù)管理

針對功能業(yè)務(wù)軟件開展細(xì)化設(shè)計，將控制流、信息處理流分離，并按照功能內(nèi)聚、無重疊的原則將多功能軟件間的共用功能進行抽取，并將共用服務(wù)進行層化設(shè)計，部署于共用服務(wù)層，由層控制器為上層提供統(tǒng)一服務(wù)。

空基信息系統(tǒng)共用服務(wù)是將異構(gòu)的多平臺節(jié)點能夠共用的信息內(nèi)容抽象提煉封裝成可供所有節(jié)點使用的服務(wù)，共用服務(wù)能夠提供所有平臺節(jié)點可用的基礎(chǔ)應(yīng)用，具體共用服務(wù)見表3所示。并具有松耦合性與位置透明性。松耦合性是共用服務(wù)提供的每一類服務(wù)之間都具有彼此獨立的無依賴性；位置透明性是共用服務(wù)對所有客戶端的調(diào)用者都是位置透明的，調(diào)用者只需要調(diào)用服務(wù)即可，而不需要知道服務(wù)的具體物理位置。

空基信息系統(tǒng)共用服務(wù)管理機制是基于面向服務(wù)架構(gòu)[4,5](Service Oriented Architecture，SOA)而構(gòu)建的，包括共用服務(wù)服務(wù)端，共用服務(wù)客戶端以及共用服務(wù)管理器，如圖6所示。機群信息環(huán)境共用服務(wù)的服務(wù)端將自身服務(wù)信息通過機群信息環(huán)境發(fā)布給服務(wù)管理器，由其分發(fā)給客戶端，用于連接服務(wù)；具體的服務(wù)執(zhí)行實體通過信息環(huán)境注冊，客戶端通過信息環(huán)境的遠(yuǎn)程過程調(diào)用技術(shù)手段調(diào)用服務(wù)，獲得服務(wù)結(jié)果。

表3 共用服務(wù)類型

圖6 服務(wù)管理機制

面向空基高動態(tài)性、低時延的特性，采用發(fā)布訂閱、遠(yuǎn)程過程調(diào)用機制設(shè)計服務(wù)管理框架，針對自由文電的服務(wù)構(gòu)建了運行示例并開展了測試工作，具體實施示例如下所示：

package FreeTMPackage;

service FreeTMService {

rpc FreeTMFunction (FreeTMRequestData) returns (FreeTMResponseData) {}

}

message FreeTMRequestData {

… // 數(shù)據(jù)字段

}

message FreeTMResponseData {

… // 數(shù)據(jù)字段

}

在國產(chǎn)計算機、千兆以太網(wǎng)環(huán)境下開展測試，具體測試數(shù)據(jù)見表4，由測試數(shù)據(jù)可知，服務(wù)響應(yīng)時延在毫秒級，適用于空基強實時的任務(wù)調(diào)度管理要求。

表4 服務(wù)訪問測試數(shù)據(jù)

3 任務(wù)調(diào)度研究

面向作戰(zhàn)任務(wù)，由任務(wù)管理實現(xiàn)功能組件、共用服務(wù)、傳感器資源、計算資源的統(tǒng)籌編排，構(gòu)建出面向預(yù)警探測、情報偵察等業(yè)務(wù)的多類功能線程，針對功能組件、共用服務(wù)的資源需求、平臺節(jié)點的資源約束以及資源映射規(guī)則，在滿足處理時延要求的前提下開展任務(wù)調(diào)度部署，具體部署要求如圖7所示。

針對預(yù)警探測業(yè)務(wù)過程的目標(biāo)綜合功能線程開展了功能組件的遷移部署驗證，主要包括核心處理機箱(6個計算處理模塊、2個電源模塊與1個千兆交換模塊，計算處理模塊為FT1500A-16核)，功能組件存儲庫，具體功能組件見表5所示。

圖7 部署要求

序號名稱縮寫備注1銀河麒麟Linux操作系統(tǒng)KylinFT1500A CPU版本2目標(biāo)識別原型軟件ATR3傳感器管理原型軟件MSM4導(dǎo)航原型軟件NAV5數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)原型軟件SDI6多平臺融合原型軟件SIP7威脅估計TEF8重構(gòu)性能驗證軟件-

遷移部署基于組件管理服務(wù)實現(xiàn)，其主要機理為執(zhí)行從組件庫(功能組件存儲庫)中拷貝組件程序及數(shù)據(jù)文件至相應(yīng)計算模塊，追加啟動組件命令，通過遠(yuǎn)程方法調(diào)用方式調(diào)度組件。組件部署運行示意圖如圖8所示，具體驗證時間見表6所示。

均值容量大小為24 MB的組件，從資源管理配置項開始部署/遷移該組件起，通過組件管理從組件庫拷貝至另一計算模塊并啟動運行為止，該段平均時耗為3.104 s。

圖8 組件重構(gòu)運行示意圖

序號功能組件存儲容量大小/MB重構(gòu)時間/s1ATR33.24.1562MSM364.5063NAV4.70.8314SDI20.32.7535SIP19.92.6156TEF29.73.7647均值243.1048大容量組件280.4116.027

4 結(jié) 語

本文針對空基信息系統(tǒng)公共操作環(huán)境構(gòu)建提出了系統(tǒng)分層架構(gòu)，在架構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了資源管理技術(shù)、傳輸服務(wù)、共用服務(wù)和任務(wù)調(diào)度方法等具體實

施途徑并進行了實施和驗證，通過對這些途徑的應(yīng)用實現(xiàn)了公共操作環(huán)境基礎(chǔ)上的橫向和縱向解耦合設(shè)計，可通過任務(wù)調(diào)度實現(xiàn)面向任務(wù)的資源再分配、功能再部署，提高了系統(tǒng)的效能。