一種基于Iaas的電子對抗系統(tǒng)體系研究

朱道雨

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州225101）

0 引 言

隨著電子對抗技術(shù)的發(fā)展，電子對抗系統(tǒng)的規(guī)模、分布范圍、復(fù)雜程度均呈現(xiàn)較大幅度增加，電子對抗系統(tǒng)面臨著技術(shù)先進性和“豎井式”建設(shè)成本高昂，其綜合程度越來越高，體系結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，借助軍民融合相關(guān)技術(shù)，更新設(shè)計理念，建立一個符合成本效益的電子對抗系統(tǒng)，并獲得更高的靈活性和工作效率。

本文依據(jù)北約架構(gòu)框架發(fā)展趨勢，在“企業(yè)”、“服務(wù)”、“邏輯”、“資源”［1］視角和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Iaas）云計算思想來設(shè)計“云網(wǎng)絡(luò)空間防御”作戰(zhàn)概念下的電子對抗系統(tǒng)，該設(shè)計降低研發(fā)硬件資源成本，同時方便原有各廠商的技術(shù)遷移。

該設(shè)計主要通過網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)內(nèi)各傳感器開放服務(wù)，這些服務(wù)主要表現(xiàn)為計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲組件。這些服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施在地理上集中，通過虛擬化的技術(shù)實現(xiàn)整合，成本攤銷明顯，并且充分利用數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)的核心功能，最核心的是服務(wù)器虛擬化，在服務(wù)器虛擬化的核心是CPU／GPU／FPGA處理器的虛擬化?？紤]到技術(shù)發(fā)展等因素，該技術(shù)使各開發(fā)商可以沿用原有的開發(fā)環(huán)境，支持原有的應(yīng)用程序，最小化的情況下，僅需開發(fā)人員調(diào)整資源，系統(tǒng)開發(fā)可行性風(fēng)險可控。

1 電子對抗體系組成及特點

在電子戰(zhàn)相關(guān)的電子進攻、電子防護、電子戰(zhàn)支援3個組成部分，各部分由分承包商進行承建，電子對抗系統(tǒng)通常面臨著復(fù)雜多變的異構(gòu)環(huán)境，對其中的硬件資源進行分層抽象，按照Iaas進行電子戰(zhàn)體系架構(gòu)建模。

如圖1所示，在技術(shù)架構(gòu)中，通過采用虛擬資源池構(gòu)建、資源調(diào)度、服務(wù)封裝等手段，實現(xiàn)隨需自服務(wù)、資源池化、快速擴展和服務(wù)可度量。

圖1 虛擬化狀態(tài)

2 虛擬化

實現(xiàn)Iaas架構(gòu)，首先在硬件資源、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序3個層面加以抽象并轉(zhuǎn)換為虛擬資源，這樣既可不受現(xiàn)有資源的架設(shè)方式、地域或物理形態(tài)所限制，又簡化資源管理訪問方式和系統(tǒng)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施，同時將系統(tǒng)的設(shè)計層次扁平化，使電子對抗系統(tǒng)內(nèi)部各分設(shè)備或系統(tǒng)更好地應(yīng)用這些資源。這些各類虛擬資源池中的邏輯顆粒，抽取關(guān)聯(lián)要素，使其具備不同類型資源適配與面向服務(wù)的條件，滿足虛擬化系統(tǒng)在主流基礎(chǔ)資源管理架構(gòu)下與基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)之間功能對接要求。

2.1 計算虛擬化

依賴于一虛多的虛擬化技術(shù)，在單臺服務(wù)器虛擬出可同時運行且互不干擾的多套操作系統(tǒng)?？稍L問物理服務(wù)器的所有資源（如 CPU、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和外圍設(shè)備），任何應(yīng)用程序都可以在虛擬機中運行，主流技術(shù)產(chǎn)品如：Vmware ESXi、Linux KVM、Microsoft Hyper?V、XEN FPGA 虛擬化技術(shù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

使用虛擬網(wǎng)絡(luò)資源池，達到低時延、高并發(fā)的效果，這樣的高吞吐率能夠高效地節(jié)省存儲系統(tǒng)的拷貝時間，同時虛擬網(wǎng)絡(luò)資源使用“命名網(wǎng)絡(luò)”和“安全組”來保證虛擬網(wǎng)絡(luò)通信的隔離，以達到期望的安全性要求。使用軟件定義的柔性智能網(wǎng)絡(luò) SDN，通過OpenFlow技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)控制面與數(shù)據(jù)面分離開，定義其上的邏輯網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，避免廣播風(fēng)暴風(fēng)險，計算資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池的管理適度切合，可實現(xiàn)動態(tài)、自動化實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心硬件資源的動態(tài)調(diào)度，通過捕獲新上線虛擬機的信息，繼而感知虛擬器啟動與接入位置。SDN控制器通過此信息自動完成網(wǎng)絡(luò)策略的下發(fā)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源池的管理，可在一定程度上保證應(yīng)用可多次調(diào)用，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.3 存儲虛擬化

存儲虛擬化需要面向電子對抗所有業(yè)務(wù)模塊，并適應(yīng)服務(wù)器虛擬技術(shù)。值得注意的是虛擬環(huán)境中存儲I／O決定著虛擬化應(yīng)用性能和業(yè)務(wù)處理能力。首選虛擬機文件作為磁盤，存儲大容量數(shù)據(jù)時則需配置共享存儲網(wǎng)絡(luò)RAID，存儲的擴容在縱向上增加存儲硬件的配置或提升硬件速度來緩解訪問壓力，在橫向上，則需將所有存儲數(shù)據(jù)拆分，將集中存儲的數(shù)據(jù)依據(jù)一定的準(zhǔn)則分布到不同的服務(wù)器上，同時虛擬機消耗的存儲總量應(yīng)小于物理存儲空間。

3 主要基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)

3.1 應(yīng)用部署和應(yīng)用配置

支持界面化的應(yīng)用配置方式，配置后的參數(shù)自動在基礎(chǔ)設(shè)施集群內(nèi)同步，滿足系統(tǒng)安全、組網(wǎng)環(huán)境、節(jié)點復(fù)用等方面的需求，由于各服務(wù)器存在本地資源守護進程，該進程能夠自動探測配置更改后需要重啟的服務(wù)，根據(jù)用戶的配置自動分配資源、自動負(fù)載均衡、自動檢測異常應(yīng)用，保證任務(wù)高效地運行。

系統(tǒng)內(nèi)各傳感器或電磁能設(shè)備需要將配置需求、鏡像文件、應(yīng)用、機架、服務(wù)和相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)存儲并以軟件倉庫的形式對外提供服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)加載實現(xiàn)虛擬機的部署、備份以及還原，加快設(shè)備應(yīng)用發(fā)布、更新，實現(xiàn)軟件產(chǎn)品的版本管理與持續(xù)發(fā)布。

作為一名思想政治教育者,首先要克服首因效應(yīng)和近因效應(yīng)所造成的認(rèn)知偏見對教育者的影響，不能只憑第一印象或最新印象評價和判斷人，也不能輕信任何一種關(guān)于某人的信息，而應(yīng)當(dāng)用全面的、辯證的觀點看問題以及了解他人。教育者還可以充分利用首因效應(yīng)和近因效應(yīng)的積極作用,在教育內(nèi)容的選擇上利用二者提高教學(xué)效果。在與人相處時注意自己的儀容儀表、談吐等，給人留下良好的第一印象，作為教育者來說，開學(xué)第一課至關(guān)重要，準(zhǔn)備好開學(xué)第一課，給學(xué)生留下良好的印象。但更重要的是要有意識地引導(dǎo)教育對象用全面的觀點看問題。

3.2 數(shù)據(jù)管理

基于數(shù)據(jù)的完整性、可靠性和可管理性，根據(jù)數(shù)據(jù)類型建立多類型的數(shù)據(jù)庫。高價值的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲在MPP數(shù)據(jù)庫，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、低價值的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲在HDP數(shù)據(jù)庫中。依據(jù)傳感器可利用數(shù)據(jù)的模型定義提取數(shù)據(jù)源，經(jīng)過采集、清洗、轉(zhuǎn)換，最終存儲到目標(biāo)數(shù)據(jù)庫中，以便數(shù)據(jù)挖掘和共享，并能提供數(shù)據(jù)快照功能。

3.2.1 元數(shù)據(jù)管理

其為數(shù)據(jù)集成存儲合規(guī)的數(shù)據(jù)定義、來源、目標(biāo)、可信度、依賴關(guān)系、威脅等級等信息，能夠使用戶清晰直觀地理解數(shù)據(jù)、掌握戰(zhàn)場態(tài)勢，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，目前主要為單一傳感器的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，更加有效地發(fā)掘和利用電子對抗資產(chǎn)的價值，助力高效的分析和決策。

3.2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)接口

交互式SQL和可編程API，這樣既提供數(shù)據(jù)處理結(jié)果，又屏蔽底層細節(jié)，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)，提供實時搜索接口、電抗相關(guān)業(yè)務(wù)定向接口、各傳感器關(guān)聯(lián)查詢接口。

3.3 即時監(jiān)視與告警

Web服務(wù)是一種基于網(wǎng)絡(luò)的、分布式的模塊化組件，經(jīng)過簡單的配置，即可快速將服務(wù)整合到系統(tǒng)中來，能夠?qū)崿F(xiàn)部分模塊的即插即用。同時可在Web端多用戶自主即時監(jiān)視電子對抗各設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施（含虛擬機等），對各節(jié)點和服務(wù)的運行狀態(tài)、任務(wù)作業(yè)運行狀態(tài)以定制化圖表的形式直觀顯示，重點監(jiān)控虛擬機的基本運行狀態(tài)，通過負(fù)載均衡技術(shù)確保單個工作節(jié)點不因負(fù)載過大而崩潰，更好地應(yīng)對系統(tǒng)內(nèi)的突發(fā)情況。針對各主機的時間差、存儲數(shù)據(jù)塊損壞、關(guān)鍵作業(yè)能否執(zhí)行等內(nèi)容，進行自定義或短消息形式得告警。

3.4 質(zhì)量管理

服務(wù)質(zhì)量保證（QoS）是網(wǎng)絡(luò)與用戶之間以及網(wǎng)絡(luò)上互相通信的用戶之間關(guān)于信息傳輸與共享的質(zhì)量約定［2］，主要包括可靠性、數(shù)據(jù)的持久度、數(shù)據(jù)的歷史記錄。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過載或擁塞時，QoS能確保重要業(yè)務(wù)量不延遲或丟棄，同時保證網(wǎng)絡(luò)的高效運行。采用描述文件的方式動態(tài)配置修改分發(fā)QoS策略、擴展策略、數(shù)據(jù)壓縮和傳輸協(xié)議／傳輸通道等，支持以作戰(zhàn)任務(wù)快速設(shè)置策略。

QoS約定基礎(chǔ)設(shè)施提供商的最小服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)響應(yīng)時間。例如針對關(guān)鍵性服務(wù)，保證其嚴(yán)格的性能需求［3］；針對固件，確保提供模塊管理工具和更新軟件；針對系統(tǒng)可靠性，保證基礎(chǔ)設(shè)施正常運行時間；針對傳輸通道，保證數(shù)據(jù)包丟失率極低，幾無網(wǎng)絡(luò)時延；確保異常通知的時效性。

基于熱備需求，必須保證資源池備有足夠的資源供虛擬機在服務(wù)器宕機時能夠重新啟動，保證系統(tǒng)不因個別硬件資源失效而中斷服務(wù)，同時通過比較硬件設(shè)施工作負(fù)載、用戶請求負(fù)載及QoS目標(biāo)，調(diào)整虛擬機的數(shù)量。

3.5 安全管理

基于“沙盒”模型隔離用戶執(zhí)行環(huán)境。針對使用者的行為進行審計，強制使用Https訪問Web，遵從基于任務(wù)和角色面向服務(wù)的訪問控制策略，綜合任務(wù)節(jié)點服務(wù)需求和訪問角色安全等級，求解服務(wù)實體的最小授權(quán)單元［4］，實現(xiàn)Iaas層的訪問控制策略，保證基礎(chǔ)設(shè)施和其提供的資源能被合法地訪問和使用。

3.6 日志管理

既保存基礎(chǔ)實施的運行日志，又保存射頻前端的使用維護日志，將所有的配置參數(shù)、更改歷史、數(shù)據(jù)日常流量、日常維修過程中的所有內(nèi)容以半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)形式持久化存儲，在對設(shè)備的配置進行跟蹤處理同時規(guī)避用戶的違規(guī)操作，也便于搜集設(shè)備正常故障信息，通過細致的日志管理，提前預(yù)警設(shè)備部件更換，合理估計各應(yīng)用的資源。建立統(tǒng)一日志管理模塊，將基礎(chǔ)設(shè)施與設(shè)備管理面、業(yè)務(wù)面的信息和告警審計信息集中，提供直觀地可視化的檢索方式。

3.7 中間件

為解決數(shù)據(jù)傳輸面臨的傳輸效率、服務(wù)質(zhì)量、動態(tài)可重構(gòu)、平臺異構(gòu)等方面的問題［5］，需要建立可熱插拔的訪問控制并支持SOA的多種基礎(chǔ)中間件，該中間件可提供同步、排隊、訂閱發(fā)布通訊服務(wù)，也可進行事務(wù)處理監(jiān)控器、分布數(shù)據(jù)訪問、對象事務(wù)管理器，支持異構(gòu)環(huán)境中的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及基于事件的服務(wù)消息的交互。中間件提供的各類服務(wù)松散耦合且具有平臺獨立性，支持開放協(xié)議，支持來自系統(tǒng)內(nèi)外的互操作，提供各種服務(wù)質(zhì)量保證，如安全、性能、可靠性、可伸縮性，提供面向消息的多平臺、多協(xié)議和多API支持層，能夠整合異構(gòu)系統(tǒng)。在近距離部署時，支持FC、SRIO即時大塊數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

基于某些特殊應(yīng)用，該中間件需要遠程調(diào)用執(zhí)行不同地址空間里的進程，對于用戶而言，與本地調(diào)用無差異；利用高效的消息傳遞機制進行數(shù)據(jù)交流，采用消息排隊模型，在應(yīng)用尚未執(zhí)行期間，可在中間件中存儲一定量的消息，以備應(yīng)用啟動時使用；透明地在分布式異構(gòu)環(huán)境中傳遞對象請求，并定義該環(huán)境下的請求和接收響應(yīng)的基本機制；可對事務(wù)處理監(jiān)控，進行中間件事務(wù)管理與協(xié)調(diào)、進程管理、事務(wù)管理、通訊管理，提供高吞吐量、低延遲以及可重構(gòu)連接等特性以提高系統(tǒng)的整體性能。

4 用戶服務(wù)

4.1 用戶服務(wù)分布

為了便于用戶理解用戶服務(wù)與作戰(zhàn)活動之間的進展關(guān)系與跟蹤服務(wù)事件，以O(shè)ODA環(huán)路說明用戶服務(wù)功能。根據(jù)高聚合、低耦合的原則，盡量實現(xiàn)功能服務(wù)聚合，避免與功能服務(wù)的數(shù)據(jù)耦合，保證服務(wù)一定的獨立性，而現(xiàn)實中同一個服務(wù)可存在環(huán)路的不同階段。不失一般性，如圖2所示，觀察階段以信號處理、數(shù)據(jù)處理、雜波抑制、圖像處理等服務(wù)為主，判斷階段以態(tài)勢估計、深度學(xué)習(xí)、可視化分析、自然語言分析等服務(wù)為主，決策階段以效能評估、任務(wù)管理、頻率管理、資源管理等服務(wù)為主，行動階段以協(xié)同控制和重編程等服務(wù)為主，其中模型庫、交戰(zhàn)規(guī)則、算法庫作為數(shù)據(jù)庫公用信息以中間件形式推送到各功能服務(wù)。

圖2 OODA環(huán)下的用戶服務(wù)分布

4.2 硬件部署

根據(jù)美軍電子戰(zhàn)涵蓋的內(nèi)容（如圖3所示），將電子戰(zhàn)所有進攻性、防護性、支援性設(shè)備描述為內(nèi)部設(shè)備，以便頂層設(shè)計體系架構(gòu)，利用FPGA服務(wù)器、GPU服務(wù)器、CPU服務(wù)器，將各設(shè)備的處理計算功能移植到服務(wù)器內(nèi)，同時輔以數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、實時通訊服務(wù)器、Web服務(wù)器，可直接促發(fā)前端的波束控制、波位控制等，使用PDW數(shù)據(jù)和中頻數(shù)據(jù)進行相關(guān)的信號處理和數(shù)據(jù)處理。

圖3 電子對抗系統(tǒng)體系部署示意圖

依托私有云的概念進行分布式部署，將異地部署的傳感器進行聯(lián)網(wǎng)，分布式部署，中間件系統(tǒng)主要以網(wǎng)絡(luò)為主，為防御性網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)平臺和工具的快捷部署提供支持［6］。數(shù)據(jù)庫服務(wù)、中間件系統(tǒng)這類關(guān)鍵服務(wù)需使用裸金屬服務(wù)器，其它多個分系統(tǒng)共享物理資源，使用彈性服務(wù)器。通過Web服務(wù)將原本電子對抗的桌面應(yīng)用遷移到局部互聯(lián)網(wǎng)，隨時隨地通過SOAP協(xié)議訪問目標(biāo)數(shù)據(jù)，而無需關(guān)心這些數(shù)據(jù)或應(yīng)用運行在何種硬件平臺上。為了保證數(shù)據(jù)中心在系統(tǒng)發(fā)生異常時能夠自動重新配置，提高系統(tǒng)缺陷容忍和可用性需要建立主數(shù)據(jù)庫和從數(shù)據(jù)庫。

4.3 主要功能

利用FPGA服務(wù)器的虛擬資源進行DBF處理、高速信號處理、數(shù)字濾波、數(shù)字邏輯和外圍器件的控制，其輸出TTL差分電平來實現(xiàn)中頻帶濾波器的切換，與串并轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)直接交換，采用快速傅里葉變換等方法將中頻信號數(shù)據(jù)進行測向、測頻，同時高速地抓取輻射源信號脈內(nèi)調(diào)制包絡(luò)進行詳細分析。將控制各傳感器的控制線集中在單個FPGA服務(wù)器上，便于以統(tǒng)一的時鐘基準(zhǔn)頻率統(tǒng)一輸出控制信號，控制帶阻濾波器和接收機的靈敏度和接收預(yù)警門限，直接提高設(shè)備的截獲概率和預(yù)警能力，同時避免信號處理和數(shù)據(jù)處理的時間基準(zhǔn)不一致。執(zhí)行同一任務(wù)的諸功能單元實現(xiàn)時間同步，包括時間基準(zhǔn)的統(tǒng)一、時標(biāo)傳輸時延估計與補償通道均衡處理技術(shù)等技術(shù)。

利用GPU服務(wù)器的虛擬資源可解決綜合傳感器最優(yōu)化問題，以最大截獲概率、靈敏度等適應(yīng)電子對抗任務(wù)要求，求解當(dāng)前對抗任務(wù)的傳感器協(xié)同搜索戰(zhàn)略最優(yōu)化，以期在截獲概率、靈敏度和預(yù)警能力方面的提升性能，統(tǒng)一管理電子偵察任務(wù)分派／匿隱扇區(qū)，發(fā)揮最大的協(xié)同信息潛能優(yōu)勢。在日趨復(fù)雜的電磁環(huán)境下，對多傳感器獲取的信息自動相關(guān)、估計、融合，以便快速準(zhǔn)確地感知電磁態(tài)勢，提高威脅目標(biāo)的識別準(zhǔn)確度，有效拓寬監(jiān)視探測的時空頻覆蓋范圍，增強目標(biāo)探測的實時性。綜合考慮目標(biāo)類別、速度、航向角、距離等因素進行威脅評估。對各探測到的通信和雷達輻射源信息進行威脅評估并進行數(shù)據(jù)融合和平臺識別處理，并給出所有探測到目標(biāo)推薦的實時有源和無源干擾樣式。

利用CPU服務(wù)器中的虛擬資源對被探測目標(biāo)進行識別和歸類，先將雷達輻射源或通信輻射源測量參數(shù)與存儲在數(shù)據(jù)庫中的參考輻射源參數(shù)進行比較，估算兩者之間的相似程度；評估單個目標(biāo)和多目標(biāo)的電磁特征以及變化規(guī)律，為決策環(huán)節(jié)提供有效支持；可并行地進行多目標(biāo)無源定位，根據(jù)一段時間內(nèi)探測到輻射源的方位俯仰、載體的姿態(tài)信息和電磁參數(shù)數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)處理，繼而進行規(guī)劃劃分為單個目標(biāo)不同的可能測量集合，利用概率統(tǒng)計和運籌學(xué)，求解一種最優(yōu)的劃分方式，進而確定目標(biāo)位置和數(shù)量。

5 結(jié)束語

預(yù)期該系統(tǒng)可支持完整的設(shè)備，可定量或批量傳送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)與中間件始終就緒，具有熱備模式滿足GB／T 20988?2007中的第4級標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹的電子對抗系統(tǒng)構(gòu)想技術(shù)上并非最領(lǐng)先，考慮經(jīng)濟性和快速移植等特性，能夠避免系統(tǒng)內(nèi)利益相關(guān)方嚴(yán)重背離目標(biāo)。著眼于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)，云計算相關(guān)服務(wù)——Paas、SaaS和DPaas等將隨著電子對抗海量數(shù)據(jù)爆發(fā)增長而大有作為，其在資產(chǎn)監(jiān)控一體化、質(zhì)量監(jiān)測常態(tài)化方面有著長足進步，同時遵循同一開放式規(guī)范的系統(tǒng)，系統(tǒng)間可以以最小的更改進行遷移［7］，大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)將推動分布式電子戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展。