基于云的裝備試驗數(shù)據(jù)中心架構(gòu)設(shè)計

李 一，馮 楠，譚順成

（1.92493部隊；2.92941部隊，遼寧葫蘆島，125000；3.海軍航空大學(xué)，山東煙臺264000）

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，推動社會各領(lǐng)域信息化建設(shè)加速發(fā)展?！按髷?shù)據(jù)”時代的到來，使數(shù)據(jù)資源的建設(shè)利用，呈現(xiàn)出前所未有的“倍增器”作用[1]。近年來，軍隊信息化建設(shè)加速發(fā)展，各類信息系統(tǒng)陸續(xù)投入使用，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行基礎(chǔ)條件顯著提升，有力推動了基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力建設(shè)，但也呈現(xiàn)出對數(shù)據(jù)資源建設(shè)的緊迫要求[2]。在全軍信息化建設(shè)的大背景下，武器裝備試驗機(jī)構(gòu)（以下簡稱試驗機(jī)構(gòu)）由于所承擔(dān)的裝備試驗鑒定職能對數(shù)據(jù)要求的特殊性，更加凸顯了數(shù)據(jù)資源建設(shè)、共享、管理與大數(shù)據(jù)產(chǎn)品開發(fā)的重要性。

長期以來，受到型號、任務(wù)劃分等因素的制約，試驗機(jī)構(gòu)的試驗資源一般由各分試驗機(jī)構(gòu)獨(dú)立建設(shè)、自成體系，存在著信息交互能力不強(qiáng)，資源的重用、重組能力不強(qiáng)，系統(tǒng)集成度不夠等問題。數(shù)據(jù)中心建設(shè)是武器裝備信息化建設(shè)的基礎(chǔ)工程[3]，是武器裝備信息化建設(shè)水平的基本標(biāo)志，建設(shè)云裝備試驗數(shù)據(jù)中心，充分發(fā)揮試驗數(shù)據(jù)資源作為武器裝備建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略資源和核心資源的作用，已經(jīng)成為深入推進(jìn)試驗機(jī)構(gòu)信息化建設(shè)的必然趨勢。

1 云裝備試驗數(shù)據(jù)中心構(gòu)建需求

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，測試、測控系統(tǒng)的完善，裝備試驗數(shù)據(jù)正以前所未有的速度不斷增長和累積，試驗機(jī)構(gòu)也已具備了大數(shù)據(jù)時代的一些特征。但大數(shù)據(jù)的本質(zhì)并不僅僅是指海量數(shù)據(jù)，更重要的是指對數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用能力[4]。因此，新形勢下，對試驗機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用提出了更高更迫切的需求，主要表現(xiàn)在以下3個方面。

1.1 新形勢下試驗機(jī)構(gòu)需要更加高效的數(shù)據(jù)存儲和管理技術(shù)

近年來，試驗機(jī)構(gòu)試驗任務(wù)量每年成倍增多，試驗密度不斷增強(qiáng)，試驗任務(wù)量的增多、測控設(shè)備種類和數(shù)量的大幅增加使得試驗數(shù)據(jù)種類和數(shù)量急速劇增。試驗數(shù)據(jù)的多樣性和海量化對數(shù)據(jù)存儲和管理技術(shù)提出了新需求。試驗數(shù)據(jù)數(shù)量的增加需要構(gòu)建更高效更科學(xué)的數(shù)據(jù)存儲方式以方便數(shù)據(jù)的存儲和共享使用；數(shù)據(jù)種類的多樣性須要設(shè)計統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方式和標(biāo)準(zhǔn)以對個性化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理[5]。

1.2 裝備試驗技術(shù)能力發(fā)展需要更加開放的試驗數(shù)據(jù)支持

試驗數(shù)據(jù)是武器裝備試驗與鑒定技術(shù)研究的基礎(chǔ)，試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用能力是武器裝備試驗與鑒定能力的重要體現(xiàn)，也是履行武器裝備試驗鑒定使命任務(wù)的重要支撐。當(dāng)前，國防事業(yè)處于前所未有的大發(fā)展階段，對創(chuàng)新技術(shù)的需求超過以往任何時期[6]，試驗與鑒定技術(shù)已經(jīng)從單領(lǐng)域、單學(xué)科向跨領(lǐng)域、跨學(xué)科融合處理方向發(fā)展，試驗與鑒定技術(shù)研究模式從封閉式研究向多單位協(xié)同合作、集智攻關(guān)方式發(fā)展，更離不開裝備試驗數(shù)據(jù)的支持。數(shù)據(jù)共享不暢是阻礙裝備試驗與鑒定技術(shù)研究與發(fā)展的重要因素。因此，在聯(lián)合攻關(guān)的模式下，需要對多單位的裝備試驗數(shù)據(jù)共同研究共同驗證，數(shù)據(jù)共享的深度和廣度需求更加迫切。

1.3 裝備試驗數(shù)據(jù)的價值缺少深入挖掘和應(yīng)用

隨著試驗機(jī)構(gòu)使命任務(wù)的拓展和信息化建設(shè)的不斷深化，用戶對于數(shù)據(jù)的需求已經(jīng)不再是簡單的對本業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的檢索、瀏覽、獲取等，而是綜合利用分散在多個數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)資源，面向特定的主題，從多個維度發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)之間的特殊關(guān)聯(lián)關(guān)系，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)挖掘模型[7]，為工程建設(shè)、組織管理等提供輔助決策，在這些方面，試驗機(jī)構(gòu)的挖掘和利用還存在很大的欠缺。

面對新形勢新任務(wù)的需求，對海量裝備試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行高效存儲和管理，開展地域、時域、頻域等多維度應(yīng)用分析，大力挖掘隱藏在數(shù)據(jù)中的“真金白銀”[8]，是信息技術(shù)發(fā)展的一個必然趨勢，也是武器裝備試驗技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路。而數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚存儲與安全共享[9]。因此，新形勢下首要需求是建立云裝備試驗數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)裝備試驗數(shù)據(jù)的規(guī)范、安全、高效、互聯(lián)的統(tǒng)一存儲與管理，為試驗機(jī)構(gòu)深入開展數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用，更好地履行好航天發(fā)射測控與武器裝備試驗鑒定職能奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

2 云裝備試驗數(shù)據(jù)中心架構(gòu)設(shè)計

2.1 云裝備試驗數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)總體架構(gòu)

基于云服務(wù)模式架構(gòu)建設(shè)裝備試驗數(shù)據(jù)中心，將數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)分析與挖掘、數(shù)據(jù)計算以及各類管理功能模塊整合、分解形成云服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)裝備試驗數(shù)據(jù)基于云的規(guī)范、安全、高效、互聯(lián)的統(tǒng)一存儲與管理，云裝備試驗數(shù)據(jù)中心將在以下3個方面為試驗機(jī)構(gòu)提供云端服務(wù)。

1）基于云的業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，將數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)挖掘與分析、數(shù)據(jù)計算以及各類管理功能模塊化，以云服務(wù)的模式提供給試驗機(jī)構(gòu)，構(gòu)建高速計算、海量存儲、集約管理、開放共享的裝備試驗數(shù)據(jù)管理中心。

2）基于云的跨單位協(xié)同服務(wù)，提供基于云的跨單位數(shù)據(jù)交換服務(wù)、基于云的跨單位數(shù)據(jù)發(fā)布、訂閱、借閱服務(wù)、基于云的試驗結(jié)果交付服務(wù)和基于云的跨單位試驗數(shù)據(jù)調(diào)度與監(jiān)控服務(wù)。

3）基于云的裝備試驗數(shù)據(jù)資源共享服務(wù)，包括建立基于云的結(jié)構(gòu)化試驗數(shù)據(jù)資源、基于云的非結(jié)構(gòu)化試驗數(shù)據(jù)資源、基于云的半結(jié)構(gòu)化試驗數(shù)據(jù)資源和基于云的跨單位統(tǒng)一知識庫。

云裝備試驗數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)總體架構(gòu)如圖1所示。其中：按業(yè)界云平臺架構(gòu)，對應(yīng)云基礎(chǔ)支撐、云平臺、云業(yè)務(wù)3個層次[10]，在各類試驗數(shù)據(jù)的支撐下，打造基于云的裝備試驗數(shù)據(jù)中心，形成“基于云的結(jié)構(gòu)化試驗數(shù)據(jù)資源庫”、“基于云的非結(jié)構(gòu)化試驗數(shù)據(jù)資源庫”、“基于云的半結(jié)構(gòu)化試驗數(shù)據(jù)資源庫”和“基于云的統(tǒng)一知識庫”等基礎(chǔ)共享資源，支撐云裝備試驗數(shù)據(jù)中心開展跨單位試驗數(shù)據(jù)交換、基于云的跨單位試驗數(shù)據(jù)發(fā)布、訂閱、借閱、基于云的試驗結(jié)果交付和基于云的跨單位試驗數(shù)據(jù)調(diào)度與監(jiān)控等服務(wù)[11]，再通過基于裝備試驗數(shù)據(jù)中心的不同業(yè)務(wù)類別提供獨(dú)立的云業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，形成試驗機(jī)構(gòu)的云服務(wù)管理中心。

圖1 云裝備試驗數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)總體架構(gòu)Fig.1 Overall framework of center business for cloud equipment test data

2.2 云裝備試驗數(shù)據(jù)中心技術(shù)架構(gòu)

云裝備試驗數(shù)據(jù)中心采用統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一體系的思路，采用面向服務(wù)的方式，進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)資源整合，著重提高數(shù)據(jù)處理效率和質(zhì)量[12]。其具體技術(shù)架構(gòu)見圖2所示。

云裝備試驗數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一規(guī)劃高性能服務(wù)器、存儲陣列、災(zāi)備服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等高性能設(shè)備集群，進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施和綜合數(shù)據(jù)庫建設(shè)；集中接收并自動匯集裝備試驗數(shù)據(jù)，對各類試驗數(shù)據(jù)、信息采集數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲、協(xié)議適配等預(yù)處理，利用系統(tǒng)訂閱分發(fā)與服務(wù)管理總線進(jìn)行分發(fā)推送；綜合運(yùn)用預(yù)設(shè)處理工具、數(shù)據(jù)挖掘、主題模板、標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)處理工具等手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)生產(chǎn)。

按照技術(shù)架構(gòu)和業(yè)務(wù)特性，云裝備試驗數(shù)據(jù)中心可分為云資源IaaS層、云平臺PaaS層、云服務(wù)SaaS層[13]，并通過云信息安全和云環(huán)境運(yùn)行管控層為云數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行提供整體必要的技術(shù)手段。

圖2 云裝備試驗數(shù)據(jù)中心技術(shù)總體架構(gòu)Fig.2 Cloud equipment tese data center technology overall architecture

2.2.1 云資源IaaS層

云資源層提供底層的軟硬件資源，基于云計算和云存儲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對海量試驗數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)高性能計算的底層支撐，基于軟硬件資源的分布式調(diào)度，實(shí)現(xiàn)資源的動態(tài)平衡和無限擴(kuò)展，同時基于虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對云操作系統(tǒng)和云桌面系統(tǒng)的硬件支撐[14]。

云資源層著重于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，突破計算能力、存儲能力、災(zāi)備能力、通信能力等硬件性能瓶頸，為構(gòu)建綜合數(shù)據(jù)庫、大幅度提高數(shù)據(jù)處理效率建立先決條件。

1）整合應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器組、高性能計算服務(wù)器組、高速海量存儲設(shè)備、災(zāi)容備份服務(wù)器、云計算管理軟件等軟硬件，形成統(tǒng)一的資源池。

2）部署專用綜合數(shù)據(jù)庫和分析計算單元，結(jié)合試驗機(jī)構(gòu)規(guī)模和業(yè)務(wù)分布的特點(diǎn)定制實(shí)現(xiàn)。

3）所有設(shè)備均采用成熟、穩(wěn)定的商購設(shè)備和軟件系統(tǒng)，整合集中后為云平臺層和云服務(wù)層提供基礎(chǔ)支撐[15]。

2.2.2 云平臺Paas層

云平臺層提供了大量成熟、穩(wěn)定、可靠的開發(fā)功能組件，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)管理平臺、數(shù)據(jù)匯集、系統(tǒng)總線等上層應(yīng)用的組裝式開發(fā)，為上層應(yīng)用的定制開發(fā)提供了高效、可靠的保證。而且云平臺層作為云裝備試驗數(shù)據(jù)中心的信息交換樞紐，采用面向服務(wù)架構(gòu)，構(gòu)建系統(tǒng)訂閱分發(fā)與服務(wù)管理總線[16]，為多體制的數(shù)據(jù)處理需求建立平臺級服務(wù)。

1）通過網(wǎng)絡(luò)融合，自動實(shí)現(xiàn)底層通信的運(yùn)轉(zhuǎn)與維護(hù)，提供多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一的通信傳輸和接入控制服務(wù)能力。

2）對于多源多類型的原始數(shù)據(jù)，遵循數(shù)據(jù)元標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，提供必要的協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)。

3）采用訂閱分發(fā)機(jī)制，為上層應(yīng)用提供業(yè)務(wù)無關(guān)的信息流轉(zhuǎn)服務(wù)接口及數(shù)據(jù)應(yīng)用需求管理控制，統(tǒng)一解決互聯(lián)互通和服務(wù)信息發(fā)布的底層問題，并可按需調(diào)整服務(wù)的性能與規(guī)模。

4）遵循數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)元標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建數(shù)據(jù)集市與數(shù)據(jù)倉庫，完成元數(shù)據(jù)管理，整合智能查詢、多維展示、質(zhì)量控制、統(tǒng)計分析、抽取整合、數(shù)據(jù)同步等方向的底層支撐組件，以后臺計算、可交互查詢、報表圖表等形式提供應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理與專業(yè)數(shù)據(jù)處理能力。

5）針對各任務(wù)設(shè)備的試驗數(shù)據(jù)源，提供試驗數(shù)據(jù)的預(yù)處理能力，提高試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)質(zhì)量，涵蓋統(tǒng)一接入處理、集中存儲歸檔，并按需自動匯集分發(fā)整理后的試驗數(shù)據(jù)主題服務(wù)，擴(kuò)展數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍，支撐上層系統(tǒng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)。

6）通過應(yīng)用引擎、流程引擎、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)運(yùn)行、權(quán)限安全管理為云服務(wù)層提供應(yīng)用開發(fā)、管理、運(yùn)行服務(wù)[17]。

2.2.3 云服務(wù)Saas層

云服務(wù)層為云裝備試驗數(shù)據(jù)中心構(gòu)建統(tǒng)一的裝備試驗數(shù)據(jù)管理服務(wù)、數(shù)據(jù)挖掘分析服務(wù)、數(shù)據(jù)計算服務(wù)。

1）利用數(shù)據(jù)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對海量多源多類型裝備試驗數(shù)據(jù)的綜合預(yù)處理，建立數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，配合數(shù)據(jù)挖掘、主題模板、通用及標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)數(shù)據(jù)處理手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用，并為用戶提供裝備試驗數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)審批、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和數(shù)據(jù)導(dǎo)入等通用數(shù)據(jù)管理手段。

2）對云裝備試驗數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與分析，提供裝備試驗數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)對比與統(tǒng)計服務(wù)。通過對裝備試驗數(shù)據(jù)的預(yù)處理，提供對數(shù)據(jù)的自動匯集、分析；基于數(shù)據(jù)庫管理功能和底層云存儲軟硬件資源，實(shí)現(xiàn)對匯集數(shù)據(jù)的海量數(shù)據(jù)倉庫建設(shè)，提供數(shù)據(jù)挖掘功能，綜合利用智能查詢、多維展現(xiàn)等手段實(shí)現(xiàn)對海量裝備試驗數(shù)據(jù)的挖掘；并提供專業(yè)的數(shù)據(jù)處理和通用的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)對裝備試驗數(shù)據(jù)的綜合分析以及專用分析服務(wù)。

3）為云裝備試驗數(shù)據(jù)中心提供高性能計算服務(wù)，為武器飛行試驗中的電磁環(huán)境態(tài)勢分析、軌道計算分析和彈道計算分析等試驗任務(wù)提供計算資源，保障飛行試驗任務(wù)的高效進(jìn)行。并且用戶能夠遠(yuǎn)程向數(shù)據(jù)中心提供計算方法、計算軟件，利用數(shù)據(jù)中心的高性能計算等計算資源和數(shù)據(jù)資源，對用戶提供虛擬的存儲、計算和應(yīng)用環(huán)境，滿足用戶的計算需求。

2.3 跨試驗機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)交換架構(gòu)

在云裝備試驗數(shù)據(jù)中心中，跨地域、跨層級、跨系統(tǒng)發(fā)放的文件通常比較大（超過100M，甚至達(dá)到10G左右），在協(xié)作處理中，須要將這些文件和與文件相關(guān)的信息在試驗機(jī)構(gòu)與各分試驗機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行傳遞。為了保證這類大文件與信息在各個試驗區(qū)之間安全、可靠、完整的傳輸，須要通過跨試驗機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換架構(gòu)來滿足上述需求。

跨試驗機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)交換過程及具體實(shí)現(xiàn)主要包括以下4個方面。

2.3.1 跨域數(shù)據(jù)交換環(huán)境預(yù)設(shè)和共識機(jī)制搭建

首先，檢查數(shù)據(jù)接受方基礎(chǔ)環(huán)境，包括是否搭建滿足要求的數(shù)據(jù)管控環(huán)境，滿足數(shù)據(jù)傳輸和使用管控的基本要素。然后，進(jìn)行共識機(jī)制、智能合約和選取與封裝。根據(jù)共享場景需求設(shè)計專屬共識機(jī)制協(xié)議和智能合約程序，與被共享數(shù)據(jù)同時封裝入安全的跨網(wǎng)傳輸總線。

2.3.2 信息解析轉(zhuǎn)換

通過企業(yè)服務(wù)總線提供的請求接收服務(wù)獲取請求信息后，由服務(wù)總線的數(shù)據(jù)解析組件進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。同時，根據(jù)需要，通過轉(zhuǎn)換組件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。解析轉(zhuǎn)換后的內(nèi)容包括2部分：一是本次傳輸任務(wù)的消息描述，即消息類型、存放位置等；二是消息路由規(guī)則，即消息的發(fā)送方、接收方、經(jīng)由方等路徑信息。

2.3.3 建立傳輸通道

服務(wù)總線根據(jù)解析出來的消息描述信息，找到關(guān)聯(lián)的消息（文件），將消息描述信息與消息實(shí)體作為一個整體消息（其中，消息描述可以放在消息頭中）。同時，根據(jù)消息接收方信息，以及預(yù)先配置的路由規(guī)則將消息發(fā)送給對應(yīng)的消息中間件。

2.3.4 跨網(wǎng)數(shù)據(jù)同步

基于預(yù)設(shè)的共識機(jī)制，完成網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)一致性同步，形成跨網(wǎng)數(shù)據(jù)溯源和完整性驗證。消息到達(dá)目的端后，存儲在目的端的消息隊列中。此時，對方業(yè)務(wù)應(yīng)用獲知并接收消息的方式有2種：

1）消息中間件主動通知并觸發(fā)應(yīng)用，由應(yīng)用提供一個接收消息的應(yīng)用程序，當(dāng)有消息到達(dá)時，消息中間件能夠直接啟動應(yīng)用程序接收消息；

2）應(yīng)用主動從隊列中取消息，可以根據(jù)應(yīng)用需要定時輪詢隊列，當(dāng)有消息到達(dá)時，直接從隊列中取得消息。

3 結(jié)束語

本文基于云計算、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘等新的信息技術(shù)，提出以云服務(wù)模式架構(gòu)建設(shè)裝備試驗數(shù)據(jù)中心，將裝備試驗數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)分析與挖掘、數(shù)據(jù)計算以及各類管理功能模塊整合、分解形成云服務(wù)能力[18]，實(shí)現(xiàn)裝備試驗數(shù)據(jù)基于云的規(guī)范、安全、高效、互聯(lián)的統(tǒng)一存儲、管理與應(yīng)用，最大限度發(fā)揮裝備試驗數(shù)據(jù)作為核心資源的價值，對試驗機(jī)構(gòu)建設(shè)發(fā)展提供決策支撐，將數(shù)據(jù)優(yōu)勢有效轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢和行動優(yōu)勢，全面提升裝備試驗數(shù)據(jù)資源服務(wù)價值，為形成基于信息體系的核心軍事能力提供支撐。