美軍分散式計算研究概況及啟示

● 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 李 臻 岑 格

● 山東厚德測控技術(shù)股份有限公司 宗紹國

● 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 王成海

一、基本情況

2017年2月，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）正式啟動分散式計算項目（DCOMP），該項目是一項為期4年的計劃，每2年為一個階段，主要由美國雷聲（Raytheon）公司等4家公司，同時聯(lián)合美國東北大學(xué)等多所高校進行技術(shù)攻關(guān)。該項目旨在研發(fā)新算法和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，合理應(yīng)用作戰(zhàn)前線分散部署的大量計算基礎(chǔ)設(shè)施與裝備，更好地完成預(yù)警探測、戰(zhàn)術(shù)推演、指揮控制等多種計算任務(wù)。

（一）基本概念

分散式計算是指戰(zhàn)場用戶利用可編程的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過任務(wù)感知、任務(wù)調(diào)度的方式使用本地環(huán)境內(nèi)每臺終端設(shè)備中可用的計算能力、信息與存儲資源，無需集中連接即可實現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)存儲和計算能力無縫交換的計算方法。

分散式計算將數(shù)據(jù)分解成許多小的部分，分配給就近計算設(shè)備進行處理，可節(jié)約整體計算時間，大大提高計算效率。DARPA認為，分散式計算概念廣泛適用于美國軍方及其利益共同體的各種想定。為此，DCOMP項目明確了以下研究目標：一是開發(fā)利用物理上分散的計算算法和協(xié)議，大幅度提升應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)傳輸性能；二是基于邊緣網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造云平臺；三是針對性地自動將計算移動到網(wǎng)絡(luò)邊緣；四是開發(fā)面向邊緣網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議體系，以彌補現(xiàn)有因特網(wǎng)協(xié)議對邊緣網(wǎng)絡(luò)支撐的不足。

（二）背景分析

一是DARPA要求戰(zhàn)場用戶能夠?qū)崟r獲得數(shù)據(jù)支持。當(dāng)前技術(shù)條件下，具有重要計算需求的用戶通常依賴于對大型、高度共享的數(shù)據(jù)中心的訪問，他們將數(shù)據(jù)（如圖像、視頻或者網(wǎng)絡(luò)日志文件）回傳到該中心進行處理。然而，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量嚴重受限或用戶應(yīng)用需要近于實時響應(yīng)的狀況下，這種“回程”的延遲可能會引發(fā)嚴重的問題。在這種情況下，用戶若能利用本地可用的計算能力，則能夠大大提高應(yīng)用的性能，同時降低任務(wù)風(fēng)險。而分散式計算項目尋求開發(fā)可擴縮的、魯棒的決策系統(tǒng)，使具有競爭性需求的用戶能夠基于任務(wù)感知，對計算資源進行安全的、集中式的任務(wù)分配，并可跨越大量異構(gòu)計算平臺實現(xiàn)，從而設(shè)計出能夠在網(wǎng)絡(luò)連接性高度變化和惡化的環(huán)境中運行的系統(tǒng)，使用戶能夠以最適合任務(wù)需求的方式接入，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理。

二是DARPA要求網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程。分散式計算項目還尋求網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面的創(chuàng)新。自因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及其協(xié)議首次被提出以來，網(wǎng)絡(luò)傳輸容量增長了多個數(shù)量級，用戶的應(yīng)用需求發(fā)生了巨變，然而指導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的“端到端”設(shè)計原則，導(dǎo)致應(yīng)用層和傳輸層協(xié)議邏輯主要局限于作為數(shù)據(jù)源和接收器的端點，造成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)缺乏可編程計算能力。分散式計算技術(shù)已賦予網(wǎng)絡(luò)可編程、安全高速的信息處理能力，這需要重新考慮如何利用位于路徑上的端點之間的可編程執(zhí)行環(huán)境來提高性能，例如，通過協(xié)議邏輯的動態(tài)修改，或者本地化的路徑內(nèi)分析，實現(xiàn)有效的診斷和糾正功能。包含分散式計算軟件的可編程平臺被稱為組網(wǎng)式計算點（NCP），用來支持用戶應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆?；蛘呒骖檭烧叩亩喾N功能。

三是DARPA要求能夠綜合提高網(wǎng)絡(luò)能力。DARPA認為，目前其戰(zhàn)場數(shù)據(jù)處理過于依賴后方數(shù)據(jù)中心，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，大部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅作為數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，并不參與數(shù)據(jù)計算和存儲交換等工作，相關(guān)工作僅由數(shù)據(jù)中心完成，在這種情況下，大量網(wǎng)絡(luò)資源得不到充分利用。但在戰(zhàn)場環(huán)境下，大量用戶同時提交數(shù)據(jù)需求，數(shù)據(jù)中心處理要求和網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力較平時大幅提升，加之新一代作戰(zhàn)指揮強調(diào)高機動、輕量化、小規(guī)模，連排級分隊快速機動行動將成為主要的作戰(zhàn)形式，在惡劣戰(zhàn)場對抗前沿環(huán)境存在網(wǎng)絡(luò)信號和帶寬不穩(wěn)定的情況，可能造成信息傳輸延遲，極大地影響作戰(zhàn)效能。對此，DARPA信息創(chuàng)新辦公室（I2O）于2016年6月提出DCOMP，旨在克服當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的不足，使大量分散的計算平臺能夠賦網(wǎng)成云，實現(xiàn)數(shù)據(jù)到代碼的策略性自動移動，使應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)傳輸性能實現(xiàn)數(shù)量級增長，以改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系，研發(fā)能夠在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)高度變化環(huán)境下有效運行的新型系統(tǒng)，將相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點變?yōu)榭呻S時調(diào)用的計算和通信資源，提供高效智能的計算分析和協(xié)同共享能力，從而提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體能力，滿足用戶需要。

（三）主要技術(shù)特點

DCOMP主要采用面向大數(shù)據(jù)處理的編碼分布式計算技術(shù)、可編程網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧技術(shù)，以及基于任務(wù)完成時間的邊緣調(diào)度技術(shù)等核心技術(shù)，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，具有以下特點：

一是可靈活調(diào)用網(wǎng)絡(luò)中分散的設(shè)備資源。大部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將具有數(shù)據(jù)處理和交換功能，形成可調(diào)用的計算和通信資源，系統(tǒng)可自動識別可用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，根據(jù)需要動態(tài)分配數(shù)據(jù)傳輸、計算等任務(wù)至相關(guān)設(shè)備，以提高數(shù)據(jù)傳輸和處理效率。

二是具備自我感知和快速響應(yīng)能力。戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，人員和裝備攜帶的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在移動過程中能快速感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬、信號變化情況，通過相關(guān)協(xié)議進行自動適配，確保數(shù)據(jù)服務(wù)請求得到快速響應(yīng)，而無需將數(shù)據(jù)回傳到后方數(shù)據(jù)中心，就地處理數(shù)據(jù)，可降低數(shù)據(jù)處理的時延，提高作戰(zhàn)系統(tǒng)的實時性能力。

三是能夠智能調(diào)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量。針對戰(zhàn)場上大量數(shù)據(jù)請求給網(wǎng)絡(luò)帶來的巨大負載，分散式計算將開發(fā)可編程網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和協(xié)議棧，通過協(xié)議邏輯的動態(tài)修改、本地化路徑內(nèi)分析，自動對數(shù)據(jù)進行整合與精簡，實現(xiàn)智能診斷與錯誤糾正，并按優(yōu)先等級傳輸和處理數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡(luò)傳輸更智能，從而確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖佟踩浴?/p>

四是實現(xiàn)計算能力的倍增。分散式計算具備跨異構(gòu)計算平臺能力，可進行集中式任務(wù)分配，可合理應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)組件、電臺、智能電話、傳感器、便攜式云計算設(shè)備，配置可編程執(zhí)行環(huán)境，實現(xiàn)作戰(zhàn)前線計算能力的最大化。

二、現(xiàn)狀分析

（一）主要研究內(nèi)容

DCOMP項目從技術(shù)內(nèi)容角度包括3個技術(shù)域（TA），在技術(shù)域內(nèi)及跨技術(shù)域之間將進行迭代開發(fā)、樣機研究和試驗。

TA1的階段性目標是實現(xiàn)分散式任務(wù)感知計算算法。重點關(guān)注以下方面：一是在綜合考慮組網(wǎng)式計算點的負載、計算能力、網(wǎng)絡(luò)路徑特性的情況下，提供最佳計算方案。二是及時處理數(shù)據(jù)，減少回傳數(shù)據(jù)量。三是及時發(fā)現(xiàn)、監(jiān)視后續(xù)數(shù)據(jù)動向。四是充分利用各種計算設(shè)備的計算能力、設(shè)備故障感知和恢復(fù)能力、任務(wù)優(yōu)先級區(qū)分能力，實現(xiàn)分布式控制，滿足健壯性和安全訪問的要求。

TA2的階段性目標是實現(xiàn)可編程節(jié)點和協(xié)議堆棧。重點關(guān)注以下方面：一是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具備探測、測量和分析功能，實現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)診斷。二是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信協(xié)議邏輯清晰，便于觀察數(shù)據(jù)傳輸路徑。三是根據(jù)傳輸帶寬智能分配計算資源。四是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安全與系統(tǒng)安全，確保數(shù)據(jù)傳輸與運算的穩(wěn)定性。

TA3的階段性目標是技術(shù)集成。將重點關(guān)注分散式任務(wù)感知算法與可編程節(jié)點和協(xié)議堆棧實現(xiàn)時的協(xié)同性，減少系統(tǒng)運行時的內(nèi)部沖突。

（二）面臨的主要挑戰(zhàn)

當(dāng)前DCOMP項目面臨的問題與挑戰(zhàn)主要集中于TA1和TA2。

TA1面臨的主要問題與挑戰(zhàn)包括：一是如何確定延遲、網(wǎng)絡(luò)負載、功耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點健壯性等計算任務(wù)分配參數(shù)的標準；二是如何優(yōu)化分散式計算方案；三是系統(tǒng)可涵蓋的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和用戶數(shù)量；四是如何確定計算任務(wù)的優(yōu)先等級；五是如何處理網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定情況下的數(shù)據(jù)分發(fā)。

TA2面臨的主要問題與挑戰(zhàn)包括：一是如何根據(jù)系統(tǒng)和任務(wù)需要制定通信協(xié)議邏輯；二是如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境多變的情況下進行有效通信；三是如何最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信；四是如何避免數(shù)據(jù)重復(fù)傳輸帶來的網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)；五是如何確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與整體通信的安全。

三、主要啟示

（一）我軍網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨與DARPA同樣的問題及挑戰(zhàn)

對比DARPA分散式計算的需求發(fā)現(xiàn)，我軍網(wǎng)絡(luò)技術(shù)存在的問題主要包括以下三個方面：

一是靈活調(diào)用網(wǎng)絡(luò)資源難，動態(tài)組網(wǎng)能力弱。未來聯(lián)合作戰(zhàn)要求指揮信息能夠在態(tài)勢感知、指揮決策、力量控制和支援保障等職能域之間按需流動，在需要的時間傳送到需要的點位，這就要求網(wǎng)絡(luò)資源與業(yè)務(wù)系統(tǒng)要高度動態(tài)耦合，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)靈活組網(wǎng)、按需進行資源調(diào)度。當(dāng)前IP網(wǎng)，要么垂直建設(shè)、專網(wǎng)林立，要么不區(qū)分業(yè)務(wù)、過度使用資源，要么獨自使用、共享不暢，這些情況都難以適應(yīng)聯(lián)合作戰(zhàn)的要求，必須厘清用網(wǎng)需求、明確業(yè)務(wù)類別、統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計、集中統(tǒng)籌資源、靈活分域保障，才能強化業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)的耦合，實現(xiàn)網(wǎng)系動態(tài)自動組網(wǎng)。

二是自動化管理弱，服務(wù)質(zhì)量無保證?，F(xiàn)有網(wǎng)管系統(tǒng)功能不強、配置復(fù)雜、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足，缺乏全網(wǎng)全局性綜合管理手段，難以全面掌握網(wǎng)絡(luò)運行態(tài)勢，不能有效抑止用戶過度占用或違規(guī)使用資源；服務(wù)質(zhì)量保證策略只能通過人工靜態(tài)設(shè)置、預(yù)先配置，不能動態(tài)調(diào)整，這主要是由于IP網(wǎng)絡(luò)存在服務(wù)質(zhì)量感知、資源調(diào)控能力弱的缺陷，急需提高自動化管理能力，簡化網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜度，增強按需動態(tài)配置能力，縮短預(yù)先規(guī)劃時間。

三是戰(zhàn)術(shù)前沿缺乏智能化手段。戰(zhàn)術(shù)偵察的智能化能力不足，跨媒體（影像情報、實時情報、視頻情報）的戰(zhàn)術(shù)目標識別跟蹤、目標毀傷分析、軌跡分析等技術(shù)能力智能化水平不高，仍需要進行一定的人工分析工作，無法適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)前沿進行快速、可靠偵察的需求，急需提升跨媒體的戰(zhàn)術(shù)目標識別跟蹤、目標毀傷分析、軌跡分析等技術(shù)能力。從大量實時的視頻和圖像情報中識別目標并分析其軌跡，對網(wǎng)絡(luò)的計算能力和智能化水平都是巨大的挑戰(zhàn)。

（二）我軍戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)緊跟未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

未來戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點之一，呈現(xiàn)出異構(gòu)融合、網(wǎng)絡(luò)編程、動態(tài)感知、按需分配、靈活組網(wǎng)等諸多新特征。計算和存儲將成為網(wǎng)絡(luò)的重要功能，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)存在嚴重的冗余傳輸，造成網(wǎng)絡(luò)資源的極大浪費，同時影響了用戶體驗。在網(wǎng)絡(luò)中合理地集成存儲、計算功能，利用存儲換帶寬正成為一種可行的設(shè)計思路。同時，未來網(wǎng)絡(luò)將融合更多的智能要素，將通過多種測量分析手段，提供多種感知能力，包括網(wǎng)絡(luò)感知能力、內(nèi)容感知能力和情境感知能力等，網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用的雙向感知、協(xié)調(diào)控制能力及自管理機制成為未來網(wǎng)絡(luò)的重要功能。我軍戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)應(yīng)順應(yīng)趨勢，在組網(wǎng)方式上向軟件定義方向發(fā)展，支持面向作戰(zhàn)任務(wù)的按需組網(wǎng)，能夠根據(jù)資源狀態(tài)和任務(wù)需求的變化動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓撲，支持網(wǎng)絡(luò)資源的按需分配；在資源組織運用方式上向虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化共享發(fā)展，通過資源感知和統(tǒng)一描述，構(gòu)建包含網(wǎng)絡(luò)、傳輸、計算、存儲等在內(nèi)的通信計算資源，以及兵力火力等戰(zhàn)斗資源的虛擬資源池，支持資源的按需調(diào)度與動態(tài)分配，靈活支持各類作戰(zhàn)應(yīng)用需求。

（三）基本結(jié)論

近年來，戰(zhàn)爭形態(tài)快速轉(zhuǎn)型、武器裝備更新?lián)Q代和使命任務(wù)不斷拓展，以及戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不斷變化，對計算、網(wǎng)絡(luò)和指揮等環(huán)境要素提出了全新要求。鑒于分散式計算技術(shù)的主要技術(shù)理念和重要特征符合未來戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求和發(fā)展趨勢，經(jīng)分析研判可以認為：分散式計算技術(shù)是一種結(jié)合感知、計算、存儲、智能等技術(shù)的新型未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可有效提升我軍網(wǎng)絡(luò)的快速反應(yīng)能力、網(wǎng)絡(luò)感知能力和計算能力。

我軍未來網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可從以下幾個方面借鑒DCOMP的研究。一是對于可動態(tài)變化和配置的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研發(fā)，在能夠適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)前沿弱連接、高動態(tài)、高毀傷環(huán)境的同時，應(yīng)減少人工配置網(wǎng)絡(luò)的時間，以加快戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)的開設(shè)速度。二是對于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可編程計算節(jié)點的研發(fā)與推廣，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計算節(jié)點的交互關(guān)系可以根據(jù)應(yīng)用需求、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等實時變化，以彌補傳統(tǒng)應(yīng)用模式固定不可變的缺點。三是使用計算融入通信的方式為戰(zhàn)術(shù)前沿需要高智能化、大計算量、高通信帶寬的跨媒體的戰(zhàn)術(shù)目標識別跟蹤、目標毀傷分析、軌跡分析等應(yīng)用提供技術(shù)支持。

四、措施建議

（一）持續(xù)跟蹤研究

針對我軍網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，密切關(guān)注DARPA的DCOMP等研究項目的最新進展，深入開展分散式計算理論方法的研究，吸收借鑒其技術(shù)架構(gòu)、協(xié)議體系、調(diào)度算法、關(guān)鍵技術(shù)等最新研究成果，加快推進我軍戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對低時延作戰(zhàn)應(yīng)用的支持研究。

（二）組織專項論證

結(jié)合我軍網(wǎng)絡(luò)信息體系建設(shè)的需求，組織專家圍繞網(wǎng)絡(luò)設(shè)施問題、基礎(chǔ)平臺能力問題和戰(zhàn)術(shù)前沿智能化問題開展專項研究，論證分散式計算技術(shù)對作戰(zhàn)模式和信息傳輸處理方式的影響，進行高動態(tài)平臺作戰(zhàn)應(yīng)用場景分析，為下一代戰(zhàn)術(shù)信息通信裝備發(fā)展提供支撐。

（三）關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

結(jié)合我軍網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實際，通過安排預(yù)先研究項目，加大分散式任務(wù)感知計算算法、網(wǎng)絡(luò)可編程節(jié)點和協(xié)議堆棧等關(guān)鍵技術(shù)研究的支持。一是在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與協(xié)議方面，重點研究網(wǎng)絡(luò)資源可全局調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能力可編程開放等內(nèi)容。二是在可編程網(wǎng)絡(luò)和資源按需共享方面，重點研究作戰(zhàn)任務(wù)的按需組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)資源的去中心化存儲等內(nèi)容。三是安全方面，重點研究分散式計算中的安全保密、安全存儲、鑒權(quán)認證等內(nèi)容。