軍事信息系統(tǒng)分散式架構(gòu)應(yīng)用研究?

（海軍研究院 北京 100063）

1 引言

在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的背景下，戰(zhàn)術(shù)邊緣的作戰(zhàn)人員通常會裝備具有基本通信和計(jì)算力的移動設(shè)備，例如智能手持終端、穿戴式設(shè)備以及智能步槍等。這些移動設(shè)備具有攝像頭、GPS等簡單傳感器，但其通信、計(jì)算、存儲以及電源能力都是非常有限的，僅靠這些移動設(shè)備無法為指揮和作戰(zhàn)人員提供所需的戰(zhàn)場態(tài)勢感知和信息處理能力。而戰(zhàn)術(shù)云可以定義為在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下可以獲得的云計(jì)算能力，它可以降低移動設(shè)備的計(jì)算復(fù)雜度，提高移動設(shè)備的工作時(shí)間，還可以提供單個(gè)移動設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)的能力。因此結(jié)合戰(zhàn)術(shù)云技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境，本文提出一種基于戰(zhàn)術(shù)微云的分散式軍事信息系統(tǒng)架構(gòu)，并重點(diǎn)分析了系統(tǒng)功能關(guān)鍵技術(shù)，以提高戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境下信息系統(tǒng)服務(wù)保障能力。

2 總體架構(gòu)

2.1 戰(zhàn)術(shù)云體系架構(gòu)研究

戰(zhàn)術(shù)云的配置通?？煞譃閮煞N方式：常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云以及動態(tài)戰(zhàn)術(shù)云。根據(jù)戰(zhàn)術(shù)云的部署方式和系統(tǒng)架構(gòu)，戰(zhàn)術(shù)云可以分為以下幾種［1～2］：中心云、分散云、微云及皮云，具體如圖1所示。

1）中心云：中心云主要采用常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式部署在指揮中心，利用數(shù)據(jù)中心的計(jì)算資源池，可以提供近似無限動態(tài)調(diào)整的計(jì)算資源和能力。

2）分散云：分散云通常采用常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式部署在前沿指揮所或艦船上。在作戰(zhàn)前沿會產(chǎn)生和收集大量的情報(bào)和態(tài)勢信息，將其傳到指揮中心有助于高層指揮人員更好地了解戰(zhàn)場態(tài)勢并作出及時(shí)和正確的指揮決策。

圖1 戰(zhàn)術(shù)云體系結(jié)構(gòu)圖

3）微云：微云適用于在更小范圍內(nèi)的戰(zhàn)術(shù)邊緣環(huán)境中，作戰(zhàn)人員僅僅裝備有限通信和計(jì)算能力的移動設(shè)備。微云可以采用常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式部署在一個(gè)離作戰(zhàn)人員一跳距離的機(jī)動車輛/飛機(jī)/船上，或者以動態(tài)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式通過VANET部署在多個(gè)機(jī)動車輛/飛機(jī)/船上，從而通過共享計(jì)算和存儲資源以提供更強(qiáng)大的云計(jì)算能力。

4）皮云：皮云應(yīng)用于在戰(zhàn)術(shù)邊緣環(huán)境中作戰(zhàn)人員無法將戰(zhàn)術(shù)末端設(shè)備連接至微云的情況，此時(shí)通過MANET的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)、計(jì)算等資源的共享，以滿足作戰(zhàn)任務(wù)需求。

其中，微云是戰(zhàn)術(shù)邊緣最具應(yīng)用價(jià)值和前景的戰(zhàn)術(shù)云架構(gòu)。在微云架構(gòu)下，在戰(zhàn)術(shù)末端（包括單兵、武器和偵察平臺等）部署戰(zhàn)術(shù)級服務(wù)終端。各終端具備一定計(jì)算存儲能力，也可根據(jù)需求部署一些功能應(yīng)用。在戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)順暢時(shí)，可就近從機(jī)動戰(zhàn)術(shù)微云中心上獲取服務(wù)；在通信網(wǎng)絡(luò)受到干擾無法連接服務(wù)器時(shí)，利用自身部署應(yīng)用具備一定的自主能力。

2.2 基于戰(zhàn)術(shù)微云的分散式系統(tǒng)架構(gòu)

本文借鑒戰(zhàn)術(shù)微云［3～4］的概念，針對戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境下資源受限、環(huán)境多變和數(shù)據(jù)缺失等問題，構(gòu)建分散式系統(tǒng)架構(gòu)，利用分散的計(jì)算系統(tǒng)資源，將分散于戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境中的作戰(zhàn)單位、末端設(shè)備、武器等戰(zhàn)術(shù)資源以及計(jì)算、存儲、通信等基礎(chǔ)資源相互鏈接而形成的一個(gè)高效作戰(zhàn)的微云網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)所有可用的戰(zhàn)場資源為戰(zhàn)術(shù)邊緣的作戰(zhàn)人員執(zhí)行特定作戰(zhàn)任務(wù)提供一系列的數(shù)據(jù)傳遞、計(jì)算存儲、資源共享、指揮與控制服務(wù)以及各類戰(zhàn)術(shù)服務(wù)能力，其總體架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 分散系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中，物理資源層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施層，包括計(jì)算設(shè)備、存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、人機(jī)交互設(shè)備等基礎(chǔ)資源以及作戰(zhàn)車、無人機(jī)、手持戰(zhàn)術(shù)末端設(shè)備、雷達(dá)、武器等戰(zhàn)術(shù)資源。

資源池層是利用云計(jì)算技術(shù)對分散部署的同型異構(gòu)物理資源進(jìn)行虛擬化處理和抽象聚合，形成包括計(jì)算、存儲、通信、傳感器、武器等在內(nèi)的簡明易用且彈性可擴(kuò)的資源池。

支撐管理層是系統(tǒng)對外提供作戰(zhàn)服務(wù)的基礎(chǔ)和保障，對資源池層提供的各類資源進(jìn)行管理，包括用戶管理、資源管理、任務(wù)管理、安全管理、通信管理等。支撐管理層也是客戶端與云端的服務(wù)交互接口，負(fù)責(zé)保障戰(zhàn)場態(tài)勢、數(shù)據(jù)信息、作戰(zhàn)資源和作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)、無縫結(jié)合。

應(yīng)用服務(wù)層是系統(tǒng)對平臺層提供的作戰(zhàn)能力進(jìn)行動態(tài)組合形成作戰(zhàn)所需的各類應(yīng)用服務(wù)，包括目標(biāo)探測、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)攻擊、任務(wù)規(guī)劃和調(diào)度、作戰(zhàn)等服務(wù)。

在本文中基于微云的分散式新型架構(gòu)并不是僅僅把網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備當(dāng)作信息傳遞的節(jié)點(diǎn)，而是將它們視為分布式計(jì)算資源。微云節(jié)點(diǎn)內(nèi)架構(gòu)圖如圖3所示。

微云內(nèi)節(jié)點(diǎn)上可以分為應(yīng)用層、微云管理層、平臺中間件層以及操作系統(tǒng)層。其中應(yīng)用層可以劃分為多個(gè)任務(wù)的移動應(yīng)用程序，位于框架的頂端。微云管理層是框架的核心層，為節(jié)點(diǎn)框架提供管理、運(yùn)行、安全、維護(hù)等多方面的功能及技術(shù)支撐，主要體現(xiàn)在機(jī)制管理、狀態(tài)管理以及用戶管理三個(gè)層次上，具體包括以下模塊。

1）任務(wù)隊(duì)列：該模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行任務(wù)隊(duì)列管理，存放等待分配的一系列任務(wù)信息，分配到同一個(gè)微云節(jié)點(diǎn)的任務(wù)將在該任務(wù)隊(duì)列中等待執(zhí)行。當(dāng)設(shè)備作為服務(wù)的使用者時(shí)，任務(wù)隊(duì)列中為本地待分配執(zhí)行的任務(wù)；當(dāng)設(shè)備作為服務(wù)的提供者時(shí)，任務(wù)隊(duì)列中為由其他客戶端傳遞過來的遠(yuǎn)程任務(wù)。

圖3 微云節(jié)點(diǎn)內(nèi)架構(gòu)圖

2）任務(wù)分配模塊：該模塊為任務(wù)分配的核心，通過任務(wù)分配技術(shù)將任務(wù)進(jìn)行合理地分配，充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能、提高任務(wù)完成的效率、減少設(shè)備損耗。當(dāng)設(shè)備作為服務(wù)的使用者時(shí)，該模塊根據(jù)狀態(tài)模塊提供的本地設(shè)備的狀態(tài)和任務(wù)的信息將任務(wù)在眾多遠(yuǎn)程計(jì)算節(jié)點(diǎn)和本地進(jìn)行合理的分配；當(dāng)設(shè)備作為服務(wù)的提供者時(shí)，該模塊根據(jù)本地的狀態(tài)對遠(yuǎn)程任務(wù)隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度。

3）數(shù)據(jù)存儲模塊：該模塊存儲任務(wù)調(diào)度數(shù)據(jù)處理信息，負(fù)責(zé)存儲網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和反饋信息，并將相關(guān)信息提供給任務(wù)分配模塊進(jìn)行任務(wù)分配決策，同時(shí)記錄其他客戶端傳遞過來的遠(yuǎn)程任務(wù)在本地執(zhí)行的情況。

4）狀態(tài)和硬件信息模塊：該模塊為微云管理層與中間件層的接口模塊，主要負(fù)責(zé)采集移動設(shè)備的電量、網(wǎng)絡(luò)延遲、處理器性能等狀態(tài)信息和GPS、攝像頭、傳感器等硬件所提供的信息，一方面提供給任務(wù)分配模塊作為決策的依據(jù)，另一方面為組件執(zhí)行提供所需的本地硬件信息如位置信息等。

5）通信模塊：該模塊是微云節(jié)點(diǎn)連入網(wǎng)絡(luò)的信息入口，主要通過無線網(wǎng)絡(luò)與其他遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行信息交互，進(jìn)行如實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、任務(wù)分配信息等數(shù)據(jù)傳輸。

6）身份認(rèn)證模塊：身份認(rèn)證是保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全的前提，該模塊主要負(fù)責(zé)對設(shè)備的認(rèn)證管理，通過云認(rèn)證平臺認(rèn)證用戶的合法性，根據(jù)用戶的設(shè)置將資源向特定的可信任的設(shè)備開放。

在作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，作戰(zhàn)人員可以根據(jù)微云節(jié)點(diǎn)的計(jì)算存儲能力將需求轉(zhuǎn)移到微云上，擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的能力。同時(shí)在戰(zhàn)場環(huán)境變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)作戰(zhàn)需要進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，形成彈性伸縮的戰(zhàn)術(shù)微云，既支持獨(dú)立運(yùn)行，又能相互協(xié)同支撐。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于粒子群算法的資源調(diào)度技術(shù)

資源管理是云計(jì)算的核心技術(shù)，其效率的高低直接影響云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量。在本文的分散系統(tǒng)架構(gòu)中，微云資源包括戰(zhàn)術(shù)移動設(shè)備，分散系統(tǒng)中的戰(zhàn)術(shù)移動設(shè)備相互共享資源，相互協(xié)作處理任務(wù)。作為在戰(zhàn)術(shù)邊緣的微云節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源是有限的，當(dāng)微云節(jié)點(diǎn)資源相互獨(dú)立時(shí)，節(jié)點(diǎn)依靠其自身的計(jì)算能力處理，當(dāng)該微云節(jié)點(diǎn)需處理的負(fù)載較重時(shí)，則通過聯(lián)合多個(gè)微云節(jié)點(diǎn)資源，協(xié)作處理單一節(jié)點(diǎn)難以處理的計(jì)算密集型任務(wù)。

在分散系統(tǒng)邊緣計(jì)算中，系統(tǒng)資源是有限的，資源競爭是不可避免的，如何能夠減少資源競爭，或者使各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)達(dá)到負(fù)載均衡，是整個(gè)服務(wù)過程中需要考慮的問題。因此，只有通過資源調(diào)度將用戶的需求任務(wù)分配到合適的計(jì)算資源上，才能滿足以上兩方面的要求。本文利用粒子群算法［5～7］實(shí)現(xiàn)資源的合理調(diào)度，其主要思想為首先初始化粒子群，每個(gè)粒子表示一種任務(wù)資源分配關(guān)系，根據(jù)工作流中的任務(wù)數(shù)確定空間維度及相應(yīng)約束條件，然后計(jì)算適應(yīng)值，確定粒子局部最優(yōu)和全局最優(yōu)位置，根據(jù)新位置更新適應(yīng)值，多次迭代后即可獲得整個(gè)粒子群的全局最優(yōu)解，得到當(dāng)前最優(yōu)的系統(tǒng)資源調(diào)度方案。

3.2 基于蟻群算法的分布式協(xié)作任務(wù)分配技術(shù)

本文以戰(zhàn)術(shù)移動設(shè)備為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，構(gòu)筑局域網(wǎng)內(nèi)的云計(jì)算資源池，充分得利用戰(zhàn)術(shù)移動設(shè)備自身的空閑資源，為某一臺設(shè)備提供服務(wù)。在邊緣計(jì)算環(huán)境中，戰(zhàn)術(shù)移動設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間在計(jì)算、存儲等能力方面差異可能很大，因此，合理的進(jìn)行任務(wù)分配可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能、提高任務(wù)完成的效率、減少損耗。微云場景下的任務(wù)調(diào)度模型如圖4所示。

用戶提交任務(wù)請求后，微云上的調(diào)度模塊會根據(jù)一定的策略決定任務(wù)是在本地執(zhí)行還是分發(fā)要其他節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行。如果不用分發(fā)，那么會放到任務(wù)隊(duì)列里面，等待被執(zhí)行，并返回結(jié)果給用戶；如果分發(fā)到其他節(jié)點(diǎn)則進(jìn)行任務(wù)分配，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到負(fù)載均衡。

圖4 微云任務(wù)調(diào)度模型圖

為了在系統(tǒng)中合理的分配和調(diào)度任務(wù)，以達(dá)到降低任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的目標(biāo)，可利用蟻群算法［8～9］進(jìn)行任務(wù)的分配，其主要思路為首先獲取系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)信息，初始化信息素，第一代螞蟻根據(jù)信息素尋找候選節(jié)點(diǎn)，同時(shí)更新信息素值，對后續(xù)的螞蟻進(jìn)行正反饋，下一代螞蟻根據(jù)信息素繼續(xù)尋找候選節(jié)點(diǎn)，直到滿足終止條件，獲得此時(shí)算法的最優(yōu)解，將任務(wù)合理地分配到資源節(jié)點(diǎn)上。

3.3 基于發(fā)布訂閱數(shù)據(jù)分發(fā)的信息共享技術(shù)

在戰(zhàn)場邊緣環(huán)境分散式架構(gòu)下，信息共享存在網(wǎng)絡(luò)通信范圍有限、帶寬有限、速率低、收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間長、傳輸時(shí)延大等問題，傳統(tǒng)的以業(yè)務(wù)流程為中心的架構(gòu)難以滿足戰(zhàn)場邊緣作戰(zhàn)信息系統(tǒng)對信息傳輸實(shí)時(shí)性，可靠性，健壯性的要求。而以數(shù)據(jù)為中心的消息發(fā)布訂閱分布式系統(tǒng)［10～11］，通過以發(fā)布和訂閱模式進(jìn)行消息交換，消息發(fā)布者或者消息訂閱者在空間和時(shí)間上彼此獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)有選擇地發(fā)送和接收消息，減少網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)松耦合、強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠和高吞吐量等特性。發(fā)布訂閱模型框架如圖5所示。

圖5 發(fā)布訂閱模型框架圖

同時(shí)，QoS策略遵循“訂閱者請求，發(fā)布者提供”的模式，可根據(jù)需求任意配置QoS。QoS的應(yīng)用使得系統(tǒng)可以很好地配置和利用資源，調(diào)節(jié)可預(yù)言性和執(zhí)行效率間的平衡，并可支持復(fù)雜多變的數(shù)據(jù)流需求。

3.4 實(shí)體的雙層自發(fā)現(xiàn)技術(shù)

發(fā)布訂閱系統(tǒng)將系統(tǒng)劃分為域參與者層和發(fā)布-訂閱端點(diǎn)層兩個(gè)邏輯層，通過基于全局?jǐn)?shù)據(jù)空間的雙層自動發(fā)現(xiàn)技術(shù)［12］，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自發(fā)現(xiàn)，使得不同分布式節(jié)點(diǎn)上相互通信的系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)體角色之間能夠自動地相互發(fā)現(xiàn)對方、自動建立發(fā)布訂閱關(guān)系，進(jìn)而自動完成數(shù)據(jù)由發(fā)布者到訂閱者的過程。實(shí)現(xiàn)邊緣環(huán)境下信息數(shù)據(jù)的安全實(shí)時(shí)傳輸，保證戰(zhàn)場邊緣作戰(zhàn)通信系統(tǒng)對信息傳輸實(shí)時(shí)性，可靠性，健壯性的要求。

發(fā)布訂閱系統(tǒng)提供的是匿名、透明、多對多的通信，發(fā)布者應(yīng)用程序無需指定接收特定主題的應(yīng)用程序，也不需要指定接收應(yīng)用程序的位置，同時(shí)，訂閱者也無需指定發(fā)布者的位置。新主題的發(fā)布和訂閱隨機(jī)出現(xiàn)，實(shí)體間的配對是通過系統(tǒng)中定義的發(fā)現(xiàn)機(jī)制自動連接完成的，它允許發(fā)布者動態(tài)地、持續(xù)地發(fā)現(xiàn)訂閱者，而不需要提前獲知訂閱者的地址或名稱信息。

實(shí)體的發(fā)現(xiàn)過程如圖6所示。

圖6 實(shí)體發(fā)現(xiàn)過程圖

在域參與者發(fā)現(xiàn)階段，域參與者采用盡力投遞并通過單播或多播的方式周期地向其他域參與者發(fā)送包含當(dāng)前參與者的GUID以及QoS策略信息的消息，以保持參與者的活躍狀態(tài)。當(dāng)接收到遠(yuǎn)程參與者的信息，這些信息將存儲在本地?cái)?shù)據(jù)庫中。當(dāng)一對域參與者在通過交換域參與者數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)彼此后，將會進(jìn)入端點(diǎn)發(fā)現(xiàn)階段。

在端點(diǎn)發(fā)現(xiàn)階段，系統(tǒng)采用可靠傳遞的方式交換發(fā)布數(shù)據(jù)和訂閱數(shù)據(jù)。域參與者存儲接收的遠(yuǎn)程端點(diǎn)信息，同時(shí)進(jìn)行實(shí)體配對。當(dāng)遠(yuǎn)程的端點(diǎn)和本地的端點(diǎn)具有相同的主題名稱、數(shù)據(jù)類型并且QoS配置信息匹配時(shí)，可認(rèn)定二者是匹配的。配對階段就是在相互匹配的端點(diǎn)之間建立發(fā)布和訂閱通信。

4 結(jié)語

本文針對戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境下，軍事信息系統(tǒng)提供高效、穩(wěn)定的信息服務(wù)保障問題，對戰(zhàn)術(shù)云體系架構(gòu)以及分散式系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行研究，將云計(jì)算技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境相結(jié)合，構(gòu)建基于戰(zhàn)術(shù)微云的分散式系統(tǒng)架構(gòu)，為戰(zhàn)術(shù)末端作戰(zhàn)用戶節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)相對完備、穩(wěn)定的體系性戰(zhàn)術(shù)云信息服務(wù)環(huán)境。通過利用分散的計(jì)算系統(tǒng)資源，將分散于戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境中的作戰(zhàn)單位、末端設(shè)備、武器等戰(zhàn)術(shù)資源以及計(jì)算、存儲、通信等基礎(chǔ)資源相互鏈接而形成的一個(gè)高效作戰(zhàn)的微云網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)所有可用的戰(zhàn)場資源為戰(zhàn)術(shù)邊緣的數(shù)據(jù)傳遞、計(jì)算存儲、資源共享、指揮與控制服務(wù)以及各類戰(zhàn)術(shù)服務(wù)提供支撐能力，提高戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境下信息服務(wù)保障能力。