美軍“霧計算”概念發(fā)展分析及展望

姜福濤，黃學軍

（1.中國人民解放軍92768 部隊，廣東 汕頭 515800； 2.國防科技大學電子對抗學院，安徽 合肥 213700）

0 引言

“霧計算”是美軍戰(zhàn)術(shù)云概念的延伸和拓展。為提高應對大國競爭能力，美軍始終尋求將云計算技術(shù)運用到戰(zhàn)術(shù)層面，企圖通過算力優(yōu)勢，支持其分布式作戰(zhàn)。隨著研究的深入，逐步將研究重心轉(zhuǎn)移到對前沿戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)單元（包括單兵、分隊、班組等，簡稱戰(zhàn)術(shù)單元，下同）的戰(zhàn)場支援能力建設(shè)上。美軍認為，在與對手對抗時，必將面臨無連接、時斷時續(xù)和低帶寬環(huán)境，所以要為每個戰(zhàn)術(shù)單元提供云賦能技術(shù)，保證能在無鏈接情況下處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在戰(zhàn)術(shù)前沿為戰(zhàn)術(shù)單元提供信息服務。

目前，美軍將戰(zhàn)術(shù)云服務分為2 種模式，即有中心模式和無中心模式。“霧計算”概念屬于無中心模式。在這種模式下，戰(zhàn)術(shù)單元使用的移動通信設(shè)備可以自組織形成網(wǎng)絡，通過WiFi、蜂窩通信、射頻等方法將數(shù)據(jù)與周邊人員共享。作戰(zhàn)人員不需要訪問戰(zhàn)區(qū)服務器即可實現(xiàn)通信和情報共享。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，“霧計算”屬于戰(zhàn)術(shù)薄云的拓展節(jié)點（如圖1 所示）。目前，關(guān)于“霧計算”概念的相關(guān)項目處于初始階段，鑒于“霧計算”屬于云計算的拓展，本文根據(jù)美軍云計算相關(guān)體系構(gòu)架和“霧計算”的功能，對“霧計算”相關(guān)問題進行探究。

圖1 美軍戰(zhàn)術(shù)云系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 “霧計算”概念發(fā)展需求

信息化戰(zhàn)場的一個顯著特點是戰(zhàn)場態(tài)勢呈現(xiàn)“秒級”更迭，戰(zhàn)術(shù)單元任務復雜度不斷攀升，如果沿用傳統(tǒng)的信息交互體系，則不可避免地存在感知周期長、獲情權(quán)限高，以及在信息能力降級情況下無法正常遂行任務等情況。所以，體積小、質(zhì)量輕、成本低的戰(zhàn)術(shù)層信息交互設(shè)備，成為應對未來戰(zhàn)爭的首選。

一是實現(xiàn)各層級的互操作性，特別是端與端的互操作性，為任務式指揮提供體系支撐。美軍認為當前使用的戰(zhàn)場網(wǎng)絡具有一定的等級性，不同等級擁有不同的權(quán)限，雖在縱向上能發(fā)揮高層云端的信息處理優(yōu)勢，但戰(zhàn)術(shù)單元之間還缺乏互操作性。同時，現(xiàn)有的信息交互體系復雜度高，戰(zhàn)場生存能力差，無法適應當前分布式、網(wǎng)絡化、扁平化、自適應、自協(xié)同的作戰(zhàn)需求。此外，設(shè)備、數(shù)據(jù)、服務的異源異構(gòu)性，也造成了信息交互的遲滯。所以，要求開發(fā)一種能在局部的多個作戰(zhàn)節(jié)點聚集數(shù)據(jù)，便于在信息交互不暢的戰(zhàn)術(shù)條件下提供數(shù)據(jù)分析能力。還能滿足戰(zhàn)術(shù)單元在徒步、乘車和指揮所各種狀態(tài)下，通過人工智能和數(shù)據(jù)分析增強態(tài)勢感知能力。

二是擺脫傳統(tǒng)技術(shù)和設(shè)施與高強度作戰(zhàn)環(huán)境之間的沖突，做到對環(huán)境快速響應。目前美軍沒有統(tǒng)一的信息交互標準，還存在嘗試用傳統(tǒng)技術(shù)響應當前高端作戰(zhàn)環(huán)境的情況。主要表現(xiàn)在設(shè)備尺寸、質(zhì)量、功率不適用快速機動作戰(zhàn)，尤其是有限的連通性制約群體交互優(yōu)化的任務分配。所以要求利用新技術(shù)的數(shù)據(jù)和應用策略，使作戰(zhàn)人員在有限的通信環(huán)境中以最佳的方式使用動態(tài)、智能的計算資源。開發(fā)新的軟件工具，保證部隊能快速更改配置管理文件，實現(xiàn)軟件基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)健性和跨代適應性。能夠利用新技術(shù)，實現(xiàn)不新增硬件前提下的跨密級網(wǎng)絡互動。

三是通過無縫數(shù)據(jù)共享，加強基于局部云功能的協(xié)同調(diào)度和單兵戰(zhàn)場作戰(zhàn)能力。為適應未來作戰(zhàn)，美軍認為需要在各層級之間以及同層級的不同節(jié)點實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)共享。實現(xiàn)無縫數(shù)據(jù)共享，需要開發(fā)一種保障在空間上高度分散的作戰(zhàn)節(jié)點在網(wǎng)絡連接中斷、無法從上級服務器獲取數(shù)據(jù)時，還能保持同步的信息交互體系和技術(shù)解決方案。因此，要從數(shù)據(jù)的標簽化入手，在數(shù)據(jù)被使用、修改和融合的情況下，能夠依據(jù)數(shù)據(jù)系譜和初始態(tài)勢，確保態(tài)勢數(shù)據(jù)的連貫性。在此基礎(chǔ)上，為適應不同作戰(zhàn)環(huán)境，需要繼續(xù)升級通用操作環(huán)境，降低信息環(huán)境降級對任務的影響。

2 “霧計算”發(fā)展目標

美軍對未來戰(zhàn)爭的定義是：減少士兵的參與度，增加無人裝備的參戰(zhàn)比例。這一定義下，要求參戰(zhàn)的各類設(shè)備具備強大的數(shù)據(jù)鏈接和共享功能，特別是在同一作戰(zhàn)區(qū)域的設(shè)備，更需要通過實時協(xié)調(diào)應對不斷變化的戰(zhàn)場態(tài)勢。從長遠角度看，“霧計算”可以將云功能沉降到戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)單元（如圖2 所示），可以減輕上級指揮機構(gòu)和頂層基礎(chǔ)設(shè)施的負擔，簡化指揮機構(gòu)技術(shù)要求和部署的硬件設(shè)施。

圖2 霧計算體系結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 降低戰(zhàn)場信息跨域融合層級

通過“霧計算”促進戰(zhàn)場數(shù)據(jù)鏈和抗干擾信息系統(tǒng)的升級，發(fā)展先進的戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡及新型戰(zhàn)場傳感系統(tǒng)［1］。信息未降級時，可以在大數(shù)據(jù)、頂層云計算等信息網(wǎng)絡技術(shù)支撐下，將廣泛分布于陸?？仗祀姼髯鲬?zhàn)域的平臺的感知信息進行融合，并按需分配到戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)單元。在信息降級情況下，不同層級的設(shè)備，可以根據(jù)降級前態(tài)勢，依托智能算法，預判相關(guān)作戰(zhàn)區(qū)域的全局態(tài)勢，同時可以就近形成局域的“微云”，實施分布式作戰(zhàn)，實現(xiàn)全時段信息貢獻和戰(zhàn)場透明。也避免己方關(guān)鍵信息節(jié)點損毀后造成的體系癱瘓?？傮w設(shè)想是，通過采用“霧計算”，提高體系彈性，信息環(huán)境的惡化與個別節(jié)點的功能喪失并不會影響整個戰(zhàn)場態(tài)勢的分發(fā)、共享。

2.2 提高分布式作戰(zhàn)力量效能

傳統(tǒng)作戰(zhàn)樣式下，各軍兵種作戰(zhàn)力量一般按照平臺類別編配，并依據(jù)編制序列優(yōu)化組合。這種方式存在的固有壁壘現(xiàn)象極大阻礙了戰(zhàn)場信息流的無障礙交互，加上等級權(quán)限的制約和人為的官僚化調(diào)度，很大程度上造成信息分布的不均衡，給戰(zhàn)術(shù)單元帶來額外的風險隱患。為解決這一問題，需要對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)鏈和各類抗干擾終端進行系統(tǒng)升級，滿足戰(zhàn)術(shù)單元分散部署的要求，提高作戰(zhàn)力量根據(jù)任務實時優(yōu)化組合的能力。繼承了“網(wǎng)絡中心戰(zhàn)”的信息優(yōu)勢，在“霧計算”等新技術(shù)支撐下，促使信息系統(tǒng)具備高度一體、跨域融合的特征。這種模式，不僅能夠取得信息優(yōu)勢，還能促使其向火力分配、目標毀傷轉(zhuǎn)化，縮短戰(zhàn)術(shù)單元作戰(zhàn)周期鏈。

2.3 單兵功能密度顯著提高

未來作戰(zhàn)，前沿作戰(zhàn)對實時計算能力需求驟增，按照“模塊多用，動態(tài)重構(gòu)”的理念，基于單兵綜合、設(shè)備綜合、裝備綜合的思路，通過單兵作戰(zhàn)協(xié)同化、信息交互數(shù)據(jù)化、指揮功能軟件化，實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)單元的自主按需重構(gòu)。而實現(xiàn)上述功能，必須能將信息交互內(nèi)容從單一的指控領(lǐng)域延拓到通信、導航領(lǐng)域，每一個節(jié)點從單一作戰(zhàn)任務拓展到偵察、定位、判斷、決策、指揮等任務，單兵功能密度顯著提高。充分利用“霧計算”強大的端口服務功能，構(gòu)建對應的計算服務體系，推動戰(zhàn)場信息由傳統(tǒng)的指揮所“壟斷式”處理分發(fā)到“群智群策”式處理交互，并不斷以高性能芯片、智能化算法等賦能提升“霧計算”效能。

3 “霧計算”支撐下的信息交互體系與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 “霧計算”支撐下的信息交互體系

“霧計算”代表了一種新的云計算模式，它是在云邊緣執(zhí)行各種必需的計算，這種模式的優(yōu)點在于帶寬和組網(wǎng)壓力小、成本更低、時延更短并且支持的接入更多［2］。但其根本架構(gòu)大概率是云計算相關(guān)架構(gòu)的延伸。需要明確的是，“霧計算”是一種算力革新，并不以實物形式存在。所以，分析“霧計算”的功能架構(gòu)，可以從其支撐下的信息交互體系結(jié)構(gòu)出發(fā)。根據(jù)美軍戰(zhàn)術(shù)云體系架構(gòu)和SmartFog 項目的相關(guān)研究，可以歸納出“霧計算”支撐下的信息交互體系結(jié)構(gòu)一般由主機、客戶端和管理平臺組成，如圖3 所示。

圖3 “霧計算”支撐下的信息交互體系結(jié)構(gòu)（設(shè)想圖）

“霧計算”支撐下的信息交互體系依托主機進行所覆蓋戰(zhàn)場區(qū)域的數(shù)據(jù)處理，可以配備在連排級戰(zhàn)術(shù)單元的筆記本電腦或小型服務器。主要包括基于內(nèi)核驅(qū)動的虛擬機（KVM）、服務數(shù)據(jù)庫、基于“霧計算”理念運行的服務器以及廣播服務（Avahi Daemon）。

單兵終端是可以運行通用型操作系統(tǒng)的可移動終端，例如安裝安卓系統(tǒng)的智能手機，可以與主機系統(tǒng)通過蜂窩通信或臨時搭設(shè)的網(wǎng)絡進行鏈接，兩者之間保持單跳距離。在單兵終端上安裝一些用于數(shù)據(jù)處理的軟件，能夠通過作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)主機廣播的信息，發(fā)現(xiàn)可以鏈接的局部網(wǎng)絡，接入網(wǎng)絡后可以與該區(qū)域的其他作戰(zhàn)單元進行信息交互。單兵終端通過獲取主機系統(tǒng)的IP 與作戰(zhàn)區(qū)域服務器建立鏈接，根據(jù)具體訪問的服務類別獲取主機系統(tǒng)的對應數(shù)據(jù)，或根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢調(diào)用主機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能。同時，服務器可以為單兵終端在主機系統(tǒng)加載對應的虛擬機和賬戶數(shù)據(jù)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 邊緣存儲技術(shù)

當戰(zhàn)術(shù)單元位于作戰(zhàn)區(qū)域時，需要的信息主要是與該區(qū)域有關(guān)的戰(zhàn)場態(tài)勢信息。例如，分隊指揮員更想知道附近的友鄰部隊位置、敵方部署以及道路交通和保障資源等。所以在某個分隊進入作戰(zhàn)區(qū)域前，該區(qū)域的主機系統(tǒng)應根據(jù)分隊的需求，把該分隊高頻次訪問的內(nèi)容下載到分隊附近的“霧層（Fog Layer）”，并在本地進行優(yōu)化計算，完成分隊需求?！办F層”可以均衡帶寬和緩存之間的沖突，緩解上級服務器的負擔，降低域外通信傳輸量，減少傳輸延遲。從這一點可以看出，“霧層”具有高度智能化特征，能感知所服務的戰(zhàn)場環(huán)境，推測即將進入服務部隊的需求，并針對需求預先進行數(shù)據(jù)緩存，為實現(xiàn)部隊訪問和檢索提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2.2 邊緣計算技術(shù)

“霧計算”綜合了云計算與邊緣計算的優(yōu)勢，具有智能計算能力［3］。邊緣計算主要是指戰(zhàn)術(shù)單元所攜帶設(shè)備對所需態(tài)勢數(shù)據(jù)的計算方法和過程，從包含關(guān)系來看，從屬于“霧計算”。邊緣計算意味著將數(shù)據(jù)處理推送到生成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡邊緣。任何邊緣設(shè)備，如路由器、傳感器或智能設(shè)備都可以進行邊緣計算。每個設(shè)備在處理信息方面都有自己的角色，邊緣計算可能沒有與云或服務器的聯(lián)系，并且可以作為獨立機器存在。通常，邊緣計算設(shè)備用于關(guān)閉的機器到機器（M2M）系統(tǒng)。邊緣計算的典型功能包括：數(shù)據(jù)聚合，變性，過濾，數(shù)據(jù)擦除和異常檢測。其目的是降低成本和延遲并控制網(wǎng)絡帶寬。

3.2.3 云霧協(xié)同技術(shù)

“霧計算”歸根到底還是屬于云計算的拓展，但在具體細節(jié)上略有區(qū)別，如表1 所示，也有人稱之為“微云”“薄云”，基本架構(gòu)和功能也是對戰(zhàn)術(shù)云架構(gòu)和功能的邊緣化延伸?！办F計算”的實質(zhì)是在傳統(tǒng)戰(zhàn)場網(wǎng)絡關(guān)鍵節(jié)點部署“霧層”，在網(wǎng)絡邊緣形成一個“霧計算”平臺，該平臺支持數(shù)據(jù)分析和邏輯處理能力。而引入云霧協(xié)同技術(shù)，旨在實現(xiàn)“霧層”保障下的節(jié)點可以通過云端進行集中管理，簡化本地的運維難度。此外，“霧層”的網(wǎng)關(guān)和云端網(wǎng)關(guān)對接，“霧層”可以將本地處理的數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)進行高層次處理，彌補了“霧計算”在算力上的短板。但實現(xiàn)云霧協(xié)同，還需要精確數(shù)據(jù)分類，明確什么數(shù)據(jù)需要本級“霧層”處理，什么數(shù)據(jù)需要上級云計算處理。

表1 霧計算與云計算區(qū)別

4 啟示與展望

邊緣智能化信息交互系統(tǒng)建設(shè)是適應信息化戰(zhàn)爭的關(guān)鍵，也是提高分布式作戰(zhàn)能力的“倍增器”。從“霧計算”的發(fā)展情況來看，雖然早在前幾年提出了相關(guān)概念，但目前仍在完善和迭代發(fā)展中，在發(fā)展過程中，也存在一定的問題。無論是經(jīng)驗還是教訓，都值得研究，加以展望。

4.1 信息化建設(shè)要圍繞作戰(zhàn)需求強化頂層設(shè)計

美軍提出新作戰(zhàn)概念、頒布新作戰(zhàn)條令，都源于對未來作戰(zhàn)的需求?！办F計算”沿用了“分析需求、設(shè)定目標—明確功能、設(shè)計架構(gòu)—確定體制、統(tǒng)一標準—階段推進、迭代優(yōu)化”的基于需求的演化過程，體現(xiàn)了其一貫的戰(zhàn)爭設(shè)計思維。鑒于此，信息系統(tǒng)建設(shè)一要圍繞未來任務型譜、戰(zhàn)場環(huán)境、主要作戰(zhàn)對象、主要威脅，以及當前的能力，研提新版概念和框架文件，指導宏觀設(shè)計，構(gòu)設(shè)信息系統(tǒng)的總體能力需求和頂層框架；二要細化需求論證流程，形成信息系統(tǒng)建設(shè)方案，指導信息系統(tǒng)建設(shè)的具體實施與應用，在方案中重點描述戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役級建設(shè)方案、實施步驟和建設(shè)流程［4］；三要根據(jù)建設(shè)情況及時改進需求論證機制，摒棄“多徑輸入”的需求反饋機制，提高多樣化需求的集中程度，建立統(tǒng)一標準下的能力需求論證機制。

4.2 信息化建設(shè)要按照統(tǒng)一標準促進系統(tǒng)躍遷

“霧計算”的目的是提高戰(zhàn)場所有單元的綜合集成度和作戰(zhàn)互操作能力。未來戰(zhàn)爭戰(zhàn)場信息系統(tǒng)采用分布式、橫向交互的扁平化結(jié)構(gòu)，即使是單兵也可以通過信息系統(tǒng)進行互聯(lián)互通，提高自身的功能密度，通過提高單兵的戰(zhàn)場價值彌補數(shù)量劣勢，這就要求異源的信息系統(tǒng)具有同構(gòu)性：一是信息系統(tǒng)建設(shè)要具有階段性，前一階段任務是通過統(tǒng)一技術(shù)體制、研制基礎(chǔ)模塊，解決“煙囪式”系統(tǒng)縱向?qū)哟芜^多、技術(shù)體制不同一等問題，并在橫向上實現(xiàn)跨平臺的互聯(lián)互通。在第二階段，各作戰(zhàn)單元、要素通過統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)、協(xié)議、端口等，實現(xiàn)按作戰(zhàn)需求的實時組網(wǎng)和資源共享。二是信息系統(tǒng)建設(shè)要具有層面性，從能力、系統(tǒng)、作戰(zhàn)、網(wǎng)絡等多個層面進行構(gòu)建，便于統(tǒng)一標準和相同功能的耦合融入，實現(xiàn)“以系統(tǒng)為中心”轉(zhuǎn)向“以服務為中心”轉(zhuǎn)變。三是信息系統(tǒng)建設(shè)要重視基礎(chǔ)性，“霧計算”雖然是新概念，但也是對傳統(tǒng)體系的革新和對基礎(chǔ)設(shè)施的改造，所以信息系統(tǒng)建設(shè)要在已有系統(tǒng)基礎(chǔ)上優(yōu)化改進，包括通信、計算機、信息資源和信息處理平臺等。

4.3 信息化建設(shè)要針對戰(zhàn)術(shù)單元實現(xiàn)全域支撐

戰(zhàn)術(shù)單元一般處于戰(zhàn)場前沿，作戰(zhàn)任務多樣、力量部署分散、作戰(zhàn)環(huán)境復雜、戰(zhàn)場目標密集。為實現(xiàn)高度機動作戰(zhàn)，戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)單元的信息系統(tǒng)還要求體積小、質(zhì)量輕但功能密度較高，“霧計算”正是這種需求的產(chǎn)物。“霧計算”的初衷就是支撐戰(zhàn)術(shù)單元的全域作戰(zhàn)：一是解決戰(zhàn)場前沿信息中斷問題，部署在前沿的部隊不斷處于運動中，面臨的環(huán)境動態(tài)性強，加上雙方干擾行動，信息傳輸能力有限，同時作戰(zhàn)節(jié)奏造成戰(zhàn)場網(wǎng)絡性能波動，所以要構(gòu)建適應前沿需求，具備動中通、高度彈性和敏捷性的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡和低層級的簡化、獨立移動網(wǎng)絡，避免因大型戰(zhàn)場網(wǎng)絡中斷造成戰(zhàn)術(shù)單元各自為戰(zhàn)。二是解決信息交互安全問題，實施全域作戰(zhàn)，要求各模塊之間無障礙溝通，這就涉及到信息安全問題，“霧計算”概念啟發(fā)我們在系統(tǒng)構(gòu)建中，必須建立一個能夠阻止未授權(quán)節(jié)點訪問信息的機制，通過這種機制，可以利用各種高速通信技術(shù)。三是解決戰(zhàn)術(shù)單元設(shè)備生存能力問題，全域作戰(zhàn)意味面臨著全域威脅，因此要提高信息系統(tǒng)的戰(zhàn)場耐用性以適應極端環(huán)境，尤其是系統(tǒng)的電源、通訊模塊，在設(shè)計時要重視防護，要通過小型化和低功率化降低戰(zhàn)場被偵獲概率。

5 結(jié)束語

本文概要介紹了美軍“霧計算”的產(chǎn)生背景、發(fā)展目標、體系結(jié)構(gòu)，借鑒“霧計算”概念的核心理念，從系統(tǒng)魯棒性、體系標準化和全域支撐力等方面對戰(zhàn)術(shù)級信息系統(tǒng)發(fā)展提出了幾點建議。但研究只能算冰山一角，信息系統(tǒng)的發(fā)展，仍有很大的探索空間，還需從理論體系、系統(tǒng)作戰(zhàn)使用、新技術(shù)研發(fā)等方面做進一步研究，以期緊跟世界軍事變革浪潮，實現(xiàn)從跟跑到領(lǐng)跑的跨越?！?/p>