基于RocketMQ的認知雷達對抗數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)設計

周月陽,高墨韻,石遠東

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日趨復雜和認知雷達的快速發(fā)展,傳統(tǒng)基于先驗知識的雷達對抗系統(tǒng)已無法適應現(xiàn)代電子對抗需求[1]。一方面,傳統(tǒng)雷達對抗系統(tǒng)的干擾方依賴固定的干擾策略和人為操作,無法根據(jù)雷達狀態(tài)和對抗環(huán)境的變化,改變其干擾策略。因此,干擾方的干擾效率較低,干擾措施缺乏自適應性[2]。另一方面,各種新體制雷達的成功研制和認知雷達的研究,使得雷達的抗干擾能力有了顯著增強。另外,新體制雷達結構復雜,存在很多不同的工作模式,這些工作模式在非戰(zhàn)時狀態(tài)下可能一直被隱藏。傳統(tǒng)雷達對抗系統(tǒng)無法應對這些未知的雷達狀態(tài)[3]。

認知雷達對抗系統(tǒng)采用了“感知→識別→決策→行動→感知”的閉環(huán)學習過程[4],干擾方先通過對感知的雷達進行參數(shù)測量,識別雷達所處的狀態(tài),然后用強化學習算法決策產生干擾樣式及參數(shù)[5],干擾發(fā)射器根據(jù)干擾樣式及參數(shù)發(fā)射相應的干擾波形,最后對干擾后的雷達狀態(tài)進行感知,評估干擾效能,形成閉環(huán)。因此,認知雷達對抗系統(tǒng)是一種具有通過先驗知識和自主學習來識別和干擾敵方雷達能力的智能、動態(tài)的閉環(huán)系統(tǒng),可在實時感知雷達狀態(tài)的基礎上,高效自主地調整干擾樣式及參數(shù)以適應雷達狀態(tài)的變化,使干擾更具有主動性和針對性。傳統(tǒng)雷達對抗系統(tǒng)和認知雷達對抗系統(tǒng)的實現(xiàn)框架如圖1所示[6]。

圖1 傳統(tǒng)雷達對抗系統(tǒng)和認知雷達對抗系統(tǒng)的實現(xiàn)框架

相比于傳統(tǒng)雷達對抗系統(tǒng),認知雷達對抗系統(tǒng)對數(shù)據(jù)交換的要求顯著提升。由圖1可知,認知雷達對抗系統(tǒng)功能模塊更復雜,增加了雷達狀態(tài)識別、干擾效能評估和基于強化學習的干擾決策模塊,從而使得各個模塊產生的數(shù)據(jù)量更多。此外,認知雷達對抗系統(tǒng)需要快速適應雷達狀態(tài)的變化,整個閉環(huán)對抗過程的延時越低越好,而閉環(huán)對抗過程存在順序性,從而要求各個模塊數(shù)據(jù)交換的速度更快。更為重要的是,認知雷達對抗系統(tǒng)更加靈活多態(tài),傳統(tǒng)基于TCP/IP、UDP等協(xié)議的數(shù)據(jù)交換難以滿足其重構需求。

基于RocketMQ存在高可靠性、安全性、低延時、分布式、易擴展、保證嚴格的消息順序、實時的消息消費機制、億級的消息堆積能力等優(yōu)點[7],本文提出了一種基于RocketMQ的認知雷達對抗數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。

1 RocketMQ簡介

RocketMQ是阿里巴巴開發(fā)的一種基于隊列模型的消息中間件,能夠提供多樣化的消息獲取模式、嚴格的消息順序、實時的消息消費機制和億級的消息堆積能力,具有高可靠、安全性、低延時、分布式等優(yōu)點。發(fā)送消息時,Producer依次發(fā)送消息到各個隊列,隊列的集合稱為Topic。Consumer有2種消費模式:廣播模式和集群模式。廣播模式中的Consumer實例可以消費一個Topic下所有的隊列,而在集群模式中,一個Topic對應的隊列集合要給多個Consumer實例平均消費[8]。消費模式如圖2所示。

圖2 RocketMQ消費模式

圖3展示了RocketMQ的物理部署結構圖。如圖3所示,RocketMQ由4種角色的集群組成,分別為NameServer集群、Broker集群、Producer集群和Consumer集群。NameServer集群是注冊中心,存儲活躍的Broker列表,記錄完整的路由信息,提供等效的讀寫服務;Broker集群是具體提供業(yè)務的服務器,通過提供輕量級的Topic和Queue機制來處理消息存儲,同時支持推和拉模式以及主從結構的容錯機制;Producer集群產生消息的實例,通過與一個隨機選擇的NameServer節(jié)點建立長連接來獲取Topic的路由信息,再通過路由信息,與提供該Topic服務的Broker主節(jié)點建立長連接,并定期發(fā)送心跳,維護自己的連接狀態(tài);Consumer集群接收消息的實例,與Producer集群在節(jié)點屬性上基本相同,不同的是Consumer集對Broker主節(jié)點和Broker從節(jié)點都要建立長連接并發(fā)送心跳。

圖3 RocketMQ物理部署圖[7]

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構設計

本文所設計的認知雷達對抗數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)結構如圖4所示。整個結構以圖1中的認知雷達對抗系統(tǒng)實現(xiàn)框架為基礎,認知雷達對抗系統(tǒng)各個模塊間的數(shù)據(jù)交換主要由RocketMQ總線負責,由于RocketMQ的可重構特點,可快速更新模塊以滿足變化的認知雷達對抗需求。模塊中的Producer節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到RocketMQ總線,Consumer節(jié)點從RocketMQ總線上接收數(shù)據(jù)。各個模塊交換的數(shù)據(jù)類型包括脈沖描述字(PDW)、輻射源描述字(EDW)、抗干擾狀態(tài)描述字(EPDW)、干擾效能和干擾樣式及參數(shù)[6]。以基于強化學習的干擾決策模塊為例,該模塊中的Consumer節(jié)點接收雷達狀態(tài)識別模塊發(fā)送的EDW、EPDW和干擾效能評估模塊發(fā)送的干擾效能,這些數(shù)據(jù)作為干擾決策算法的輸入,訓練后算法輸出的干擾樣式及參數(shù)由該模塊中的Producer節(jié)點負責發(fā)送到RocketMQ總線上。

圖4 認知雷達對抗數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)結構

2.2 系統(tǒng)功能設計

基于RocketMQ的認知雷達對抗數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的功能主要包括集群管理、消息隊列管理、客戶端連接和消息監(jiān)控。如圖5所示,集群管理包括集群信息管理和節(jié)點管理。集群信息管理負責顯示本系統(tǒng)中的所有集群信息,包括集群名、集群內節(jié)點、集群生產/消費的吞吐量、節(jié)點地址等;節(jié)點管理負責顯示和修改Broker節(jié)點及NameServer節(jié)點中的信息。消息隊列管理包括注冊隊列、修改隊列、查詢隊列和刪除隊列,負責對消息隊列(Topic)的信息進行注冊、修改、查詢和刪除,消息隊列信息包括Topic名稱、Toipc數(shù)量、Topic權限等?？蛻舳诉B接包括生產者連接和消費者連接。生產者連接負責ProducerGroup的注冊及刪除和節(jié)點網絡連接信息(IP 地址,組名,Topic等)的查詢;消費者連接的內容與生產者連接類似。消息監(jiān)控包括終端查詢和Web界面監(jiān)控。終端查詢采用RocketMQ自帶的命令行管理工具,可基于時間、key、消息ID等屬性來查詢特定的消息;Web界面監(jiān)控負責監(jiān)控集群、Topic、Producer和Consumer等的狀態(tài)。

圖5 認知雷達對抗數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)功能

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 集群部署

數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)提供的服務依賴于 RocketMQ,因此實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)首先要部署 RocketMQ 集群,集群部署方案采用雙主雙從,保證系統(tǒng)的高可用性。集群架構的角色分配如表1所示。物理部署如圖3所示,此處不再贅述。

表1 集群角色分配表

3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

數(shù)據(jù)交換功能是該系統(tǒng)最基本的功能,因此需要首先實現(xiàn)消息傳遞的功能,包括產生消息實例的生產者Producer節(jié)點和接收指定Topic下消息的消費者Consumer節(jié)點。Producer和Consumer節(jié)點的工作流程如圖6所示。

圖6 Producer和Consumer節(jié)點的工作流程圖

為了便于監(jiān)控整個集群的運行狀態(tài),該系統(tǒng)使用Web界面來查詢各個節(jié)點和指定的消息。由于篇幅有限,本文只展示了其中的消息查詢功能,能夠選擇按 Topic、Message Key和Message ID來查詢指定的消息。如圖7所示,指定Topic和時間段,則可以查詢到滿足條件的所有消息。

4 系統(tǒng)測試及應用

為了在實驗條件下構建一個貼近實戰(zhàn)的認知雷達對抗模擬環(huán)境,雷達方和干擾方采用半實物模擬系統(tǒng)。為滿足基于強化學習的干擾決策算法的訓練和自主學習需求,數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)需要在保證可靠性的前提下,能夠實時處理雷達對抗過程中產生的海量數(shù)據(jù)流。因此,本文從性能和可靠性2個角度對數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)進行測試,并成功應用于工程實際。

4.1 系統(tǒng)性能測試

對于系統(tǒng)測試所需的硬件開發(fā)環(huán)境,由于采用了雙主雙從的集群部署方案,需要至少4臺機器。為了保證RocketMQ的高效運行,系統(tǒng)內存至少需要16 GByte。對于軟件開發(fā)環(huán)境,考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性,RocketMQ中的機器需要安裝Ubuntu16.04操作系統(tǒng)。

為了選取在認知雷達對抗系統(tǒng)中性能更好的消息中間件,本文選取了2種當前常用的消息中間件RabbitMQ[9]和Kafka[10],在多Topic多消費端的認知雷達對抗場景下,與RocketMQ對比單位時間內的消息處理能力。由于認知雷達對抗系統(tǒng)中的干擾決策算法訓練需要長時間運行,需要構建消息持久化場景。本文在系統(tǒng)正常運行1 h后,不斷增加Producer端發(fā)送的數(shù)據(jù)量,直到系統(tǒng)吞吐量不再上升,而響應時間拉長。這時Consumer端已出現(xiàn)性能瓶頸,從而可以得到相應的系統(tǒng)最佳吞吐量。將系統(tǒng)最佳吞吐量作為消息處理能力的指標,3個消息中間件的消息處理能力對比如圖8所示。

圖8 消息處理能力對比

從圖7可以看出,RabbitMQ的吞吐量最低,只有3.35×104/s,這是由于它為了保證消息的可靠性,在吞吐量上做了取舍。Kafka和RocketMQ的吞吐量較為接近,分別為6.79×104/s和6.93×104/s,RocketMQ在消息持久化、多Topic多消費端的認知雷達對抗場景下,消息處理能力略優(yōu)于Kafka。

4.2 系統(tǒng)可靠性測試

系統(tǒng)的可靠性是指在極端情況下,如宿主宕機、應用程序閃退等,系統(tǒng)有相應的保護和應對措施。對于數(shù)據(jù)交換系統(tǒng),可靠性的標準是消息在傳遞過程中不會丟失、消息不重復投遞和集群支持多主多從等。Broker進程是RocketMQ的核心,本文通過殺死Broker進程來查看在極端情況下,該數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的可靠性。

在該系統(tǒng)中的消息收發(fā)保持正常的情況下,于Broker節(jié)點的宿主機終端上執(zhí)行了“Kill-9”命令,則可以殺死RocketMQ框架下的Broker進程。重新啟動該系統(tǒng)后,分析得到的系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)如表2所示。在RocketMQ采用異步刷盤、單位時間內發(fā)送的數(shù)據(jù)量陡增、Broker進程中斷的極端情況下,依然能夠保證消息不丟失,消息不重復,證明了該系統(tǒng)的可靠性。

表2 Broker進程中斷后的系統(tǒng)可靠性

綜合考慮上述系統(tǒng)性能和可靠性測試,RocketMQ在消息處理能力上優(yōu)于其它消息中間件,滿足可靠性要求。因此,本文選擇RocketMQ為基礎構建認知雷達對抗數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。

4.3 系統(tǒng)應用

考慮到雷達對抗外場試驗費用高昂、試驗裝備困難、試驗場地要求高且布陣復雜、受天氣和環(huán)境影響大等不利因素,在實驗室條件下搭建了一個貼近實戰(zhàn)的認知雷達對抗系統(tǒng)。其中,雷達方和干擾方采用半實物模擬系統(tǒng),雷達方能夠逼真模擬典型多功能雷達的功能和信息處理流程,并能發(fā)射雷達射頻信號波形;干擾方能夠逼真模擬電子戰(zhàn)系統(tǒng)的偵察和干擾流程,并能依據(jù)干擾決策算法輸出的干擾樣式及參數(shù)發(fā)射對應的干擾波形。

本文提出的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)作為認知雷達對抗系統(tǒng)中的分系統(tǒng),主要負責在保證可靠性的前提下,實時處理雷達對抗過程中產生的海量數(shù)據(jù)流。如圖9所示,該界面可實時顯示數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)傳輸過程中的各類數(shù)據(jù),從而保障了數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的正常運行。

圖9 偵察與干擾信息顯控界面

5 結束語

本文在認知雷達對抗系統(tǒng)實現(xiàn)框架的基礎上,設計并實現(xiàn)了一種基于RocketMQ的認知雷達對抗數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。認知雷達對抗系統(tǒng)各個模塊間的數(shù)據(jù)交換主要由RocketMQ總線負責,由于RocketMQ的可重構特點,可快速更新模塊以滿足變化的認知雷達對抗需求。數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的功能主要包括集群管理、消息隊列管理、客戶端連接和消息監(jiān)控,對數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的性能和可靠性進行測試,根據(jù)測試結果可以看出,RocketMQ在消息處理能力上優(yōu)于其它消息中間件,滿足可靠性要求,驗證了該系統(tǒng)的優(yōu)越性。