基于云計算的分布式海戰場指揮控制系統結構研究*

張 濛

(武漢數字工程研究所 武漢 430205)

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基于云計算的分布式海戰場指揮控制系統結構研究*

張 濛

(武漢數字工程研究所 武漢 430205)

現代海戰場作戰具有環境復雜、組成復雜多變、通信網絡多樣等特點,未來作戰指揮控制系統必須是支持分布性、自治性、移動性、交互性以及動態自適應的分布式系統。為滿足現代化戰爭對海戰場指揮控制系統能力要求,將具有開放式和分布式特點的云計算技術應用于海戰場指揮控制系統系統。根據云計算基本理論體系,分析了面向服務的海戰場指揮控制系統層次結構,并對將云計算應用于海戰場作戰指揮控制系統相關的分布式存儲、分布式計算、分布式數據分析等關鍵技術進行了較詳細的說明。

云計算; 指揮控制系統; 分布式; 海戰場

Class Number U674

1 引言

現代戰爭中,基于海陸空天潛一體化的作戰越來越復雜,隨著體系內作戰節點的不斷增加以及作戰平臺作用范圍的不斷擴大,信息滲透到戰場的各個領域和環節,互聯互通的信息量及其處理需求也隨之大幅度增加,指揮控制系統必須在態勢分析、多方案決策優化、目標解算、數據分析和挖掘等方面具備大容量、高可靠的計算能力。指揮員面臨需從海量信息中準確及時地發現有用信息并作出作戰決策,以適應瞬息變化的戰場環境。大數據技術應用于指揮控制系統,可為指揮員的決策分析提供智能的、自動化的輔助手段,提高系統的智能化程度及決策科學性、時效性,從而極大地提高作戰的指揮效能和整體作戰能力。海戰場指揮控制系統具有所處環境復雜、組成復雜多變、通信網絡多樣等特點,未來海戰場作戰指揮控制系統必須是支持分布性、自治性、移動性、交互性以及動態自適應的分布式系統。云計算技術應用于指揮控制系統,可為指揮員的決策分析提供智能的、自動化的輔助手段,提高系統的智能化程度及決策科學性、時效性,從而提高作戰的指揮效能和整體作戰能力。

作為一種新興技術,云計算[1]將計算任務分布在大量開放式的共享資源上,使用戶能夠按需獲取計算能力、存儲空間和信息服務,可大幅提高計算、存儲和數據分析能力[2～3],目前發展勢頭十分迅猛。將其應用于海戰場作戰指揮控制系統集成具有以下優勢:

1) 信息優勢。云計算依托數據中心集中統管的基礎設施資源,消除了基礎設施間通信的瓶頸,獲得了對基礎資源強有力的調度權力,能夠更好地實現互聯互通的目標。

2) 決策優勢。云計算長于高速處理全局、海量信息,能夠對瞬息萬變的戰場態勢做出及時正確的反應,并且整個體系圍繞總體決策步調一致地細化各級決策,從而實現在以體系對抗為基本特征的現代海戰場環境中高度實時的進行決策。

3) 指揮體系優勢。云計算環境中作戰指揮網與武器控制網、情報保障網通過云自然地實現整合。各級人員均以云用戶互聯,指控關系從樹狀變得扁平,打破以往逐級傳遞的指揮控制方式,實現指揮控制流程的管控,并可為實現信息收集、全局態勢生成、指揮控制命令快速下達乃至信息火力一體帶來有力的技術支撐。

4) 安全和可靠性優勢。海戰場作戰指揮控制系統采用“私有云”的方式構建,具有物理隔離特性,實現對信息進行集約化管理,相比于傳統的分散管理、多頭管理模式更高的安全性;云計算的虛擬化、分布式文件存儲、容災備份、動態伸縮等技術,使得云可以在最大程度上降低各種資源的故障對應用的影響,提供更高的可用性。

目前,在作戰指揮控制系統結構研究領域,大多集中在對外軍開放式、分布式體系結構的內涵進行解析,然后提出初步的概念設想,形成較高層的框架[4～5],尚缺乏較成熟的實現途徑。本文對基于云計算的海戰場作戰指揮控制開放式、分布式系統結構進行研究,以實現計算資源的分布式管理,提高資源利用效率和整體計算能力。

2 云計算概述

云計算,首先是要通過網絡將大量計算機無縫連接起來,構成計算資源池,然后將計算任務加載到這個分布式部署的計算資源池中。云計算的目標,是將當前計算設備連接在一起,使得用戶能夠如使用電網中的電能一樣使用計算能力。太陽微系統(SUN)公司早在1982年成立時就曾設想過“網絡即計算機”這一構想。在云計算中,各種應用系統能夠通過網絡,按需地獲取資源池中的計算(能)力、存儲空間和信息服務[6]。云計算中的“云”,實際上是可自維護、自管理的虛擬計算資源,包括計算服務器、存儲服務器、寬帶資源等等,并可以通過網絡向用戶按需提供所需的計算資源。云計算可分為三層[7]:基礎設施即服務(Infrastructure as a Service,IaaS),平臺即服務(Platform as a Service,PaaS),軟件即服務(Software as a Service,SaaS),如圖1所示。

圖1 云計算的服務類型與層次

圖1中,IaaS是指以服務的形式提供資源集和基礎設施服務(計算、存儲和網絡),用戶通過互聯網租賃即可搭建自己的應用系統;PaaS是指提供應用服務引擎,如應用編程接口和運行平臺等,開發者可基于該應用服務引擎進行應用開發和構建,利用服務提供商的資源向最終用戶提供服務;SaaS是指把一些特定的應用軟件功能封裝成服務,用戶可通過按需租用的方式來使用軟件。Lenk等[8]提出了一個通用的云計算框架,其將云計算技術和服務分為不同的層次。

3 面向服務的系統層次結構

依據云計算的基本層次,考慮到海戰場作戰指揮控制系統的應用需求,可將系統服務層次分為基礎設施服務層、平臺層和應用服務層[9],如圖2所示。

基礎設施服務層將云計算能力封裝為標準的基礎云計算服務,并納入到服務管理體系。資源集主要是將海戰場作戰指揮控制系統所屬的高性能計算設備、存儲器、數據庫、網絡設備及人機交互設備等資源構成同構或接近同構的資源池,通過負載均衡、冗余控制、運行監控等措施對上述資源集進行管理,從而為上層提供相應的基礎設施服務。

平臺層提供系統開發、集成調試和運行的環境。設備供應商遵循云計算數據的處理和存儲規范,基于應用編程接口和規范進行設計和開發,提供各類應用服務程序和戰術軟件。系統集成方利用集成調試環境進行各類服務集成和最終執行環境的設定。

應用服務層分基礎應用服務和高級應用服務,主要是為各設備供應商提供時間統一、目標融合等作戰應用服務,并根據海戰場作戰指揮控制系統應用服務之間的工作流設計,對各類應用服務進行發布、激活和去活等管理。

4 海戰場作戰指揮控制系統云計算技術

4.1 分布式存儲

圖3 分布式存儲

指控系統中所處理的數據涉及各種報文和接口,數據類型復雜、多變,隨著應用規模的增大,隨之而來的是數據量的劇增,新數據類型不斷涌現,用戶需求呈現出多樣性,對數據的管理和維護難度大大增加,傳統的數據庫適用的數據結構、并發控制、故障恢復等技術在新的環境下面臨挑戰。如圖3所示,分布式數據存儲一般采用主從服務模式。

物理層面上,系統包括元數據服務器和數據服務器兩部分,如由若干數據服務器節點和一個元數據服務器節點構成的分布式存儲系統。存儲系統的中心服務器為元數據服務器,主要負責管理存儲系統的名字空間以及用戶節點對文件的訪問。系統中數據服務器節點主要負責管理自身節點的數據記錄保存。依據元數據服務器上的名字空間,用戶能夠以文件的形式在數據服務器節點讀取、寫入數據資料。具體實現層面,單個數據文件被劃分為一個或多個數據塊,而數據塊存儲于若干微服務器組成的數據節點集上。元數據服務器執行存儲系統的名字空間操作,例如打開、關閉、重命名或目錄創建等。另外,元數據服務器節點需要實現各數據塊到數據服務器(存儲位置)間的映射。數據服務器節點需要處理存儲系統用戶節點的讀寫請求,并支持在元數據服務器節點的統一調度下完成各數據塊的創建、刪除及復制。

4.2 分布式計算

在數據規模極大的情況下,數據具有規模大和分布性等特點,使用傳統的數據處理方式處理大數據不論在處理效率還是處理效果上都不能滿足應用對數據處理的需求。云計算普遍采用分布式計算應對這種大規模數據的處理。如Google公司的MapReduce[10]和亞馬遜公司的彈性計算云(Elastic Compute Cloud,EC2)[11],都封裝了并行處理、容錯處理與負載均衡等功能,可以對大規模數據集進行高效操作。如圖4所示,分布式計算一般包括一個主控任務服務器和多個執行任務服務器。

圖4 分布式計算

主控任務服務器負責調度和管理執行任務服務器,將計算任務和合并任務按照負載均衡的原則分配給空閑的執行服務器,讓這些任務并行運行,并負責監控任務的運行情況。執行任務服務器負責執行任務,如果出現故障,主控任務服務器會把其負責的任務分配給其它空閑的執行服務器重新運行。對于大文件來說,移動計算比移動數據的代價要低。云計算的DFS提供了接口,以便讓程序將自己移動到數據存儲的地方執行。分布式計算框架和分布式文件系統一般運行在一組相同的節點上,也就是說,任務服務器和數據服務器通常在一起。在處理過程中一般沒有數據的傳輸工作,只是在合并過程中需要向主節點傳送計算結果。這種配置允許框架在那些存儲數據的節點上高效地調度任務,這可以減少整個集群網絡的擁堵,提高系統吞吐量。

4.3 分布式數據分析

數據分析系統為云計算核心系統,通過應用服務器上提供的CloudAPI將分布式數據分析應用接入云計算系統。用戶不需要了解系統是如何具體實現,也不需要擔心系統的存儲和計算能力不足對數據分析過程的影響,只需要根據需求選擇適當的算法處理相應的數據,最終將數據分析系統部署在云計算系統上并得到結果,如圖5所示。

圖5 分布式數據分析

分布式數據分析算法分為兩個步驟,首先是對局部數據進行數據分析,生成局部數據模型。然后組合不同數據站點上的局部數據模型,最終得到全局數據模型。使用軟代理的并行分布式數據分析系統主要分為三個模塊:數據分析代理、協調器和用戶接口。數據分析代理用戶訪問元數據,從數據中提取生成局部數據模型。協調器用于協調各個代理,并將挖掘到的相關信息返回給用戶接口,對挖掘信息進行反饋。用戶接口則主要負責用戶與系統之間的信息交互?；谶@種分布式數據分析系統,對其各個模塊進行改進,能夠平滑無縫地將其部署在基于多節點架構的云計算系統之上。

5 結語

云計算技術作為一種商業計算模型,將存儲、計算、分析等任務分布在大量計算機組成的資源池上,通過并行計算等方法提供了前所未有的計算力。云計算技術作為當前商用領域得到廣泛研究并且應用日益成熟的大數據支撐技術,為海戰場作戰指揮控制系統應對復雜海戰場環境下體系對抗問題提供了解決的一個途徑。本文將云計算技術應用于海戰場作戰指揮控制系統體系結構研究,分析了面向服務的系統層次結構,對海戰場作戰指揮控制系統云計算體系結構的分布式存儲、分布式計算、分布式數據分析等幾個方面進行了初步的闡釋。云計算的應用可有效提高指控系統的智能化程度和可靠性,提升指控系統的作戰效能。

[1] THAIN D, TANNENBAUM T, LIVNY M. Distributed computing in practice: the condor experience[J]. Concurrency and Computation: Practice and Experience,2005,17(2/4):323-356.

[2] MELL P, GRANCE T. The NIST definition of cloud computing[R]. National Institute of Standards and Technology,2011.

[3] DIKAIAKOS M D, KATSAROS D, MEHRA P, et al. Cloud computing:distributed internet computing for IT and scientific research[J]. IEEE Transaction on Internet Computing,2009,13(5):10-13.

[4] 仇建偉,吳亞非,張永紅.開放體系結構作戰系統計算環境現狀與研究[J].中國電子科學研究院學報,2009,4(2):165-171.

[5] ZILIC A M, BARON N T. Real-time realities: the application of commercial information technology to combat control systems[J]. Naval Engineer Journal,2009,121(1):17-33.

[6] 劉鵬.云計算[M].北京:電子工業出版社,2010.

[7] 趙菲,劉俊杰.云計算在指揮信息系統建設中的應用[J].通信技術,2012,4(45):7-12.

[8] LENK A, KLEMS M, NIMIS J, et al. What’s inside the Cloud? An architectural map of the cloud landscape[C]//Proceedings of the 2009 ICSE Workshop on Software Engineering Challenges of Cloud Computing,2009:23-31.

[9] 劉伯峰,劉帆,朱偉鋒,等.基于云計算的作戰系統集成結構[J].中國艦船研究,2013,8(4):92-96.

[10] YANG H, DASDAN A, HSIAO R, et al. Mapreduce-merge: simplified relational data processing on large clusters[C]//Proceedings of the 2007 ACM SIGMOD International Conference on Management of Data,2007:1029-1040.

[11] Amazon EC2[EB/OL]. http://aws.amazon.com/ec2/.

Research on Architecture of Distributed Command and Control System for Sea Battlefield Based on Cloud Computing

ZHANG Meng

(Wuhan Digital Engineering Institute, Wuhan 430205)

The modern battles in sea battlefield have characters of complex environment, complicated component and diversity of communication network. For this reason, the command and control system in future must be distributed system with autonomy, mobility, interactive and dynamic adaptability. An open and distributed pattern for the command and control system is proposed in this paper to meet the computational demand of modern warfare. A service-oriented integration mainframe is first established as a base for cloud computing, and the related key technologies such as distributed storage system, computing system and data analysis system get a detailed expatiate in this paper.

clouding computing, command and control system, distributed, sea battlefield

2014年10月7日,

2014年11月27日

張濛,女,助理工程師,研究方向:電子信息工程。

U674

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.002