軍事信息系統分散式架構應用研究?

（海軍研究院 北京 100063）

1 引言

在網絡中心戰的背景下，戰術邊緣的作戰人員通常會裝備具有基本通信和計算力的移動設備，例如智能手持終端、穿戴式設備以及智能步槍等。這些移動設備具有攝像頭、GPS等簡單傳感器，但其通信、計算、存儲以及電源能力都是非常有限的，僅靠這些移動設備無法為指揮和作戰人員提供所需的戰場態勢感知和信息處理能力。而戰術云可以定義為在戰術環境下可以獲得的云計算能力，它可以降低移動設備的計算復雜度，提高移動設備的工作時間，還可以提供單個移動設備無法實現的能力。因此結合戰術云技術與戰術末端環境，本文提出一種基于戰術微云的分散式軍事信息系統架構，并重點分析了系統功能關鍵技術，以提高戰術末端環境下信息系統服務保障能力。

2 總體架構

2.1 戰術云體系架構研究

戰術云的配置通?？煞譃閮煞N方式：常規戰術云以及動態戰術云。根據戰術云的部署方式和系統架構，戰術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戰術云的配置方式部署在指揮中心，利用數據中心的計算資源池，可以提供近似無限動態調整的計算資源和能力。

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

圖1 戰術云體系結構圖

3）微云：微云適用于在更小范圍內的戰術邊緣環境中，作戰人員僅僅裝備有限通信和計算能力的移動設備。微云可以采用常規戰術云的配置方式部署在一個離作戰人員一跳距離的機動車輛/飛機/船上，或者以動態戰術云的配置方式通過VANET部署在多個機動車輛/飛機/船上，從而通過共享計算和存儲資源以提供更強大的云計算能力。

4）皮云：皮云應用于在戰術邊緣環境中作戰人員無法將戰術末端設備連接至微云的情況，此時通過MANET的方式實現設備間數據、計算等資源的共享，以滿足作戰任務需求。

其中，微云是戰術邊緣最具應用價值和前景的戰術云架構。在微云架構下，在戰術末端（包括單兵、武器和偵察平臺等）部署戰術級服務終端。各終端具備一定計算存儲能力，也可根據需求部署一些功能應用。在戰術通信網絡順暢時，可就近從機動戰術微云中心上獲取服務；在通信網絡受到干擾無法連接服務器時，利用自身部署應用具備一定的自主能力。

2.2 基于戰術微云的分散式系統架構

本文借鑒戰術微云［3～4］的概念，針對戰術末端環境下資源受限、環境多變和數據缺失等問題，構建分散式系統架構，利用分散的計算系統資源，將分散于戰術末端環境中的作戰單位、末端設備、武器等戰術資源以及計算、存儲、通信等基礎資源相互鏈接而形成的一個高效作戰的微云網絡，協調所有可用的戰場資源為戰術邊緣的作戰人員執行特定作戰任務提供一系列的數據傳遞、計算存儲、資源共享、指揮與控制服務以及各類戰術服務能力，其總體架構圖如圖2所示。

圖2 分散系統架構圖

其中，物理資源層是系統的基礎設施層，包括計算設備、存儲設備、數據庫、網絡通信設備、人機交互設備等基礎資源以及作戰車、無人機、手持戰術末端設備、雷達、武器等戰術資源。

資源池層是利用云計算技術對分散部署的同型異構物理資源進行虛擬化處理和抽象聚合，形成包括計算、存儲、通信、傳感器、武器等在內的簡明易用且彈性可擴的資源池。

支撐管理層是系統對外提供作戰服務的基礎和保障，對資源池層提供的各類資源進行管理，包括用戶管理、資源管理、任務管理、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交互接口，負責保障戰場態勢、數據信息、作戰資源和作戰節點的實時、無縫結合。

應用服務層是系統對平臺層提供的作戰能力進行動態組合形成作戰所需的各類應用服務，包括目標探測、目標跟蹤、目標攻擊、任務規劃和調度、作戰等服務。

在本文中基于微云的分散式新型架構并不是僅僅把網絡上的設備當作信息傳遞的節點，而是將它們視為分布式計算資源。微云節點內架構圖如圖3所示。

微云內節點上可以分為應用層、微云管理層、平臺中間件層以及操作系統層。其中應用層可以劃分為多個任務的移動應用程序，位于框架的頂端。微云管理層是框架的核心層，為節點框架提供管理、運行、安全、維護等多方面的功能及技術支撐，主要體現在機制管理、狀態管理以及用戶管理三個層次上，具體包括以下模塊。

1）任務隊列：該模塊負責進行任務隊列管理，存放等待分配的一系列任務信息，分配到同一個微云節點的任務將在該任務隊列中等待執行。當設備作為服務的使用者時，任務隊列中為本地待分配執行的任務；當設備作為服務的提供者時，任務隊列中為由其他客戶端傳遞過來的遠程任務。

圖3 微云節點內架構圖

2）任務分配模塊：該模塊為任務分配的核心，通過任務分配技術將任務進行合理地分配，充分發揮系統的性能、提高任務完成的效率、減少設備損耗。當設備作為服務的使用者時，該模塊根據狀態模塊提供的本地設備的狀態和任務的信息將任務在眾多遠程計算節點和本地進行合理的分配；當設備作為服務的提供者時，該模塊根據本地的狀態對遠程任務隊列進行調度。

3）數據存儲模塊：該模塊存儲任務調度數據處理信息，負責存儲網絡中各個節點傳遞的實時狀態信息和反饋信息，并將相關信息提供給任務分配模塊進行任務分配決策，同時記錄其他客戶端傳遞過來的遠程任務在本地執行的情況。

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

5）通信模塊：該模塊是微云節點連入網絡的信息入口，主要通過無線網絡與其他遠程客戶端進行信息交互，進行如實時狀態信息、任務分配信息等數據傳輸。

6）身份認證模塊：身份認證是保證系統數據安全的前提，該模塊主要負責對設備的認證管理，通過云認證平臺認證用戶的合法性，根據用戶的設置將資源向特定的可信任的設備開放。

在作戰任務時，作戰人員可以根據微云節點的計算存儲能力將需求轉移到微云上，擴展節點的能力。同時在戰場環境變化時，節點可根據作戰需要進行動態調整，形成彈性伸縮的戰術微云，既支持獨立運行，又能相互協同支撐。

3 關鍵技術

3.1 基于粒子群算法的資源調度技術

資源管理是云計算的核心技術，其效率的高低直接影響云計算服務質量。在本文的分散系統架構中，微云資源包括戰術移動設備，分散系統中的戰術移動設備相互共享資源，相互協作處理任務。作為在戰術邊緣的微云節點的計算資源是有限的，當微云節點資源相互獨立時，節點依靠其自身的計算能力處理，當該微云節點需處理的負載較重時，則通過聯合多個微云節點資源，協作處理單一節點難以處理的計算密集型任務。

在分散系統邊緣計算中，系統資源是有限的，資源競爭是不可避免的，如何能夠減少資源競爭，或者使各個計算節點達到負載均衡，是整個服務過程中需要考慮的問題。因此，只有通過資源調度將用戶的需求任務分配到合適的計算資源上，才能滿足以上兩方面的要求。本文利用粒子群算法［5～7］實現資源的合理調度，其主要思想為首先初始化粒子群，每個粒子表示一種任務資源分配關系，根據工作流中的任務數確定空間維度及相應約束條件，然后計算適應值，確定粒子局部最優和全局最優位置，根據新位置更新適應值，多次迭代后即可獲得整個粒子群的全局最優解，得到當前最優的系統資源調度方案。

3.2 基于蟻群算法的分布式協作任務分配技術

本文以戰術移動設備為計算節點，構筑局域網內的云計算資源池，充分得利用戰術移動設備自身的空閑資源，為某一臺設備提供服務。在邊緣計算環境中，戰術移動設備節點之間在計算、存儲等能力方面差異可能很大，因此，合理的進行任務分配可以充分發揮系統的性能、提高任務完成的效率、減少損耗。微云場景下的任務調度模型如圖4所示。

用戶提交任務請求后，微云上的調度模塊會根據一定的策略決定任務是在本地執行還是分發要其他節點上執行。如果不用分發，那么會放到任務隊列里面，等待被執行，并返回結果給用戶；如果分發到其他節點則進行任務分配，使整個系統達到負載均衡。

圖4 微云任務調度模型圖

為了在系統中合理的分配和調度任務，以達到降低任務執行時間的目標，可利用蟻群算法［8～9］進行任務的分配，其主要思路為首先獲取系統節點信息，初始化信息素，第一代螞蟻根據信息素尋找候選節點，同時更新信息素值，對后續的螞蟻進行正反饋，下一代螞蟻根據信息素繼續尋找候選節點，直到滿足終止條件，獲得此時算法的最優解，將任務合理地分配到資源節點上。

3.3 基于發布訂閱數據分發的信息共享技術

在戰場邊緣環境分散式架構下，信息共享存在網絡通信范圍有限、帶寬有限、速率低、收發轉換時間長、傳輸時延大等問題，傳統的以業務流程為中心的架構難以滿足戰場邊緣作戰信息系統對信息傳輸實時性，可靠性，健壯性的要求。而以數據為中心的消息發布訂閱分布式系統［10～11］，通過以發布和訂閱模式進行消息交換，消息發布者或者消息訂閱者在空間和時間上彼此獨立，可以實現節點有選擇地發送和接收消息，減少網絡資源的浪費，實現了系統松耦合、強實時、高可靠和高吞吐量等特性。發布訂閱模型框架如圖5所示。

圖5 發布訂閱模型框架圖

同時，QoS策略遵循“訂閱者請求，發布者提供”的模式，可根據需求任意配置QoS。QoS的應用使得系統可以很好地配置和利用資源，調節可預言性和執行效率間的平衡，并可支持復雜多變的數據流需求。

3.4 實體的雙層自發現技術

發布訂閱系統將系統劃分為域參與者層和發布-訂閱端點層兩個邏輯層，通過基于全局數據空間的雙層自動發現技術［12］，實現節點的自發現，使得不同分布式節點上相互通信的系統內部實體角色之間能夠自動地相互發現對方、自動建立發布訂閱關系，進而自動完成數據由發布者到訂閱者的過程。實現邊緣環境下信息數據的安全實時傳輸，保證戰場邊緣作戰通信系統對信息傳輸實時性，可靠性，健壯性的要求。

發布訂閱系統提供的是匿名、透明、多對多的通信，發布者應用程序無需指定接收特定主題的應用程序，也不需要指定接收應用程序的位置，同時，訂閱者也無需指定發布者的位置。新主題的發布和訂閱隨機出現，實體間的配對是通過系統中定義的發現機制自動連接完成的，它允許發布者動態地、持續地發現訂閱者，而不需要提前獲知訂閱者的地址或名稱信息。

實體的發現過程如圖6所示。

圖6 實體發現過程圖

在域參與者發現階段，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送包含當前參與者的GUID以及QoS策略信息的消息，以保持參與者的活躍狀態。當接收到遠程參與者的信息，這些信息將存儲在本地數據庫中。當一對域參與者在通過交換域參與者數據發現彼此后，將會進入端點發現階段。

在端點發現階段，系統采用可靠傳遞的方式交換發布數據和訂閱數據。域參與者存儲接收的遠程端點信息，同時進行實體配對。當遠程的端點和本地的端點具有相同的主題名稱、數據類型并且QoS配置信息匹配時，可認定二者是匹配的。配對階段就是在相互匹配的端點之間建立發布和訂閱通信。

4 結語

本文針對戰術末端環境下，軍事信息系統提供高效、穩定的信息服務保障問題，對戰術云體系架構以及分散式系統架構進行研究，將云計算技術與戰術末端環境相結合，構建基于戰術微云的分散式系統架構，為戰術末端作戰用戶節點提供一個相對完備、穩定的體系性戰術云信息服務環境。通過利用分散的計算系統資源，將分散于戰術末端環境中的作戰單位、末端設備、武器等戰術資源以及計算、存儲、通信等基礎資源相互鏈接而形成的一個高效作戰的微云網絡，協調所有可用的戰場資源為戰術邊緣的數據傳遞、計算存儲、資源共享、指揮與控制服務以及各類戰術服務提供支撐能力，提高戰術末端環境下信息服務保障能力。