王 英，陰啟玉

(1.海軍92785部隊，河北 秦皇島 066000;2.江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，信息技術(shù)進(jìn)入了以信息柵格為標(biāo)志的發(fā)展階段，軍事信息裝備出現(xiàn)了“信息系統(tǒng)一體化、武器裝備信息化、信息裝備武器化、信息基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化”的發(fā)展趨勢，諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)逐漸成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要作戰(zhàn)模式。美軍十分重視JC2(聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制)能力建設(shè)，采用服務(wù)化技術(shù)構(gòu)建了以GIG(全球信息柵格)為基礎(chǔ)的NECC(網(wǎng)絡(luò)使能的指揮控制)系統(tǒng)，標(biāo)志著美軍JC2系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)入了新的技術(shù)發(fā)展階段［1］。

1 聯(lián)合作戰(zhàn)服務(wù)化指控體系

經(jīng)過幾十年的建設(shè)，目前的指揮控制系統(tǒng)已成了覆蓋各業(yè)務(wù)領(lǐng)域，部門及軍兵種的系列化、一體化的信息化系統(tǒng)，形成了由上到下金字塔式的倒樹狀結(jié)構(gòu)管理體制(圖1左)［1］，指揮關(guān)系和信息關(guān)系采用層次化逐級流動的方式，導(dǎo)致各業(yè)務(wù)領(lǐng)域、部門、兵種之間條塊分割、資源難共享及“煙囪式信息孤島”現(xiàn)象。隨著裝備通信能力和處理能力的提升，及SOA技術(shù)在通信、金融及商業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，指控系統(tǒng)正向網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化的方向發(fā)展，出現(xiàn)了大量關(guān)于指控系統(tǒng)服務(wù)化技術(shù)的研究，大多側(cè)重于系統(tǒng)的可靠性和實時性方面的技術(shù)研究［5-7］。本文依托構(gòu)建在無線通信環(huán)境基礎(chǔ)上的海上編隊或岸海聯(lián)合作戰(zhàn)應(yīng)用背景，針對無線通信環(huán)境的弱連接、低帶寬的特點研究面向聯(lián)合作戰(zhàn)的服務(wù)資源管理技術(shù)。

根據(jù)傳統(tǒng)聯(lián)合作戰(zhàn)指揮體系，聯(lián)合作戰(zhàn)服務(wù)化指控系統(tǒng)設(shè)計為三層服務(wù)管理模式(如圖1右)，由內(nèi)至外分別為系統(tǒng)層、指揮域?qū)雍陀蚬?jié)點層［2］。系統(tǒng)指揮員領(lǐng)受作戰(zhàn)任務(wù)后進(jìn)行指揮域分解和兵力分配，各兵力信息系統(tǒng)根據(jù)所屬指揮域及作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行本節(jié)點信息系統(tǒng)構(gòu)建并向所屬域指揮節(jié)點發(fā)布本節(jié)點管理的功能服務(wù)，選取域內(nèi)通信帶寬大、處理能力強(qiáng)的節(jié)點擔(dān)任域指揮節(jié)點，該節(jié)點接收并管理本指揮域內(nèi)節(jié)點發(fā)布的服務(wù)，負(fù)責(zé)指揮域服務(wù)構(gòu)建，并向系統(tǒng)層注冊，系統(tǒng)層根據(jù)聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)對指揮域服務(wù)進(jìn)行二次組合完成服務(wù)化聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)構(gòu)建。在這種管理體制下，域節(jié)點層主要負(fù)責(zé)粒子服務(wù)及小粒度組合服務(wù)的發(fā)布、運(yùn)行、維護(hù);指揮域?qū)又饕瓿擅嫦蛴蚬δ艿慕M合服務(wù)構(gòu)建，系統(tǒng)層則完成面向作戰(zhàn)任務(wù)的聯(lián)合作戰(zhàn)指控系統(tǒng)構(gòu)建，側(cè)重于信息系統(tǒng)信息流程編排和域功 能服務(wù)組合。

圖1 聯(lián)合作戰(zhàn)指揮體系

2 服務(wù)資源分層管理技術(shù)

聯(lián)合作戰(zhàn)指控系統(tǒng)所依賴的軍用通信環(huán)境是一個包含戰(zhàn)略、戰(zhàn)役以及戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)組成的、復(fù)雜的多系統(tǒng)異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，其受到通信能力和戰(zhàn)場環(huán)境等因素影響，存在較大的移動性和動態(tài)性［4］，為典型的窄帶寬、弱連接情形，聯(lián)合作戰(zhàn)各節(jié)點頻繁的加入、退出網(wǎng)絡(luò)，若采用結(jié)構(gòu)化的Hash算法進(jìn)行資源搜索［3］，每個節(jié)點的進(jìn)出都將破壞Hash算法的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，頻繁的計算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將導(dǎo)致計算資源的驚人開銷，重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r的數(shù)據(jù)傳遞將帶來通信帶寬的吞噬，甚至導(dǎo)致通信系統(tǒng)癱瘓。

針對聯(lián)合作戰(zhàn)的特殊性，為了增加系統(tǒng)的普適性和易擴(kuò)展性，聯(lián)合作戰(zhàn)指控系統(tǒng)服務(wù)分層管理技術(shù)將功能服務(wù)按照所屬指揮域和指揮層次進(jìn)行分層管理，包括服務(wù)資源的索引技術(shù)、服務(wù)資源搜索技術(shù)、服務(wù)資源路由技術(shù)和節(jié)點加入退出處理等，為聯(lián)合作戰(zhàn)服務(wù)化指控系統(tǒng)的動態(tài)構(gòu)建提供了解決方案。

2.1 服務(wù)資源索引技術(shù)

根據(jù)作戰(zhàn)指揮關(guān)系，每個域節(jié)點僅隸屬于一個指揮節(jié)點，第0層為系統(tǒng)層，即聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)，第1層由面向作戰(zhàn)任務(wù)的指揮域服務(wù)和指揮節(jié)點構(gòu)成，第2層為域成員節(jié)點。各節(jié)點需要維護(hù)兩類資源管理表:域成員節(jié)點資源管理表和指揮節(jié)點資源管理表。域成員節(jié)點資源管理表維護(hù)所屬指揮節(jié)點信息、同域節(jié)點信息和本地服務(wù)資源信息;域指揮節(jié)點資源管理表維護(hù)上級指揮節(jié)點信息、指揮域?qū)庸?jié)點信息、域成員節(jié)點信息和管轄域節(jié)點發(fā)布服務(wù)資源信息。為了確保系統(tǒng)安全可靠，將域指揮節(jié)點資源表同步給備用指揮節(jié)點，備用節(jié)點隸屬于域指揮節(jié)點。當(dāng)域指揮節(jié)點失效，備用節(jié)點升級為指揮節(jié)點，并選取一個域成員節(jié)點升級為備用節(jié)點。每個節(jié)點都維護(hù)對應(yīng)于自身權(quán)限的表項，根據(jù)其他節(jié)點的動態(tài)變化更新其表項。

域成員節(jié)點對自身維護(hù)的服務(wù)資源進(jìn)行索引，生成一個由12位字符組成的服務(wù)資源標(biāo)識號，加入本節(jié)點資源管理表本地服務(wù)資源表項，并通過域通信網(wǎng)絡(luò)上報所屬域指揮節(jié)點。節(jié)點描述采用:NodeID+k+ID+l模式，其中NodeID采用8位字符標(biāo)識，k為該節(jié)點性能等級，域指揮節(jié)點為0級，備用節(jié)點為1級，以此類推，ID為節(jié)點通信標(biāo)識(采用8+4模式)，如IP:端口模式，外部節(jié)點可以通過解析該字段實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，l為該節(jié)點所屬指揮層次，本文為 0、1、2層。如70AF0010－3－0B6401C5:8000－2的節(jié)點標(biāo)識節(jié)點ID為70AF0010，在所屬域中性能排序第3，通信標(biāo)識為0B6401C5:8000，位于系統(tǒng)的第二層。聯(lián)合作戰(zhàn)各成員節(jié)點可以通過節(jié)點描述和資源標(biāo)識直接與資源所屬節(jié)點進(jìn)行通信并獲取服務(wù)資源描述文件，供聯(lián)合作戰(zhàn)指控系統(tǒng)流程編排和系統(tǒng)集成。

2.2 服務(wù)資源搜索

聯(lián)合作戰(zhàn)指揮員領(lǐng)取作戰(zhàn)任務(wù)后，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)和兵力情況進(jìn)行指揮域分解、兵力分配生成系統(tǒng)構(gòu)建方案，系統(tǒng)各節(jié)點初始運(yùn)行構(gòu)建指揮關(guān)系網(wǎng)，域成員節(jié)點發(fā)布功能服務(wù);各指揮域操作手進(jìn)行域功能分解和信息流程編排生成指揮域服務(wù)構(gòu)建方案，方案確認(rèn)后，由系統(tǒng)進(jìn)行服務(wù)資源搜索，先從節(jié)點自身開始查找，接著將請求遞交給域指揮節(jié)點進(jìn)行域內(nèi)搜索，最后由指揮節(jié)點將請求轉(zhuǎn)發(fā)給其他域指揮節(jié)點進(jìn)行跨域查詢。采用的資源搜索算法屬于選擇擴(kuò)散算法，防止信息循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，有效避免信息的無效傳輸，實現(xiàn)帶寬開銷最小化。節(jié)點M對服務(wù)資源key的搜索算法如下。

1)本地資源搜索

節(jié)點M發(fā)起的對key的搜索，首先在本地資源列表中搜索資源key，如果資源存在，則返回節(jié)點標(biāo)識，否則向指揮節(jié)點發(fā)送資源搜索請求，本地資源搜索模型框圖如圖2 所示［8-9］。

圖2 本地資源搜索模型框圖

2)域指揮節(jié)點資源搜索

域指揮節(jié)點Y發(fā)起的對key的搜索，首先遍歷本指揮域內(nèi)成員節(jié)點，針對各成員節(jié)點運(yùn)行本地資源搜索算法，若資源存在，則將對應(yīng)節(jié)點加入搜索結(jié)果列表。如果本域內(nèi)未搜索到資源key，則遍歷指揮節(jié)點鏈表并發(fā)送資源搜索請求，同時啟動帶生命期的監(jiān)聽器，監(jiān)聽其他指揮節(jié)點發(fā)送的資源搜索結(jié)果，將結(jié)果加入搜索結(jié)果列表，并返回給資源搜索請求者。域指揮節(jié)點資源搜索模型如圖3所示。

圖3 域指揮節(jié)點資源搜索模型圖

3)跨域資源搜索響應(yīng)模型框圖

域指揮節(jié)點接收到跨域資源搜索請求后，運(yùn)行域指揮節(jié)點資源搜索算法，如果搜索結(jié)果列表非空，向請求者所在域指揮發(fā)送本域資源搜索結(jié)果?？缬蛸Y源搜索響應(yīng)模型框圖如圖4所示。

圖4 跨域資源搜索響應(yīng)模型框圖

2.3 服務(wù)資源路由

節(jié)點收到資源搜索查詢結(jié)果，優(yōu)選服務(wù)資源，向域指揮節(jié)點C發(fā)送路由查詢請求，由域指揮節(jié)點完成服務(wù)資源路由搜索，服務(wù)資源路由分為域內(nèi)路由和域間路由。

當(dāng)信源節(jié)點M與信宿節(jié)點S隸屬于同一個指揮域時，滿足域內(nèi)路由條件，域內(nèi)路由分為IDM?IDS直接可達(dá)和IDM?IDC?IDS經(jīng)由指揮節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)間接可達(dá)兩種，根據(jù)帶寬和時延分為最優(yōu)路由和次優(yōu)路由。

當(dāng)信源節(jié)點M與信宿節(jié)點S隸屬于不同指揮域時，服務(wù)資源間消息交互需通過至少兩個中間節(jié)點進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)可達(dá)，M向其所在域指揮節(jié)點Y發(fā)送跨域路由請求，Y遍歷域指揮節(jié)點鏈表并搜索其路由表中是否存在可達(dá)S的路由，若存在，加入可達(dá)路由列表，域間路由模型框圖如圖5所示［10］。

圖5 域間路由模型框圖

2.4 節(jié)點加入與退出處理

構(gòu)建完成的系統(tǒng)是一個基于聯(lián)合作戰(zhàn)通信網(wǎng)絡(luò)的全分布式的、松耦合的系統(tǒng)。受平臺移動和戰(zhàn)場環(huán)境影響，信息平臺會隨通信節(jié)點的連接和斷開頻繁的加入和退出聯(lián)合作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)功能服務(wù)隨之進(jìn)行定位和組合服務(wù)重構(gòu)。針對節(jié)點X加入指揮域Y，節(jié)點X通過向域Y廣播加入請求，得到與X通信時間最短的引導(dǎo)節(jié)點Z，由Z獲取域指揮節(jié)點Y的信息，并向Y發(fā)送請求加入信息，獲得加入許可后向Y發(fā)送資源表，并向Y索取域成員列表，Y維護(hù)域資源及成員列表，并向域成員廣播X接入信息，從而完成X加入域Y的處理，模型框圖如圖6所示。

圖6 節(jié)點加入模型框圖

節(jié)點離開系統(tǒng)一般分為正常離開和非正常網(wǎng)絡(luò)中斷。

首先描述節(jié)點X正常離開時，成員鏈表及資源表的維護(hù):

1)若X為域成員節(jié)點，X發(fā)送“離線”信息通知指揮節(jié)點修改成員鏈表及管轄域資源表，X通知域成員節(jié)點修改各自成員鏈表對應(yīng)表項;

2)若X為指揮節(jié)點，X通知其備用節(jié)點Y升級為指揮節(jié)點;Y通知所有的域成員節(jié)點將自己作為新的指揮節(jié)點;在Y的域成員中選取一個級別最大的節(jié)點作為Y的備用節(jié)點;修改Y的指揮層成員鏈表、域成員鏈表和管轄域資源表;并將指揮層成員鏈表和管轄域資源表同步到Y(jié)的備用節(jié)點中。

由于戰(zhàn)場環(huán)境的特殊性，節(jié)點可能在任意時刻在沒有發(fā)送任何消息的情況下突然中斷離開，系統(tǒng)為了檢測到這種狀況，規(guī)定每個子節(jié)點需要周期性地向其指揮節(jié)點發(fā)送一個字節(jié)的心跳消息，各指揮節(jié)點也需周期性向備用節(jié)點發(fā)送心跳信息，說明自己工作正常。如果某個節(jié)點在三個周期內(nèi)未收到另一個節(jié)點心跳，則判定該節(jié)點非正常脫離。

當(dāng)節(jié)點X非正常離開時，成員鏈表及資源表的維護(hù)如下:

1)若X為域成員節(jié)點，域指揮節(jié)點A判定X已非正常離開，A修改自身成員鏈表及管轄域資源表，A通知域內(nèi)成員節(jié)點修改各自域成員鏈表節(jié)點表項中的內(nèi)容;

2)若X為域指揮節(jié)點，域備用節(jié)點Y判定X已非正常離開，Y自動升級為指揮節(jié)點;其他相應(yīng)的操作類似上述節(jié)點正常離開的情況2。

3 性能分析

本文主要就服務(wù)資源分層管理技術(shù)的數(shù)據(jù)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)帶寬開銷進(jìn)行定量分析。根據(jù)定義，每個域成員NodeID所需字節(jié)小于180bit，服務(wù)資源標(biāo)識大小約100bit，假設(shè)聯(lián)合作戰(zhàn)編隊由N=8個指揮域，各指揮域由M=8個域成員，各成員節(jié)點發(fā)布服務(wù)資源個數(shù)S=20。則域成員節(jié)點維護(hù)數(shù)據(jù)大小約N*180+S*100≈3.4Kbit，域指揮節(jié)點維護(hù)數(shù)據(jù)大小約N*180+M*180+(S*N)*100≈18.9Kbit，可見，無論是域成員節(jié)點或者域指揮節(jié)點，需維護(hù)的數(shù)據(jù)量均很小;若新節(jié)點加入申請數(shù)據(jù)包大小為c=400bit，則新節(jié)點加入某指揮域的總網(wǎng)絡(luò)帶寬開銷至多為5≈6.6Kbit;域成員節(jié)點正?；蚍钦ｋx開網(wǎng)絡(luò)，則對應(yīng)域指揮節(jié)點維護(hù)180+S*100+N*180≈3.6Kbit數(shù)據(jù)資源，數(shù)據(jù)內(nèi)部資源修改，不占用帶寬，域指揮節(jié)點正常或非正常離開，需維護(hù)的數(shù)據(jù)量為18.9K+180*N≈20.3Kbit，需要占用帶寬信息為域新備用節(jié)點同步域指揮節(jié)點數(shù)據(jù)約為18.9Kbit，通知域成員節(jié)點節(jié)點及指揮層節(jié)點變更數(shù)據(jù)2.9Kbit，故域指揮節(jié)點失效需占用帶寬為21.8Kbit，域成員節(jié)點單個服務(wù)資源變更需維護(hù)的數(shù)據(jù)為本節(jié) 點 100bit，域指 揮 節(jié)點 100bit，占用帶寬為100bit;

每個域指揮節(jié)點均維護(hù)其管轄域內(nèi)的所有服務(wù)資源索引，服務(wù)資源查詢請求的處理和轉(zhuǎn)發(fā)主要由域指揮節(jié)點完成，假設(shè)域成員節(jié)點每秒發(fā)出r個請求，查詢消息數(shù)據(jù)包大小為cbit，請求至多被轉(zhuǎn)發(fā)n次，則服務(wù)資源查詢需占用的帶寬為 W=c*r*n，假設(shè) c=200bit，r=1 個/s，n=8 次，則 W=1.6Kbit，由此可見，查詢請求只在指揮層進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，帶寬開銷非常低，其查詢過程不存在冗余，一般通信系統(tǒng)均能滿足該數(shù)據(jù)傳輸要求。域內(nèi)各節(jié)點采用1bit的心跳報文進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，其可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)設(shè)置較低頻率，從而網(wǎng)絡(luò)帶寬開銷幾乎可以忽略。

4 結(jié)束語

針對服務(wù)資源采用目錄化的分層管理技術(shù)，數(shù)據(jù)維護(hù)量小，帶寬占用少，可有效避免因節(jié)點加入和退出導(dǎo)致的系統(tǒng)重構(gòu)的帶寬吞噬，可應(yīng)用于平臺分散，通信網(wǎng)絡(luò)弱連接，低帶寬的聯(lián)合作戰(zhàn)指控系統(tǒng)構(gòu)建。

［1］ 童志鵬．綜合電子信息系統(tǒng)-信息化戰(zhàn)爭的中流砥柱［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2008．

［2］ 孫義明，楊麗萍．信息化戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈［M］．北京:北京郵電大學(xué)出版社，2005．

［3］ 林懷清，李之棠，等．一種無結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)中的改進(jìn)洪泛搜索協(xié)議［J］．計算機(jī)應(yīng)用研究，2009，26(10):3874-3876．

［4］ 王?。?dāng)?shù)據(jù)鏈在指控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］．現(xiàn)代電子工程，2005(2):30-33．

［5］ 周曉明，初寧．指揮控制系統(tǒng)服務(wù)化研究［J］．指揮控制與仿真，2010，32(3):12-14．

［6］ 何寶民，蔡山，等．面向聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)的使命能力包［J］．火力與指揮控制，2007，32(12):62-65．

［7］ 于曉浩，羅雪山，等．面向服務(wù)的軍事信息系統(tǒng)集成框架與應(yīng)用研究［J］．中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2008，3(3):252-255．

［8］ 李明，楊燕杰，等．信息化條件下指揮控制系統(tǒng)中戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用［J］．網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)，2008，27(8):42-44．

［9］ 王兵．基于面向服務(wù)架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與集成研究［J］．成都:四川大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005．

［10］徐罡，黃濤．分布應(yīng)用集成核心技術(shù)研究綜述［J］．計算機(jī)學(xué)報，2005，28(4):434-445．