（海軍研究院 北京 100063）

1 引言

在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的背景下，戰(zhàn)術(shù)邊緣的作戰(zhàn)人員通常會(huì)裝備具有基本通信和計(jì)算力的移動(dòng)設(shè)備，例如智能手持終端、穿戴式設(shè)備以及智能步槍等。這些移動(dòng)設(shè)備具有攝像頭、GPS等簡(jiǎn)單傳感器，但其通信、計(jì)算、存儲(chǔ)以及電源能力都是非常有限的，僅靠這些移動(dòng)設(shè)備無(wú)法為指揮和作戰(zhàn)人員提供所需的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知和信息處理能力。而戰(zhàn)術(shù)云可以定義為在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下可以獲得的云計(jì)算能力，它可以降低移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算復(fù)雜度，提高移動(dòng)設(shè)備的工作時(shí)間，還可以提供單個(gè)移動(dòng)設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)的能力。因此結(jié)合戰(zhàn)術(shù)云技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境，本文提出一種基于戰(zhàn)術(shù)微云的分散式軍事信息系統(tǒng)架構(gòu)，并重點(diǎn)分析了系統(tǒng)功能關(guān)鍵技術(shù)，以提高戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境下信息系統(tǒng)服務(wù)保障能力。

2 總體架構(gòu)

2.1 戰(zhàn)術(shù)云體系架構(gòu)研究

戰(zhàn)術(shù)云的配置通?？煞譃閮煞N方式：常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云以及動(dòng)態(tài)戰(zhàn)術(shù)云。根據(jù)戰(zhàn)術(shù)云的部署方式和系統(tǒng)架構(gòu)，戰(zhàn)術(shù)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(guī)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式部署在指揮中心，利用數(shù)據(jù)中心的計(jì)算資源池，可以提供近似無(wú)限動(dòng)態(tài)調(diào)整的計(jì)算資源和能力。

2）分散云：分散云通常采用常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式部署在前沿指揮所或艦船上。在作戰(zhàn)前沿會(huì)產(chǎn)生和收集大量的情報(bào)和態(tài)勢(shì)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(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)并作出及時(shí)和正確的指揮決策。

圖1 戰(zhàn)術(shù)云體系結(jié)構(gòu)圖

3）微云：微云適用于在更小范圍內(nèi)的戰(zhàn)術(shù)邊緣環(huán)境中，作戰(zhàn)人員僅僅裝備有限通信和計(jì)算能力的移動(dòng)設(shè)備。微云可以采用常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式部署在一個(gè)離作戰(zhàn)人員一跳距離的機(jī)動(dòng)車輛/飛機(jī)/船上，或者以動(dòng)態(tài)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式通過(guò)VANET部署在多個(gè)機(jī)動(dòng)車輛/飛機(jī)/船上，從而通過(guò)共享計(jì)算和存儲(chǔ)資源以提供更強(qiáng)大的云計(jì)算能力。

4）皮云：皮云應(yīng)用于在戰(zhàn)術(shù)邊緣環(huán)境中作戰(zhàn)人員無(wú)法將戰(zhàn)術(shù)末端設(shè)備連接至微云的情況，此時(shí)通過(guò)MANET的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)、計(jì)算等資源的共享，以滿足作戰(zhàn)任務(wù)需求。

其中，微云是戰(zhàn)術(shù)邊緣最具應(yīng)用價(jià)值和前景的戰(zhàn)術(shù)云架構(gòu)。在微云架構(gòu)下，在戰(zhàn)術(shù)末端（包括單兵、武器和偵察平臺(tái)等）部署戰(zhàn)術(shù)級(jí)服務(wù)終端。各終端具備一定計(jì)算存儲(chǔ)能力，也可根據(jù)需求部署一些功能應(yīng)用。在戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)順暢時(shí)，可就近從機(jī)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)微云中心上獲取服務(wù)；在通信網(wǎng)絡(luò)受到干擾無(wú)法連接服務(wù)器時(shí)，利用自身部署應(yīng)用具備一定的自主能力。

2.2 基于戰(zhàn)術(shù)微云的分散式系統(tǒng)架構(gòu)

本文借鑒戰(zhàn)術(shù)微云［3～4］的概念，針對(duì)戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境下資源受限、環(huán)境多變和數(shù)據(jù)缺失等問(wèn)題，構(gòu)建分散式系統(tǒng)架構(gòu)，利用分散的計(jì)算系統(tǒng)資源，將分散于戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境中的作戰(zhàn)單位、末端設(shè)備、武器等戰(zhàn)術(shù)資源以及計(jì)算、存儲(chǔ)、通信等基礎(chǔ)資源相互鏈接而形成的一個(gè)高效作戰(zhàn)的微云網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)所有可用的戰(zhàn)場(chǎng)資源為戰(zhàn)術(shù)邊緣的作戰(zhàn)人員執(zhí)行特定作戰(zhàn)任務(wù)提供一系列的數(shù)據(jù)傳遞、計(jì)算存儲(chǔ)、資源共享、指揮與控制服務(wù)以及各類戰(zhàn)術(shù)服務(wù)能力，其總體架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 分散系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中，物理資源層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施層，包括計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、人機(jī)交互設(shè)備等基礎(chǔ)資源以及作戰(zhàn)車、無(wú)人機(jī)、手持戰(zhàn)術(shù)末端設(shè)備、雷達(dá)、武器等戰(zhàn)術(shù)資源。

資源池層是利用云計(jì)算技術(shù)對(duì)分散部署的同型異構(gòu)物理資源進(jìn)行虛擬化處理和抽象聚合，形成包括計(jì)算、存儲(chǔ)、通信、傳感器、武器等在內(nèi)的簡(jiǎn)明易用且彈性可擴(kuò)的資源池。

支撐管理層是系統(tǒng)對(duì)外提供作戰(zhàn)服務(wù)的基礎(chǔ)和保障，對(duì)資源池層提供的各類資源進(jìn)行管理，包括用戶管理、資源管理、任務(wù)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(wù)交互接口，負(fù)責(zé)保障戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、數(shù)據(jù)信息、作戰(zhàn)資源和作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)、無(wú)縫結(jié)合。

應(yīng)用服務(wù)層是系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)層提供的作戰(zhàn)能力進(jìn)行動(dòng)態(tài)組合形成作戰(zhàn)所需的各類應(yīng)用服務(wù)，包括目標(biāo)探測(cè)、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)攻擊、任務(wù)規(guī)劃和調(diào)度、作戰(zhàn)等服務(wù)。

在本文中基于微云的分散式新型架構(gòu)并不是僅僅把網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備當(dāng)作信息傳遞的節(jié)點(diǎn)，而是將它們視為分布式計(jì)算資源。微云節(jié)點(diǎn)內(nèi)架構(gòu)圖如圖3所示。

微云內(nèi)節(jié)點(diǎn)上可以分為應(yīng)用層、微云管理層、平臺(tái)中間件層以及操作系統(tǒng)層。其中應(yīng)用層可以劃分為多個(gè)任務(wù)的移動(dòng)應(yīng)用程序，位于框架的頂端。微云管理層是框架的核心層，為節(jié)點(diǎn)框架提供管理、運(yùn)行、安全、維護(hù)等多方面的功能及技術(shù)支撐，主要體現(xiàn)在機(jī)制管理、狀態(tài)管理以及用戶管理三個(gè)層次上，具體包括以下模塊。

1）任務(wù)隊(duì)列：該模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行任務(wù)隊(duì)列管理，存放等待分配的一系列任務(wù)信息，分配到同一個(gè)微云節(jié)點(diǎn)的任務(wù)將在該任務(wù)隊(duì)列中等待執(zhí)行。當(dāng)設(shè)備作為服務(wù)的使用者時(shí)，任務(wù)隊(duì)列中為本地待分配執(zhí)行的任務(wù)；當(dāng)設(shè)備作為服務(wù)的提供者時(shí)，任務(wù)隊(duì)列中為由其他客戶端傳遞過(guò)來(lái)的遠(yuǎn)程任務(wù)。

圖3 微云節(jié)點(diǎn)內(nèi)架構(gòu)圖

2）任務(wù)分配模塊：該模塊為任務(wù)分配的核心，通過(guò)任務(wù)分配技術(shù)將任務(wù)進(jìn)行合理地分配，充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能、提高任務(wù)完成的效率、減少設(shè)備損耗。當(dāng)設(shè)備作為服務(wù)的使用者時(shí)，該模塊根據(jù)狀態(tài)模塊提供的本地設(shè)備的狀態(tài)和任務(wù)的信息將任務(wù)在眾多遠(yuǎn)程計(jì)算節(jié)點(diǎn)和本地進(jìn)行合理的分配；當(dāng)設(shè)備作為服務(wù)的提供者時(shí)，該模塊根據(jù)本地的狀態(tài)對(duì)遠(yuǎn)程任務(wù)隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：該模塊存儲(chǔ)任務(wù)調(diào)度數(shù)據(jù)處理信息，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和反饋信息，并將相關(guān)信息提供給任務(wù)分配模塊進(jìn)行任務(wù)分配決策，同時(shí)記錄其他客戶端傳遞過(guò)來(lái)的遠(yuǎn)程任務(wù)在本地執(zhí)行的情況。

4）狀態(tài)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(fù)責(zé)采集移動(dòng)設(shè)備的電量、網(wǎng)絡(luò)延遲、處理器性能等狀態(tài)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(wù)分配模塊作為決策的依據(jù)，另一方面為組件執(zhí)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(jié)點(diǎn)連入網(wǎng)絡(luò)的信息入口，主要通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與其他遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行信息交互，進(jìn)行如實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、任務(wù)分配信息等數(shù)據(jù)傳輸。

6）身份認(rèn)證模塊：身份認(rèn)證是保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全的前提，該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備的認(rèn)證管理，通過(guò)云認(rèn)證平臺(tái)認(rèn)證用戶的合法性，根據(jù)用戶的設(shè)置將資源向特定的可信任的設(shè)備開(kāi)放。

在作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，作戰(zhàn)人員可以根據(jù)微云節(jié)點(diǎn)的計(jì)算存儲(chǔ)能力將需求轉(zhuǎn)移到微云上，擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的能力。同時(shí)在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)作戰(zhàn)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，形成彈性伸縮的戰(zhàn)術(shù)微云，既支持獨(dú)立運(yùn)行，又能相互協(xié)同支撐。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于粒子群算法的資源調(diào)度技術(shù)

資源管理是云計(jì)算的核心技術(shù)，其效率的高低直接影響云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量。在本文的分散系統(tǒng)架構(gòu)中，微云資源包括戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)設(shè)備，分散系統(tǒng)中的戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)設(shè)備相互共享資源，相互協(xié)作處理任務(wù)。作為在戰(zhàn)術(shù)邊緣的微云節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源是有限的，當(dāng)微云節(jié)點(diǎn)資源相互獨(dú)立時(shí)，節(jié)點(diǎn)依靠其自身的計(jì)算能力處理，當(dāng)該微云節(jié)點(diǎn)需處理的負(fù)載較重時(shí)，則通過(guò)聯(lián)合多個(gè)微云節(jié)點(diǎn)資源，協(xié)作處理單一節(jié)點(diǎn)難以處理的計(jì)算密集型任務(wù)。

在分散系統(tǒng)邊緣計(jì)算中，系統(tǒng)資源是有限的，資源競(jìng)爭(zhēng)是不可避免的，如何能夠減少資源競(jìng)爭(zhēng)，或者使各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)達(dá)到負(fù)載均衡，是整個(gè)服務(wù)過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題。因此，只有通過(guò)資源調(diào)度將用戶的需求任務(wù)分配到合適的計(jì)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(shí)現(xiàn)資源的合理調(diào)度，其主要思想為首先初始化粒子群，每個(gè)粒子表示一種任務(wù)資源分配關(guān)系，根據(jù)工作流中的任務(wù)數(shù)確定空間維度及相應(yīng)約束條件，然后計(jì)算適應(yīng)值，確定粒子局部最優(yōu)和全局最優(yōu)位置，根據(jù)新位置更新適應(yīng)值，多次迭代后即可獲得整個(gè)粒子群的全局最優(yōu)解，得到當(dāng)前最優(yōu)的系統(tǒng)資源調(diào)度方案。

3.2 基于蟻群算法的分布式協(xié)作任務(wù)分配技術(shù)

本文以戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)設(shè)備為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，構(gòu)筑局域網(wǎng)內(nèi)的云計(jì)算資源池，充分得利用戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)設(shè)備自身的空閑資源，為某一臺(tái)設(shè)備提供服務(wù)。在邊緣計(jì)算環(huán)境中，戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間在計(jì)算、存儲(chǔ)等能力方面差異可能很大，因此，合理的進(jìn)行任務(wù)分配可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能、提高任務(wù)完成的效率、減少損耗。微云場(chǎng)景下的任務(wù)調(diào)度模型如圖4所示。

用戶提交任務(wù)請(qǐng)求后，微云上的調(diào)度模塊會(huì)根據(jù)一定的策略決定任務(wù)是在本地執(zhí)行還是分發(fā)要其他節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行。如果不用分發(fā)，那么會(huì)放到任務(wù)隊(duì)列里面，等待被執(zhí)行，并返回結(jié)果給用戶；如果分發(fā)到其他節(jié)點(diǎn)則進(jìn)行任務(wù)分配，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到負(fù)載均衡。

圖4 微云任務(wù)調(diào)度模型圖

為了在系統(tǒng)中合理的分配和調(diào)度任務(wù)，以達(dá)到降低任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的目標(biāo)，可利用蟻群算法［8～9］進(jìn)行任務(wù)的分配，其主要思路為首先獲取系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)信息，初始化信息素，第一代螞蟻根據(jù)信息素尋找候選節(jié)點(diǎn)，同時(shí)更新信息素值，對(duì)后續(xù)的螞蟻進(jìn)行正反饋，下一代螞蟻根據(jù)信息素繼續(xù)尋找候選節(jié)點(diǎn)，直到滿足終止條件，獲得此時(shí)算法的最優(yōu)解，將任務(wù)合理地分配到資源節(jié)點(diǎn)上。

3.3 基于發(fā)布訂閱數(shù)據(jù)分發(fā)的信息共享技術(shù)

在戰(zhàn)場(chǎng)邊緣環(huán)境分散式架構(gòu)下，信息共享存在網(wǎng)絡(luò)通信范圍有限、帶寬有限、速率低、收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)、傳輸時(shí)延大等問(wèn)題，傳統(tǒng)的以業(yè)務(wù)流程為中心的架構(gòu)難以滿足戰(zhàn)場(chǎng)邊緣作戰(zhàn)信息系統(tǒng)對(duì)信息傳輸實(shí)時(shí)性，可靠性，健壯性的要求。而以數(shù)據(jù)為中心的消息發(fā)布訂閱分布式系統(tǒng)［10～11］，通過(guò)以發(fā)布和訂閱模式進(jìn)行消息交換，消息發(fā)布者或者消息訂閱者在空間和時(shí)間上彼此獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)有選擇地發(fā)送和接收消息，減少網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)松耦合、強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠和高吞吐量等特性。發(fā)布訂閱模型框架如圖5所示。

圖5 發(fā)布訂閱模型框架圖

同時(shí)，QoS策略遵循“訂閱者請(qǐng)求，發(fā)布者提供”的模式，可根據(jù)需求任意配置QoS。QoS的應(yīng)用使得系統(tǒng)可以很好地配置和利用資源，調(diào)節(jié)可預(yù)言性和執(zhí)行效率間的平衡，并可支持復(fù)雜多變的數(shù)據(jù)流需求。

3.4 實(shí)體的雙層自發(fā)現(xiàn)技術(shù)

發(fā)布訂閱系統(tǒng)將系統(tǒng)劃分為域參與者層和發(fā)布-訂閱端點(diǎn)層兩個(gè)邏輯層，通過(guò)基于全局?jǐn)?shù)據(jù)空間的雙層自動(dòng)發(fā)現(xiàn)技術(shù)［12］，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自發(fā)現(xiàn)，使得不同分布式節(jié)點(diǎn)上相互通信的系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)體角色之間能夠自動(dòng)地相互發(fā)現(xiàn)對(duì)方、自動(dòng)建立發(fā)布訂閱關(guān)系，進(jìn)而自動(dòng)完成數(shù)據(jù)由發(fā)布者到訂閱者的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)邊緣環(huán)境下信息數(shù)據(jù)的安全實(shí)時(shí)傳輸，保證戰(zhàn)場(chǎng)邊緣作戰(zhàn)通信系統(tǒng)對(duì)信息傳輸實(shí)時(shí)性，可靠性，健壯性的要求。

發(fā)布訂閱系統(tǒng)提供的是匿名、透明、多對(duì)多的通信，發(fā)布者應(yīng)用程序無(wú)需指定接收特定主題的應(yīng)用程序，也不需要指定接收應(yīng)用程序的位置，同時(shí)，訂閱者也無(wú)需指定發(fā)布者的位置。新主題的發(fā)布和訂閱隨機(jī)出現(xiàn)，實(shí)體間的配對(duì)是通過(guò)系統(tǒng)中定義的發(fā)現(xiàn)機(jī)制自動(dòng)連接完成的，它允許發(fā)布者動(dòng)態(tài)地、持續(xù)地發(fā)現(xiàn)訂閱者，而不需要提前獲知訂閱者的地址或名稱信息。

實(shí)體的發(fā)現(xiàn)過(guò)程如圖6所示。

圖6 實(shí)體發(fā)現(xiàn)過(guò)程圖

在域參與者發(fā)現(xiàn)階段，域參與者采用盡力投遞并通過(guò)單播或多播的方式周期地向其他域參與者發(fā)送包含當(dāng)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(tài)。當(dāng)接收到遠(yuǎn)程參與者的信息，這些信息將存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)一對(duì)域參與者在通過(guò)交換域參與者數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)彼此后，將會(huì)進(jìn)入端點(diǎn)發(fā)現(xiàn)階段。

在端點(diǎn)發(fā)現(xiàn)階段，系統(tǒng)采用可靠傳遞的方式交換發(fā)布數(shù)據(jù)和訂閱數(shù)據(jù)。域參與者存儲(chǔ)接收的遠(yuǎn)程端點(diǎn)信息，同時(shí)進(jìn)行實(shí)體配對(duì)。當(dāng)遠(yuǎn)程的端點(diǎn)和本地的端點(diǎn)具有相同的主題名稱、數(shù)據(jù)類型并且QoS配置信息匹配時(shí)，可認(rèn)定二者是匹配的。配對(duì)階段就是在相互匹配的端點(diǎn)之間建立發(fā)布和訂閱通信。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境下，軍事信息系統(tǒng)提供高效、穩(wěn)定的信息服務(wù)保障問(wèn)題，對(duì)戰(zhàn)術(shù)云體系架構(gòu)以及分散式系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行研究，將云計(jì)算技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境相結(jié)合，構(gòu)建基于戰(zhàn)術(shù)微云的分散式系統(tǒng)架構(gòu)，為戰(zhàn)術(shù)末端作戰(zhàn)用戶節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)相對(duì)完備、穩(wěn)定的體系性戰(zhàn)術(shù)云信息服務(wù)環(huán)境。通過(guò)利用分散的計(jì)算系統(tǒng)資源，將分散于戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境中的作戰(zhàn)單位、末端設(shè)備、武器等戰(zhàn)術(shù)資源以及計(jì)算、存儲(chǔ)、通信等基礎(chǔ)資源相互鏈接而形成的一個(gè)高效作戰(zhàn)的微云網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)所有可用的戰(zhàn)場(chǎng)資源為戰(zhàn)術(shù)邊緣的數(shù)據(jù)傳遞、計(jì)算存儲(chǔ)、資源共享、指揮與控制服務(wù)以及各類戰(zhàn)術(shù)服務(wù)提供支撐能力，提高戰(zhàn)術(shù)末端環(huán)境下信息服務(wù)保障能力。