面向联合作战指挥体系的服务资源分层管理

2013-11-09阴启玉

指挥控制与仿真 2013年3期

王英，阴启玉

(1.海军92785部队，河北秦皇岛 066000;2.江苏自动化研究所，江苏连云港 222061)

进入21世纪以来，信息技术进入了以信息栅格为标志的发展阶段，军事信息装备出现了“信息系统一体化、武器装备信息化、信息装备武器化、信息基础设施现代化”的发展趋势，诸军兵种联合作战逐渐成为现代战争的主要作战模式。美军十分重视JC2(联合作战指挥控制)能力建设，采用服务化技术构建了以GIG(全球信息栅格)为基础的NECC(网络使能的指挥控制)系统，标志着美军JC2系统建设进入了新的技术发展阶段［1］。

1 联合作战服务化指控体系

经过几十年的建设，目前的指挥控制系统已成了覆盖各业务领域，部门及军兵种的系列化、一体化的信息化系统，形成了由上到下金字塔式的倒树状结构管理体制(图1左)［1］，指挥关系和信息关系采用层次化逐级流动的方式，导致各业务领域、部门、兵种之间条块分割、资源难共享及“烟囱式信息孤岛”现象。随着装备通信能力和处理能力的提升，及SOA技术在通信、金融及商业领域的成功应用，指控系统正向网络化、服务化的方向发展，出现了大量关于指控系统服务化技术的研究，大多侧重于系统的可靠性和实时性方面的技术研究［5-7］。本文依托构建在无线通信环境基础上的海上编队或岸海联合作战应用背景，针对无线通信环境的弱连接、低带宽的特点研究面向联合作战的服务资源管理技术。

根据传统联合作战指挥体系，联合作战服务化指控系统设计为三层服务管理模式(如图1右)，由内至外分别为系统层、指挥域层和域节点层［2］。系统指挥员领受作战任务后进行指挥域分解和兵力分配，各兵力信息系统根据所属指挥域及作战任务进行本节点信息系统构建并向所属域指挥节点发布本节点管理的功能服务，选取域内通信带宽大、处理能力强的节点担任域指挥节点，该节点接收并管理本指挥域内节点发布的服务，负责指挥域服务构建，并向系统层注册，系统层根据联合作战任务对指挥域服务进行二次组合完成服务化联合作战指挥控制系统构建。在这种管理体制下，域节点层主要负责粒子服务及小粒度组合服务的发布、运行、维护;指挥域层主要完成面向域功能的组合服务构建，系统层则完成面向作战任务的联合作战指控系统构建，侧重于信息系统信息流程编排和域功能服务组合。

图1 联合作战指挥体系

2 服务资源分层管理技术

联合作战指控系统所依赖的军用通信环境是一个包含战略、战役以及战术互联网组成的、复杂的多系统异构通信网络，其受到通信能力和战场环境等因素影响，存在较大的移动性和动态性［4］，为典型的窄带宽、弱连接情形，联合作战各节点频繁的加入、退出网络，若采用结构化的Hash算法进行资源搜索［3］，每个节点的进出都将破坏Hash算法的网络拓扑结构，频繁的计算网络拓扑结构将导致计算资源的惊人开销，重构网络拓扑时的数据传递将带来通信带宽的吞噬，甚至导致通信系统瘫痪。

针对联合作战的特殊性，为了增加系统的普适性和易扩展性，联合作战指控系统服务分层管理技术将功能服务按照所属指挥域和指挥层次进行分层管理，包括服务资源的索引技术、服务资源搜索技术、服务资源路由技术和节点加入退出处理等，为联合作战服务化指控系统的动态构建提供了解决方案。

2.1 服务资源索引技术

根据作战指挥关系，每个域节点仅隶属于一个指挥节点，第0层为系统层，即联合作战指挥控制系统，第1层由面向作战任务的指挥域服务和指挥节点构成，第2层为域成员节点。各节点需要维护两类资源管理表:域成员节点资源管理表和指挥节点资源管理表。域成员节点资源管理表维护所属指挥节点信息、同域节点信息和本地服务资源信息;域指挥节点资源管理表维护上级指挥节点信息、指挥域层节点信息、域成员节点信息和管辖域节点发布服务资源信息。为了确保系统安全可靠，将域指挥节点资源表同步给备用指挥节点，备用节点隶属于域指挥节点。当域指挥节点失效，备用节点升级为指挥节点，并选取一个域成员节点升级为备用节点。每个节点都维护对应于自身权限的表项，根据其他节点的动态变化更新其表项。

域成员节点对自身维护的服务资源进行索引，生成一个由12位字符组成的服务资源标识号，加入本节点资源管理表本地服务资源表项，并通过域通信网络上报所属域指挥节点。节点描述采用:NodeID+k+ID+l模式，其中NodeID采用8位字符标识，k为该节点性能等级，域指挥节点为0级，备用节点为1级，以此类推，ID为节点通信标识(采用8+4模式)，如IP:端口模式，外部节点可以通过解析该字段实现数据通信，l为该节点所属指挥层次，本文为 0、1、2层。如70AF0010－3－0B6401C5:8000－2的节点标识节点ID为70AF0010，在所属域中性能排序第3，通信标识为0B6401C5:8000，位于系统的第二层。联合作战各成员节点可以通过节点描述和资源标识直接与资源所属节点进行通信并获取服务资源描述文件，供联合作战指控系统流程编排和系统集成。

2.2 服务资源搜索

联合作战指挥员领取作战任务后，根据作战任务和兵力情况进行指挥域分解、兵力分配生成系统构建方案，系统各节点初始运行构建指挥关系网，域成员节点发布功能服务;各指挥域操作手进行域功能分解和信息流程编排生成指挥域服务构建方案，方案确认后，由系统进行服务资源搜索，先从节点自身开始查找，接着将请求递交给域指挥节点进行域内搜索，最后由指挥节点将请求转发给其他域指挥节点进行跨域查询。采用的资源搜索算法属于选择扩散算法，防止信息循环转发，有效避免信息的无效传输，实现带宽开销最小化。节点M对服务资源key的搜索算法如下。

1)本地资源搜索

节点M发起的对key的搜索，首先在本地资源列表中搜索资源key，如果资源存在，则返回节点标识，否则向指挥节点发送资源搜索请求，本地资源搜索模型框图如图2 所示［8-9］。

图2 本地资源搜索模型框图

2)域指挥节点资源搜索

域指挥节点Y发起的对key的搜索，首先遍历本指挥域内成员节点，针对各成员节点运行本地资源搜索算法，若资源存在，则将对应节点加入搜索结果列表。如果本域内未搜索到资源key，则遍历指挥节点链表并发送资源搜索请求，同时启动带生命期的监听器，监听其他指挥节点发送的资源搜索结果，将结果加入搜索结果列表，并返回给资源搜索请求者。域指挥节点资源搜索模型如图3所示。

图3 域指挥节点资源搜索模型图

3)跨域资源搜索响应模型框图

域指挥节点接收到跨域资源搜索请求后，运行域指挥节点资源搜索算法，如果搜索结果列表非空，向请求者所在域指挥发送本域资源搜索结果。跨域资源搜索响应模型框图如图4所示。

图4 跨域资源搜索响应模型框图

2.3 服务资源路由

节点收到资源搜索查询结果，优选服务资源，向域指挥节点C发送路由查询请求，由域指挥节点完成服务资源路由搜索，服务资源路由分为域内路由和域间路由。

当信源节点M与信宿节点S隶属于同一个指挥域时，满足域内路由条件，域内路由分为IDM↔IDS直接可达和IDM↔IDC↔IDS经由指挥节点转发间接可达两种，根据带宽和时延分为最优路由和次优路由。

当信源节点M与信宿节点S隶属于不同指挥域时，服务资源间消息交互需通过至少两个中间节点进行转发可达，M向其所在域指挥节点Y发送跨域路由请求，Y遍历域指挥节点链表并搜索其路由表中是否存在可达S的路由，若存在，加入可达路由列表，域间路由模型框图如图5所示［10］。

图5 域间路由模型框图

2.4 节点加入与退出处理

构建完成的系统是一个基于联合作战通信网络的全分布式的、松耦合的系统。受平台移动和战场环境影响，信息平台会随通信节点的连接和断开频繁的加入和退出联合作战指挥系统，从而导致系统功能服务随之进行定位和组合服务重构。针对节点X加入指挥域Y，节点X通过向域Y广播加入请求，得到与X通信时间最短的引导节点Z，由Z获取域指挥节点Y的信息，并向Y发送请求加入信息，获得加入许可后向Y发送资源表，并向Y索取域成员列表，Y维护域资源及成员列表，并向域成员广播X接入信息，从而完成X加入域Y的处理，模型框图如图6所示。

图6 节点加入模型框图

节点离开系统一般分为正常离开和非正常网络中断。

首先描述节点X正常离开时，成员链表及资源表的维护:

1)若X为域成员节点，X发送“离线”信息通知指挥节点修改成员链表及管辖域资源表，X通知域成员节点修改各自成员链表对应表项;

2)若X为指挥节点，X通知其备用节点Y升级为指挥节点;Y通知所有的域成员节点将自己作为新的指挥节点;在Y的域成员中选取一个级别最大的节点作为Y的备用节点;修改Y的指挥层成员链表、域成员链表和管辖域资源表;并将指挥层成员链表和管辖域资源表同步到Y的备用节点中。

由于战场环境的特殊性，节点可能在任意时刻在没有发送任何消息的情况下突然中断离开，系统为了检测到这种状况，规定每个子节点需要周期性地向其指挥节点发送一个字节的心跳消息，各指挥节点也需周期性向备用节点发送心跳信息，说明自己工作正常。如果某个节点在三个周期内未收到另一个节点心跳，则判定该节点非正常脱离。

当节点X非正常离开时，成员链表及资源表的维护如下:

1)若X为域成员节点，域指挥节点A判定X已非正常离开，A修改自身成员链表及管辖域资源表，A通知域内成员节点修改各自域成员链表节点表项中的内容;

2)若X为域指挥节点，域备用节点Y判定X已非正常离开，Y自动升级为指挥节点;其他相应的操作类似上述节点正常离开的情况2。

3 性能分析

本文主要就服务资源分层管理技术的数据维护和网络带宽开销进行定量分析。根据定义，每个域成员NodeID所需字节小于180bit，服务资源标识大小约100bit，假设联合作战编队由N=8个指挥域，各指挥域由M=8个域成员，各成员节点发布服务资源个数S=20。则域成员节点维护数据大小约N*180+S*100≈3.4Kbit，域指挥节点维护数据大小约N*180+M*180+(S*N)*100≈18.9Kbit，可见，无论是域成员节点或者域指挥节点，需维护的数据量均很小;若新节点加入申请数据包大小为c=400bit，则新节点加入某指挥域的总网络带宽开销至多为5≈6.6Kbit;域成员节点正常或非正常离开网络，则对应域指挥节点维护180+S*100+N*180≈3.6Kbit数据资源，数据内部资源修改，不占用带宽，域指挥节点正常或非正常离开，需维护的数据量为18.9K+180*N≈20.3Kbit，需要占用带宽信息为域新备用节点同步域指挥节点数据约为18.9Kbit，通知域成员节点节点及指挥层节点变更数据2.9Kbit，故域指挥节点失效需占用带宽为21.8Kbit，域成员节点单个服务资源变更需维护的数据为本节点 100bit，域指挥节点 100bit，占用带宽为100bit;

每个域指挥节点均维护其管辖域内的所有服务资源索引，服务资源查询请求的处理和转发主要由域指挥节点完成，假设域成员节点每秒发出r个请求，查询消息数据包大小为cbit，请求至多被转发n次，则服务资源查询需占用的带宽为 W=c*r*n，假设 c=200bit，r=1 个/s，n=8 次，则 W=1.6Kbit，由此可见，查询请求只在指挥层进行转发，带宽开销非常低，其查询过程不存在冗余，一般通信系统均能满足该数据传输要求。域内各节点采用1bit的心跳报文进行状态监视，其可根据网络状态设置较低频率，从而网络带宽开销几乎可以忽略。