基于发布/订阅的信息共享模型实时性能分析研究

张强 李建华

(1.空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安710071;2.中国人民解放军95607部队，四川 成都610500)

未来信息化战争是以网络为中心，区别于机械化时代以武器平台为中心的战争，其核心是通过网络化指挥信息系统将战场各种探测器、武器平台和指挥控制系统紧密联系起来，在各作战单元间高质量实时地共享战场信息，从而实时掌握战场态势，缩短决策时间，提高指挥效率和协同作战能力，达到作战效果的精确高效［1］。信息化战争强调信息优势，但建立保持信息优势并不等于收集海量信息，而是要建立一种透明的战场全局信息共享机制，确保正确的信息在正确的时间和地点以正确的形式传递到正确的人。

1 基于发布/订阅的信息共享模型

发布/订阅(Publish/Subscribe)通信范型是一种异步通信机制，在时间、空间和控制流上完全解耦，同时还具有匿名通信和一对多通信等特性，非常适合于分布式实时应用，并已广泛应用于银行、证券和企业信息化等领域，得到了工业界和学术界的普遍关注，已经成为研究的热点［2］。未来信息化战争的基本要求是战场信息的全局透明共享，各作战单元通过网络化指挥信息系统共享战场信息即是典型的分布式实时应用。因此，可采用发布/订阅机制实现战场信息共享［3，4］。战场各类感知系统将探测得到的战场信息发布到事件代理节点，参与作战的各级作战单元向代理节点订阅其作战需求信息。事件代理节点由各军兵种的服务器组成，通过网络构成网络化的战场信息组网中心，主要负责信息发布与订阅条件的管理、匹配和转发等，保证战场信息及时、可靠地传送给所有订制了该信息的作战单元。

基于发布/订阅的信息共享模型通过信息提供者与需求者的精确匹配，实现信息需求与信息供给的高度吻合，并将信息共享过程完全抽象为纯粹以数据为中心的交互模式，使得信息提供者和需求者分别仅专注于发布信息和获取感兴趣的信息，从而从根本上将信息共享方式由统一的被动式接收转变为按需的主动式推送，确保战场信息高质量共享。从上述理论分析可以看出，基于发布/订阅的信息共享模型有许多优势。然而，定性的理论分析需要定量的建模验证，本文主要针对基于发布/订阅的信息共享模型的实时性能，对比基于请求/响应(Request/Reply)的共享模型进行建模仿真分析。

2 信息共享模型实时性能建模分析

在信息化战场上，目标的时敏特性日益显著，战场态势信息瞬息万变，战机转瞬即逝。因此，共享信息的时限性特征要求较高，因为过长的时间延迟可能延误作战决策，共享信息如果不能及时送达指挥决策人员，超过时限得到的信息将毫无意义。此外，信息化战场信息来源广、种类多，海量信息的产生必将导致资源大量消耗，如果消耗不能有效控制，轻则因终端负载过重导致时间延迟增大，重则将导致服务瘫痪。为了更好地分析验证基于发布/订阅的信息共享模型，本文将结合请求/响应模型，从信息共享过程中带来的资源消耗和时间延迟两方面出发，定量建模、对比分析共享模型的实时性能。其中，资源消耗是指在各作战单元间通过模型共享信息产生的资源消耗;时间延迟是指在信息共享过程中产生的延迟。由于信息共享方式包括主动推送和被动拉取，主动推送是由信息提供者按需求实时将信息主动发送到信息需求者，而信息被动拉取则是由信息需求者根据作战需要主动提交信息访问请求［5］。因此，本文将时间延迟划分为接收时间延迟和感知时间延迟，前者是指各作战单元从发出访问信息请求到接收到战场信息之间的时间间隔，即被动式共享时间延迟，后者是指从战场事件发生后到各作战单元感知到该共享信息之间的时间差，即主动式共享时间延迟。

2.1 基于发布/订阅的信息共享模型实时性能

在基于发布/订阅的信息共享模型中，信息共享的各参与者以发布/订阅的中间件方式进行交互，信息需求者首先根据作战信息需求向中间件提交订阅条件，当战场监测的事件发生后，信息的提供者探测到该事件后立即向中间件发布，最后由中间件经匹配、路由等处理及时、可靠地传送给该信息的所有订阅者，从而完成战场信息在各作战单元间的全局透明共享。

现假设战场监测事件发生的平均速率为α，且服从泊松分布。共享该信息带来的资源消耗既包括信息源向中间件发布事件产生的消耗Cpub，也包括各作战单元从中间件订阅事件产生的消耗Csub。当n个作战单元都订阅了该信息时，发布/订阅模型通过组播或广播实现共享，从而能够降低逐个发送带来的资源消耗，采用S(n)表示其影响。由此可得出总的消耗为Cps=α(Cpub+nS(n)Csub)。发布/订阅通信方式属于主动式共享，战场事件一经发布，中间件自动匹配订阅了该事件的作战单元，并主动将信息传输至订阅者，所以不存在接收时间延迟。而感知时间延迟则取决于信息源向中间件发布事件时产生的延迟tpub以及作战单元向中间件订阅信息的时间延迟tsub，由此可得感知时间延迟为tps=tpub+tsub。

现假设作战信息的容忍延迟时间为D，采用共享信息时限要求满足率r描述发布/订阅模型在作战要求时限内提供信息共享服务的完成情况，则有:因接收时间延迟为零，对于作战单元的信息请求，接收时间延迟的满足率r始终为100%;而对于感知时间延迟，当战场监测事件发生后，各作战单元收到该事件的感知时间延迟的时限要求:

2.2 基于请求/响应的信息共享模型实时性能

在基于请求/响应的信息共享模型中，信息共享方式属于被动拉取式。共享信息处理过程首先是各作战单元根据作战信息需求，独立地向服务器提出访问请求，服务器逐次处理相应的请求，再将结果信息返回给该作战单元。假设各作战单元提交信息访问请求的平均速率为β，且服从泊松分布。各作战单元通过请求/响应模型共享信息带来的资源消耗为Crr，即是指各作战单元访问请求和服务器响应处理请求产生的消耗。当参与共享的作战单元数为n，各作战单元提交访问请求的平均速率为β时，总的消耗即为βnCrr。请求/响应通信属于被动式共享，各作战单元接收延迟即是从作战单元提出访问请求到请求服务得到满足之间的时间间隔，其值取决于响应处理时间trr，当其小于作战时限要求，作战单元的访问请求能够及时得到处理结果;反之，作战单元即使接收到信息也无意义。因此，接收时间延迟的时限要求:

当战场监测的事件发生后，作战单元能否通过请求/响应模型及时感知到该共享信息，是由作战单元的访问请求速率决定的。当作战单元请求速率为β时，则请求之间的平均间隔时间为1/β，并由此可得该事件感知时间延迟的时限要求满足率r为:

3 对比仿真分析

本节对信息共享模型的资源消耗和时间延迟进行对比仿真验证。仿真中的消耗主要是指信息共享过程产生的通信消耗，其他参数依次取值为α=0.5，β=0.5，Cpub=1，Csub=1，S(n)=(n-1)/n，Crr=2，trr=1，tps=1。

图1 通信消耗与参与共享的作战单元数量关系图

图2 接收时间延迟满足率与作战时限要求关系图

图3 感知时间延迟满足率与作战时限要求关系图

在参与作战的各作战单元之间进行信息共享必然带来资源消耗，图1是发布/订阅模型和请求/响应模型在共享信息时产生的通信消耗与参与信息共享的作战单元个数之间的关系图。从图1中可以看出，随着参与共享的作战单元个数增加，各模型的消耗也显著加大，且发布/订阅模型的消耗明显小于请求/响应模型，这是因为发布/订阅模型通过广播或组播分发信息，而非请求/响应模型的逐用户分发。

接收时间延迟和事件感知延迟反映了共享战场信息的实时性，满足率则反映模型是否能够达到作战应用要求。图2是两种模型的接收时间延迟与作战时限要求之间的关系图，图3是两种模型的感知时间延迟与作战时限要求之间的关系图。从图2、图3中可以看出，发布/订阅模型明显优于请求/响应模型。

4 结论

夺取信息优势、获取决策优势并达到行动优势是未来信息化战争条件下所有军事行动的首要目标，而信息高质量共享是建立保持信息优势的关键。当前关于发布/订阅的研究开展得如火如荼，但关于其实时性能建模分析的研究却较少见。本文提出了一种基于发布/订阅的信息共享模型。考虑到作战应用，结合请求/响应通信机制重点对该模型的实时性能进行了定量建模与仿真分析。仿真结果表明基于发布/订阅的信息共享模型在资源消耗和时间延迟方面具有较好的优势，能够满足战场信息快速、准确、高效等共享需求。

1 任连生.基于信息系统的体系作战能力概述［M］.北京:军事科学出版社，2009.

2 EUGSTER P T，FELBER P A，GUERRAOUI R，etc.The many faces of publish/subscribe［J］.ACM Computing Surveys，2003，35(2):114-131.

3 宛海宁.基于Pub/Sub的战场态势信息分发方法与原型系统研究［D］.长沙:国防科学技术大学，2008.

4 张杰勇，姚佩阳，王欣.网络化条件下的态势信息分发与Pub/Sub通信范型［J］.电光与控制，2011，18(2):64-68.

5 尤增录.指挥控制系统［M］.北京:解放军出版社，2010.