基于服务的炮兵通信网络资源管理研究*

季 青，杨 扬，孟 坤，王 磊

（1.北京科技大学计算机与通信工程学院，北京 100083；2.北京特种机电技术研究所，北京 100012；3.北京信息科技大学，北京 100084）

基于服务的炮兵通信网络资源管理研究*

季 青1，2，杨 扬1，孟 坤3，王 磊3

（1.北京科技大学计算机与通信工程学院，北京 100083；2.北京特种机电技术研究所，北京 100012；3.北京信息科技大学，北京 100084）

在分析炮兵通信网络资源现状及资源管理需求基础上，从网络资源池的构建与管理、网络资源的组件与封装、资源池内的组件组合与调度3个方面提出了基于服务的炮兵通信网络资源管理方法，此方法实现了网络资源的“纵向扁平化、横向一体化”管理，使资源管理与网络结构、作战指挥结构松耦合，便于网络资源柔性扩展以及弹性服务的提供，为联合作战条件下，面向多军兵种资源融合与信息共享的统一通信服务实施提供技术借鉴与支撑。

炮兵通信网络，资源管理，服务

0 引言

1999年9月，美国国防部提出的全球信息栅格系统（Global Information Grid，GIG）强调网络基础资源对上层应用的支持作用，要求通信网络具有资源（带宽、频率、协议等）的动态感知功能，能够有效地调配组合战场各类资源使部队的作战能力得以最大的发挥［1］。我军在“十二五”规划建设中，也提出了以联合作战指挥应用为主线，以卫星、无线电台、光缆为通信手段，以各军兵种指挥专网、军事综合信息网为业务网系，建设天空地一体化、需求宽带化、功能软件化的信息基础栅格化网络。作为承载全军各类信息应用的基础传输平台，我军信息基础栅格化网络在对网络资源的管理与控制上，具备基于策略的业务控制和资源调度能力，能够根据任务需要快速部署、调配网络资源，实现网络运行状态、网络资源、用户行为和各类业务的可知、可控、可管和按需服务［2］。

可以看出，未来军事信息网络将在栅格（Grid）技术的支撑下，具有无缝连接、按需服务和资源共享等特性，在资源管理上从传统的专用网络分布式向一体化协同与共享转变。因此，为了最大化网络效能，必须实现对网络资源的全局管理与控制，支持网络资源的柔性扩展。

1 炮兵通信网络资源现状分析

网络资源从广义上指网络的物理资源和逻辑资源按需求组合为上层的业务提供网络服务的实体或能力［3］。在不同的层面呈现出不同的形态：从物理角度看，炮兵通信网络资源主要包括配备在各类指挥车上的网络通信控制器、无线电台以及战术互联网网关设备等，这些网络硬件设备是提供网络服务能力的根本，支撑网络的各类协议与应用。从逻辑角度看，是各通信子网的频率、频率间隔、时隙、带宽、速率、功率、协议、拓扑结构、信道方式以及各类端口号等。根据组网方式的不同，按照通信设备所采用的不同信道传输体制，分为超短波电台网、高速数据电台、短波电台网、指挥所无线局域网等。依据承担的作战任务不同，分为炮兵指控专网、侦察情报网、后装保障网等。按照指挥关系分为对上子网、本级子网、对下子网、友邻子网等，各类子网相互融合组成炮兵指挥通信网络。在具体的作战应用中，各子网的资源互为交叉使用，在每个子网内部按照网管中心预先配置好网络频率（带宽）、速率、时隙和固定的标准与协议进行通信。在跨子网传输时，一是通过在不同的层级设置相应的转换接口或网关控制器等中间件设备，实现资源的转换；或是通过设置不同的表网号、端口号进行点对点的数据传输。

因此，在联合作战多网融合的栅格化发展趋势下，炮兵通信网络是一个多种传输手段、多型号、多体制通信装备并存的网络集成，网络环境与网络结构复杂易变，网络资源以窄带资源为主且资源具有异构性、地域分布性、管理多重性以及动态扩展性等特征。

2 炮兵通信网络资源管理需求

目前，炮兵通信网络现用的基于传统的与指挥关系紧耦合的逐级资源管理方法很难适应未来天、空、地一体化、全域化的网络资源综合管理与保障需求。栅格化网络发展趋势下，炮兵通信网络资源管理需求主要体现在以下几个方面：

（1）联合作战条件下，网络资源一体化协同共享需求

在一体化联合作战条件下，炮兵部队与其他军兵种间的协同内容增加，作战任务种类增多，指挥控制方式由预先计划控制为主向近实时动态调控为主转变。为更好地满足未来战争对指挥速度的要求，发挥作战的整体效能优势，炮兵部队需要确立网络一体化的指挥方式，利用网络将分散在不同地域的各级指挥中心、武器系统、作战单位等信息源连接起来，形成网络化的作战体系，指挥员负责对分布在不同空间位置的各种类型的部队或武器系统实施一体化“无缝隙”的指挥，战场的指挥权相对集中到联合作战指挥中心，随着指挥结构由“树状纵长型”向“网状扁平型”转变，网络结构也由分层结构逐步向网状结构发展，各类作战单元之间信息与资源联系更加紧密，要求网络资源管理由分布式向一体化协同共享发展。

（2）炮兵机动作战环境下，动态网络资源调度实时性需求

炮兵在实施机动作战时其通信网络具备动态特性的同时，还要求具有实时高效的信息传输与处理能力。一是在作战单元间传输目标信息时，为了让所有作战单元形成一致的综合态势，必须保证目标信息传输具有很强的实时性。二是在与其他兵种协同作战时，信息的传递必须满足强实时性，这样才能使得各个作战迅速作出反应，达到有效的协同。三是未来战场态势的瞬息万变，其作战指挥和部队行动都将是实时或近实时的，即实时指挥、实时保障等。另外，各类网络节点配置的无线电台容量决定了网络带宽具有有限性，这一切都要求通过提高网络资源的配置手段或利用网络资源管理技术来提高网络运行效率，满足炮兵部队作战信息的实时化传输需求。

（3）栅格网络发展趋势下，资源动态感知与柔性扩展需求

栅格化信息网络发展趋势下，要求不同技术体制、不同格式标准的军兵种异构网络融合发展，指挥、控制、通信、计算机、情报、侦察等各领域资源通过设备的兼容、资源的整合实现多维空间资源的按需调度与柔性共享。炮兵通信网络资源在新的作战任务下达前，按照约定对网络成员数量、传输流量、频率带宽、时隙分配等参数进行设置，如果一旦为某个用户分配了时隙资源，无论该用户是否留在网内，其他用户都不能使用其网络带宽，新用户需要临时入网，如果没有事先分配到资源，也不能与网内其他用户进行网内信息交互与共享，造成了网络资源的浪费。另外，如果战场环境发生改变，网络规模和用户数量发生变化或网络进行重组时，网络资源不能感知网络环境与需求的变化进行自适应重组，制约了作战平台之间的信息共享能力与水平。

（4）“弹性服务”要求下，按需通信服务质量保障需求

目前，炮兵通信网络的各层只考虑到本层的QOS保障，例如：网络层只考虑本层的路由协议是否使网络的性能达到战技术指标要求，虽然针对具体业务需求可以做到局部服务质量的最优，但各层的网络资源是独立的，没有从网络跨层资源融合的角度来提高网络整体的QOS。未来的信息化战场，信息流动性增强，信息种类逐渐增多，不同类型的信息提出了不同的服务质量QoS要求，传统的单一炮兵指挥专用网络和单一的指挥控制业务承载虽然可以针对具体业务做到局部服务质量的最优，但无法适应栅格化网络融合趋势所带来的各种问题。栅格化网络“按需服务”特点，一方面要求网络资源在各个层次向外提供各种服务，另一方面，为减少传输过程中网络服务资源的冗余，要求网络所提供的服务需根据网络环境与任务的变化进行实时调整。因此，炮兵通信网络要实时掌握资源动态变化情况，统一优化底层网络通信资源，根据不同业务的服务质量要求组合相应的资源，提供弹性服务并按需满足服务质量要求。

3 基于服务的网络资源管理方法

随着云计算“一切皆服务”核心理念的提出，硬件即服务、软件即服务、平台即服务［4］三大服务类型被广泛研究与应用，本文将底层的网络资源封装成服务模块的形式提供给上层应用，通过对网络资源的“服务化”，使网络资源与基础设施松耦合，便于网络资源的柔性扩展。

基于服务的网络资源管理方法首先将炮兵指挥通信网络的各类通信子网网络资源通过虚拟化映射等手段统一汇聚融合在一体化资源池中，将资源的管理流程由树状结构转为扁平化结构，通过对资源池里的资源进行全局控制与管理，实现资源的透明化管理。资源管理模式如图1所示。

3.1 资源池的资源分类与管理

资源池汇聚了不同的软件资源、硬件资源和逻辑资源（见图2），基于服务的网络资源管理本质上就是对一体化网络资源池中已经封装成通信服务模块的通信组件进行管理与调度，以满足不同的业务需求。因此，在对网络类别、软件、硬件资源分类的基础上，还需将炮兵指挥网络协议栈的各层逻辑资源进行由下至上的逐层分类，比如在物理层根据信息传输方式（超短波、短波、高速数据台等）进行分类，其次在链路层在同一传输方式下根据信道接入手段（如：CSMA、HDLC）和信道划分方法（如：TDMA）进行分类，在网络层根据相同的网络协议进行分类，考虑到炮兵部队作战指挥间指挥关系、指挥流程条件约束，通过对不同级别的业务需求设置不同资源使用权限来实施对资源池内部资源的调度与控制。

图1 基于服务的资源管理模式

图2 基于服务的资源池资源管理示意图

3.2 网络资源的组件封装

基于服务的网络资源管理关键就是将网络底层的资源抽象虚拟后，封装成服务模块的形式提供给上层的应用［5］，如下页图3所示。

首先，将炮兵指挥通信网络各子网的物理结构向物理层、链路层和网络层进行逻辑结构映射，不同控制域内的资源需进行接口与协议或中间件技术转换；其次，对将各子网资源进行聚类与融合，如：物理层进行硬件设备的共享，链路层进行信道的共享，网络层进行网络控制的共享，通过切片、聚合等技术实现资源的组件封装，将网络资源封装成通信服务组件（模块），最后根据业务的具体需求实现服务组件资源的组合调度，来满足上层业务的需要。

图3 基于网络资源的组件封装

3.3 资源池内组件组合调度

炮兵部队作战特点要求各作战单元间通过有效协同和快速反击的作战能力，实现实时或近实时的作战指挥，要求通信网络具有实时高效的传输能力。因此，炮兵网络资源调度的目标是将应用层所提出的任务分配到合适的底层网络资源上，使得在满足需求的前提下，完成任务时间尽量小且资源利用率尽量高。

由于炮兵网络带宽资源有限（窄带资源），如果某一时刻的业务量较大或者前一时刻网络业务由于延时处理而当前时刻业务已经到达时，这时业务对网络资源的需求超出了网络运行的能力则会引起网络时延增加、吞吐量下降甚至是网络的拥塞，也就是说导致重要的业务请求对应的通信资源（组件）不能及时快速地封装组合。

炮兵动态网络网内所传信息以话音、报文、图形为主，信息的格式、信息量大小和信息流向受指挥关系、指挥命令等条件约束，报文格式具有规范性、报文内容具有一定周期性和相关性，且业务请求具有时变性的特点，这些都为面向缩小网络响应时间提供了一定的可行性。考虑到炮兵业务之间的关联性且此关联性满足概率分布，可以通过此刻业务推断出下一时刻到达业务的概率来提前对有优先级要求业务所需要的网络资源进行预先封装组合，实现不同业务需求与资源使用之间优先匹配以减少网络响应时间。网络业务需求与组件资源组合优先匹配调度如图4所示。

图4 网络组件资源组合调度示意图

4 结束语

本文借鉴云计算的资源池技术、组件封装技术、组件服务组合技术，提出了基于服务的炮兵通信网络资源管理方法，本方法使底层网络资源对上层应用透明，便于指挥员在实现作战指挥时对权限内网络资源的整体控制与调度管理，缩短了作战指挥流程与作战行动反应时间，为一体化联合条件下，炮兵部队与友邻兵种部协同作战的信息交互与共享提供高效快速的网络资源保障。

［1］匡兴化，吴彤.信息栅格技术及其发展［J］.国防科技，2014（1）：20-23.

［2］田永春，张永广.移动栅格网中跨层资源管理方法研究［J］.通信技术，2012（4）:25-28.

［3］李冰.云计算环境下动态资源管理关键技术研究［D］.北京：北京邮电大学，2012.

［4］陈全，邓倩尼.云计算及其关键技术［J］.计算机应用，2009，29（9）：:262-2567.

［5］唐红.云制造环境下的软件资源服务化封装技术研究［D］.北京：北京交通大学，2014.

Research of Artillery Communication Network Resources Management Based on Service

JI Qing1，2，YANG Yang1，MENG Kun3，WANG Lei3
（1.School of Computer and Communication Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；
2.Beijing Institute of Special Electromechanical Technology，Beijing 100012，China；3.Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100084，China）

In this paper，a novel artillery communications network resources management method is proposed which focused on constructing and managing network resource pool，compositing and packaging network resources and scheduling all components in the resource pool.The method successfully achieve the goal of"longitudinal management comes to flat，horizontal management comes to integration"，and it makes a combination of resource management，network structure and operation commanding with a loose coupling structure.The most important，it not only facilitates the expansion of network resource and supplies with flexible services，but also provides the technology support and reference value for multi-arms resource fusion as well as the information sharing in the Joint operations.

artillery communications network，resources management，service

TJ30；TN91

A

1002-0640（2015）06-0148-04

2014-04-19

2014-06-07

军内科研项目

季 青（1978- ），女，江苏淮安人，博士。研究方向：云计算、网络资源调度。