公共计算与服务环境综述*

马永龙　陶　伟　谢红胜

(1.武汉藏龙北路1号　武汉　430205)(2.中国舰船研究设计中心　武汉　430064)



公共计算与服务环境综述*

马永龙1陶伟2谢红胜2

(1.武汉藏龙北路1号武汉430205)(2.中国舰船研究设计中心武汉430064)

摘要论文从美海军一系列的舰载信息系统集成研发项目中梳理出公共计算与服务环境的发展脉络。文章提出了公共计算与服务环境的组成,分析了其技术特征,并指出“公共化”是其核心的发展趋势。以舰船作战系统为例,文章分析了采用公共计算与服务环境进行系统集成产生的变化。最后,文章给出了应用公共计算与服务环境的启示并展望其前景。

关键词公共计算与服务环境; 基础设施; 公共化

Class NumberTP311.523

1引言

2008年,美海军决定取消DDG1000的后续建造计划,在建造完目前已拨款的三艘舰之后,转而恢复建造DDG51级驱逐舰,但会对其上的一些系统、设备,甚至整体布局、人员编制等情况进行改进和升级,形成全新的DDG51 Ⅲ型、IV型舰[1]。尽管DDG1000计划已终止,但通过研究、挖掘现有的公开资料情况来看,作为其关键技术之一的全舰计算环境(Total Ship Computing Environment,TSCE)不但不会就此消亡,它所代表的舰载信息系统集成发展方向——公共计算与服务环境(Common Computing and Services Environment,CCSE),反而还会随着新技术、新理念、新应用的出现和发展而不断演变,并逐步向前推进,从而达到新的发展高峰。

2公共计算与服务环境的发展历程

自20世纪末以来,为了满足舰艇装备新型号研制和旧型号改装中的舰载信息系统集成等需求,美海军先后针对不同的装备型号开展了一系列的舰载信息系统集成研发项目,从这些项目的实施过程可以梳理出公共计算与服务环境的发展脉络。

1) SSDS Mk2(舰艇自防御系统)

舰艇自防御系统(Ship Self-Defense System,SSDS)是美海军首个基于开放式体系结构计算环境(Open Architecture Computing Environment,OACE)开发的系统,强调信息化网络环境的建设和商用成熟技术的应用,将各种传感器、防御武备及指挥控制中心联为一体,综合使用硬杀伤武器和软杀伤电子战设备摧毁来袭目标,提高了舰艇的早期预警能力和导弹拦截能力,为舰艇提供分层的自动化的快速防空反应。

图1　基于OACE的SSDS软件分层结构[2]

SSDS具有快速反应交战能力(Quick Reaction Combat Capability,QRCC),新的传感器、武器子系统模块可以方便地加入到SSDS系统中,而不用考虑传感器与武器的点对点互联细节。

2) DDG1000 TSCE(全舰计算环境)

TSCE是近年来美海军提出的一种先进舰载信息系统集成技术,是DDG1000驱逐舰的十大关键技术之一,其基于开放式体系结构(Open Architecture,OA),充分利用先进的商用计算机处理能力、分布式软件架构,以“即插即用”的方式集成各设备功能,为全舰应用提供一个开放、通用、标准的运行集成环境,使C4ISR、交战、平台、航空以及岸基保障等系统实现了前所未有的集成,有效提高了全舰信息共享程度,增强了系统的鲁棒性和可靠性,极大强化了舰载系统的综合效能和生命力。

TSCE致力实现舰上作战、平台、通信等全部网络信息的集成,形成一个分布、开放、统一、可扩展、可重构、存活能力强的计算及显示环境,从而解决互操作和信息共享等问题,最终达到跨平台、跨领域的协同作战能力(图2)。

图2　DDG1000的全舰计算环境

TSCE是一个分布于全舰范围的开放式系统,将舰上所有战时和非战时的操作集成到一个公共全局的计算环境之中,同时扩展了许多岸上作业,包括维护、后勤及训练功能等,其技术架构如图3所示。在TSCE中,TSCE-I(全舰计算环境基础设施)是为全舰任务应用提供服务的计算硬件和公共软件,可形成一个开放的虚拟化计算环境,所有计算资源统一调度管理,为其他领域的应用提供服务,所有应用软件分布在这个虚拟化计算环境中。

图3　全舰计算环境技术架构[3]

3) DDG51 AMOD(宙斯盾现代化)

美海军在决定停建DDG1000、重启再造DDG51级驱逐舰的同时,也在实施一项针对现役“提康德罗加”级和DDG51级“宙斯盾”舰的软/硬件现代化改装计划,即AMOD计划[4]。该计划采用OACE将“宙斯盾”作战系统的软件和硬件分开实施。洛·马公司选择使用商用数据分发服务(Data Distribution Service,DDS)技术,为“宙斯盾”各子系统的联合提供整体通讯框架,包括:雷达、武器、显示器和指控部分。它基于标准、可任意扩展,这使“宙斯盾”系统具备了一个重要的优势,就是在未来的技术更新中可快速添加或升级新的功能。

图4　基于OACE的AMOD结构层次

4) LCS MPCE(任务包计算环境)

任务包计算环境(Mission Package Computing Environment,MPCE)采用通用动力公司的开放式计算体系(OPEN CI),为濒海战斗舰(Littoral Combat Ship,LCS)的三个任务包(水雷战、水面战和反潜战)的操作提供监控接口。MPCE与作战管理系统组成统一网络来支持任务的规划、执行和分析。其中,水雷战任务包包括了诺·格公司的机载激光水雷探测系统和“侦察兵”无人机等,该系统由8个TEU ISO标准的货运集装箱作为保障。

图5　濒海战斗舰的MPCE定义图[5]

5) CANES(综合海上网络和企业服务)

综合海上网络和企业服务(Consolidated Afloat Networks and Enterprise Services,CANES)旨在减少舰上服务器等硬件的数量,将现有的舰载网络硬件转变为集中式的、可管控的处理模式,通过创建一种单一的公共网络系统来代替先前多种分散式的C4I网络系统。CANES的关键技术包括通用计算环境(Common Computing Environment,CCE)、基于面向服务体系结构(Service Oriented Architecture,SOA)的海上核心服务(Afloat Core Services,ACS)和跨域解决方案(Cross-Domain Solutions,CDS)。

其中,CCE能有效地利用“虚拟化软件”技术将舰载网络硬件、机架、服务器和通信媒介等整合到公共网络核心中,以取代相似的硬件独立的操作,从而实现硬件基础设施的虚拟化管理,并创建一个统一的计算环境。

图6　CANES的SOA核心服务架构

图7　CANES的公共计算环境(CCE)[6]

通过对上述项目进行研究、对比后不难发现,无论是SSDS Mk2、TSCE和AMOD所采用的OACE,还是MPCE,抑或是CANES的CCE,致力于创建一个统一的公共计算与服务环境是其共同特征。公共计算与服务环境是正在发展中的先进系统集成模式,代表着美海军舰载信息系统集成的发展趋势和方向

3公共计算与服务环境的组成和特征

公共计算与服务环境由基础设施和各种领域应用组成。公共计算与服务环境基础设施包括网络设备、计算设备、存储设备、显示设备、操控设备等硬件设备以及一组核心、通用的基础软件。这些软硬件采用商用成熟技术和工业标准,构建成为一个开放体系架构的计算环境,为作战系统各种计算任务的执行,为传感器、指控、武器、保障等领域应用提供服务。

领域应用包括传感器管理、作战指挥、通信管理、武器管理、无人平台控制等,开发、部署、运行在公共计算与服务环境基础设施之上。

公共计算与服务环境具有以下特征:

1) 硬件资源集中部署,统一管理。在上述项目中,都将网络设备、计算设备、存储设备、显示设备、通信设备等硬件作为开放的、公共的“资源”,进行统一管理和部署,从而发挥整体优势。例如,TSCE采用电子模块化集装箱(Electronic Modular Enclosures,EME)将IBM刀片服务器机柜以及控制、自动化、导航、内部通信系统等处理及存储配套设施进行集中封装,全舰冗余布置。MPCE采用10或20英尺的标准化保障集装箱(Support Container,SC)来对任务系统设备进行集中安装,见图5。CANES的刀片服务器等设施则通过舱室集中的方式进行放置。

2) 软件统一架构。除了硬件集中部署外,这些项目还对软件进行了规范和统一架构,形成了一组核心、通用的基础软件,这些软件分布在虚拟化的计算环境中,与硬件资源结合在一起进行统一调度管理,为其他应用组件和功能领域提供服务。例如,TSCE积极推进软件的构件化和复用化,并借助于中间件技术,将各种舰载系统的专用应用程序、专用应用程序请求服务和公共服务等以中间件的形式封装,且与底层计算机、操作系统和网络基础设施之间相互分离,见图3。这些应用程序能在具有OA特性的各种计算机系统之间进行移植,且具有无限的可扩展性。CANES的ACS在虚拟化硬件资源之上开发了一种SOA架构(图6),这种架构能够创建一种可升级的服务交互分层模型[7],将现有烟囱式系统的传统应用分解、转换为面向用户、数据的可复用式公共服务和应用,通过采用标准化的接口,系统可以调用这些公共服务,从而满足不断变化的作战需求。

3) 采用OA设计理念和商用成熟技术,将舰载基础硬件以及基础软件构成统一的集成化公共计算与服务环境,支持功能领域应用在该环境中的运行,实现舰上任务系统的综合集成。例如,在TSCE项目中,TSCE-I包括各种硬件设备和通用的基础软件,这些软硬件采用主流商用成熟技术,构建成为一个基于OA的开放式、虚拟化的公共计算与服务环境,为系统的各种领域应用提供服务,见图3。TSCE的这种一体化体系结构,有利于实现系统内部信息的交互共享和互操作,还为各组件提供了一个“即插即用”的环境,以便简单、快速地对系统进行扩展和螺旋式升级。在CANES项目中,基于OA和面向服务的设计理念,利用标准化的网络基础设施和通用化的机柜体系结构创建了一个统一的公共计算环境——CCE(图7),并通过企业服务为作战和管理应用软件提供“托管服务”,为C4I应用提供了运行与集成的平台,同时,通过开放通用的接口,支持各应用系统调用公共服务。MPCE采用了大量的商用成熟技术,任务包应用和集成软件运行在这些硬件设备之上,形成了基于OA的公共计算基础设施,为舰艇提供了任务模块的控制接口,见图5。

可见,公共计算与服务环境已成为美海军舰艇装备信息化建设的发展趋势。此外,通过对比不难发现另外一条规律,与TSCE相比,较晚启动的CANES项目有以下不同之处:由于采用了硬件虚拟化、SOA架构、云计算、CDS等新兴智能技术和成熟技术,从而实现了硬件的虚拟化管理和作战应用软件的“托管”,创建了统一的公共计算与服务环境,并解决了不同密级信息在同一网络基础设施中的传输等网络安全问题[8]。由此不难看出,在舰载公共计算与服务环境的向前发展演变过程中,将不断地吸纳和融入新兴的先进技术和先进理念(如OA、SOA、云计算等),再加上作战需求和项目定位的不断变化,从OACE/TSCE,到MPCE,再到CCE,舰载公共计算与服务环境的内涵和外延一直都在向前演变着,且其应用对象灵活多变,可适用于不同的任务系统;部署范围不断扩展,几乎覆盖了绝大部分的主战舰艇装备平台。因此,可以预见,当新一波信息和网络等技术出现和逐渐成熟之时,舰载计算环境又将发生新的变化,取得新的突破,但“公共化”应该是其不变的发展趋势。

4公共计算与服务环境的应用分析

以舰船作战系统为例,采用公共计算与服务环境进行作战系统的集成与传统“分系统”集成方式相比,将发生较大变化:

1) 作战系统利用公共计算与服务环境的开放性、可移植性、跨平台等特点,实现领域应用与基础设施的分离,软件与硬件的解耦,提高系统灵活性和互操作能力。

2) 公共计算与服务环境基础设施采用统一技术体制和商用货架产品,便于软硬件的升级和更新,便于新技术的快速引入,便于装备的保障和维护,有助于缩短系统研制周期,降低全寿期成本,尽快满足海军对装备建设的需求。

3) 领域应用可以灵活部署,作战系统的可伸缩性强,满足不同规模和级别舰艇的需求,可促进作战系统的系列化发展。

4) 可以实现资源重用和应用迁移,一个节点失效,它的任务可通过其他节点执行,可以有效防止单点失效,从而保证各项任务的正常执行,局部损坏的情况下,仍能保持较高的战斗能力,从而提高了系统的可用性和高抗毁性。

5结语

从公共计算与服务环境的发展历程中折射出美国海军现在的装备发展思路已经发生了很大变化:第一,不再象冷战时期那样一味追求舰船的高性能,而是强调装备在作战体系中能够发挥的作用;第二,在方案论证中强调折衷选择,不一定非要选用最先进的技术;第三,经济可承受性成为决定采办的重要因素,特别是强调全寿命期费用,宁可在论证、建造阶段多花钱,也必须节约使用和维护费用。第四,装备发展紧紧围绕战略调整,满足未来作战需求,无论技术是否成熟、研制周期有多长,如果不满足上述条件,立即削减和废除。

通过对舰载公共计算与服务环境的研究,可以得出如下启示,以供借鉴:

1) CCSE的核心部分定义了21世纪水面舰艇的全部计算特征,将全部平台、作战和C4ISR功能集成于公共的基础设施之上,创建了一个集中式的公共计算与服务环境,从而达到较高层次的跨领域系统集成,实现真正的数据共享、资源共用、互联互通和互操作。

2) 在CCSE的体系结构实现中广泛采用OA战略和商用成熟技术。

3) 为控制风险、稳步推进,采用螺旋式推进、逐步扩展的方式,分阶段逐步集成各个子模块的功能,最终形成完整的一体化CCSE架构。

4) 计算环境的“公共化”是未来舰载信息系统集成的发展方向,将会对新型舰艇的研制、现役舰艇的改换装,乃至整个舰艇装备的未来发展产生深远的影响。

尽管DDG1000项目已终止,但TSCE所代表的舰载信息系统集成发展发向——公共计算与服务环境,不但没有因此受到任何不良影响,反而还在继续向前演进,势头不减反增。展望未来,在作战需求的灵活牵引下,随着新兴先进技术和先进理念的不断涌现及发展,公共计算与服务环境的内涵和外延都将不停向前演变,不断地突破以适应新的变化。

参 考 文 献

[1] 米イージス艦——その近代化計画と将来構想.「世界の艦船」,2010(10).

[2] Ship Self-Defense System (SSDS): A Combat Management System for When Seconds Count//www.raytheon.com.

[3] 董晓明,冯浩,石朝明,等.全舰计算环境体系结构和系统集成框架[J].中国舰船研究,2014,9(1):9-13.

DONG Xiaoming, FENG Hao, SHI Chaoming, et al. Ship Computing Environment System Architecture and System Integration Framework[J]. Chinese Journal of Ship Research,2014,9(1):9-13.

[4] Aegis Open Architecture. Lockheed Martin MS2,2006.

[5] LCS Overview. PEO LCS,2012.

[6] CANES Contracting Strategies for Full Deployment. Rand National Defense Research Institute,2012.

[7] Service Oriented Architecture in Support of the Consolidated Afloat Network and Enterprise Services (CANES) Program. SPAWAR,2013.

[8] Cross Domain Solution (CDS) Prototype in Support of the Consolidated Afloat Networks and Enterprise Services (CANES) Program. SPAWAR,2012.

收稿日期:2016年1月13日,修回日期:2016年2月20日

作者简介:马永龙,男,硕士,工程师,研究方向:舰船电子信息系统。陶伟,男,博士,高级工程师,研究方向:舰船作战系统。谢红胜,男,博士,高级工程师,研究方向:舰船作战系统。

中图分类号TP311.523

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.024

Overview of Common Computing and Services Environment

MA Yonglong1TAO Wei2XIE Hongsheng2

(1. No.1 Canglong North Road, Wuhan430205)(2. China Ship Development and Design Center, Wuhan430064)

AbstractFrom the U.S. navy series of information system integration and development projects, this paper teases out the phylogeny of common computing and services environment (CCSE). To be more specific,this paper brings forward components of CCSE, analyses technical characteristics of CCSE, and points out that “going public” is the development trend of the core. This paper also analyzes the changes in ship combat system integration based on CCSE. Finally, the article presents the apocalypse to apply CCSE and prospects its future.

Key Wordscommon computing and services environment, CCSE infrastructure, going public