外军架构框架发展趋势分析

刘俊先　罗爱民　罗雪山　姜志平

架构一词是对英文“architecture”的翻译,最初来源于建筑业,表示建筑物本身的样式、风格以及建造建筑物的艺术与科学等,也称体系结构.计算机和信息系统出现后,人们借鉴其思想,将“架构”一词引入到计算机软硬件、信息系统及系统工程等领域,提出了计算机架构、系统架构等概念.1990年,IEEE STD 610.12把架构定义为“系统或其组成部分的组织结构”[1].1995年,美国国防部集成架构专家组在IEEE STD 610.12的基础上,将架构定义为“各组成单元的结构、它们之间的关系以及制约它们设计和随时间演进的原则和指南.”2000年,IEEE STD 1471-2000对架构定义又进行了修改,认为“架构是描述系统组成单元的基本结构、它们之间、它们与环境之间的关系,以及指导系统设计与扩展的原则”[2].目前,无论是军事领域还是民用领域,架构越来越受到重视,架构设计方法成为复杂信息系统和复杂体系设计的重要方法.

1　外军主要架构框架的发展

美军颁布的架构框架版本最多,架构框架应用最普及,由此获得的效益也最大.目前美军已经正式颁布了5个版本的架构框架.在信息管理技术架构框架TAFIM的基础上,美国国防部于1996年和1997年先后推出C4ISR架构框架1.0版和2.0版[3].随着架构框架应用的不断扩展,信息技术的不断发展,美国防部在C4ISR架构框架的基础上,先后于2004年、2007年和2009年颁布了国防部架构框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)1.0版、1.5版和2.0版[4−6].

为实现网络使能计划,有效提高控制武器、平台、传感器和作战人员之间复杂关系的能力,以及使它们之间实现最佳协同,使任何可能的脆弱性降至最低,英国国防部在美军DoDAF 1.0的基础上,结合自身的特点,提出了英国国防部架构框架.2005年8月31日,英国国防部架构框架项目评审委员会批准发布《英国国防部架构框架》(Ministry of Defence Architecture Framework,MoDAF)1.0版[7],由 13份文件组成,提出了6个视点、38个视图,并提供了5类用户手册.需要说明的是,MoDAF中的视点对应于DoDAF的视图,而MoDAF的视图则对应于DoDAF的产品和模型.为了更好地支持国防部的工作流程和生命周期,实现“网络使能能力”[8],英国国防部于2007年4月和2008年9月相继公布了MoDAF 1.1版和1.2版.它们采用7个视点,更加强调战略和采办视点,更加突出面向服务和以数据为中心的特点,以更好地指导架构开发.

多国联合作战要求将多个系统集成在一起,北约在系统集成中面临系统之间难以实现互操作,运行速度慢,集成成本高以及灵活性差等问题.为解决这些问题,提高欧洲盟军司令部与大西洋盟军司令部之间以及北约各成员国之间C3系统的互操作,北约开始规范其架构设计方法,并制定架构框架.2000年11月,北约C3委员会通过了《北约C3系统架构框架》1.0版,规范了开发C3系统架构的指导原则,描述了北约C3系统顶层架构、参考架构和目标架构的开发和批准过程.为完善架构开发方法,2002年开始开发北约C3系统架构框架2.0版,并于2004年8月正式发布.随着应用的不断推广,针对2.0版表现的规范性不强、缺少元模型、组件复用率低等问题,北约C3委员会第二附属委员会责成互操作计划与政策工作组设立了北约架构框架修订联合机构.该机构在各国成功案例的基础上,开发北约架构框架(NATO Architectural Framework,NAF)3.0版[9],并将架构框架的范围扩展到C3系统以外的所有领域.该框架于2007年11月正式发布.

2　外军主要架构框架间的关系

美军、英军和北约的各个版本的架构框架及包含的主要视图/视点以及相互之间的联系如图1所示.从中可以看出,各个架构框架之间关系紧密,美军、英军和北约的架构框架发展是互相影响、互相促进的.具体表现在:

1)DoDAF 1.0在C4ISR AF 2.0基础上发展而来,适用范围从C4ISR系统领域扩大到整个美国防部;

图1　美军、英军和北约架构框架版本间的关系

2)MoDAF 1.0是在DoDAF 1.0基础上发展而来,在MoDAF中采用视点来对应DoDAF中的视图,首次提出了战略和采办两个视点,并把DoDAF中的技术标准视图对应到技术视点.战略视点的引入是为了突出能力管理者关心的内容,采办视点则是为了强调采办管理者关心的问题.2007年发布的MoDAF 1.1与DoDAF 1.0相比有了显著变化,提出了战略、逻辑和物理架构的分类;

3)与MoDAF 1.1几乎同时发布的DoDAF 1.5适应美军网络中心战和网络中心行动的要求,提出网络中心架构的概念,采用面向服务的思想,把系统视图改变为系统与服务视图,系统视图产品也做了相应的修改;

4)稍晚于DoDAF 1.5和MoDAF 1.1发布的NAF3.0是对北约于2004年发布的面向C3系统的架构框架的升级版,且适用范围进行了扩展,不再局限于C3系统.从视图组成上看有两个显著的变化:一是借鉴MoDAF 1.0的战略与采办视点和MoDAF 1.1的战略、逻辑、物理三层架构,添加了能力视图和项目视图到框架中,能力视图在战略视点描述内容基础上进行了扩展,项目视图则对采办视点的内容进行了改进;二是首次提出面向服务视图,对服务分类、定义、编排和行为等进行描述;

5)在 NAF 3.0的基础上,2008年发布的MoDAF 1.2也引入了面向服务视点,以采用SOA技术和面向服务思想来设计军事领域的架构,有效支持英军提出的网络赋能能力(NEC)的战略;后续的MoDAF 1.2.000～MoDAF 1.2.004版本主要对MoDAF元模型M3(MoDAF Meta Model)及相应视图做了修改完善;

6)2009年发布的NAF 3.1对NAF 3.0的视图组成作了小的修改,并升级NAF元模型(NAF Meta Model,NMM),与MoDAF 1.2.003版本的元模型M3达成一致;

7)与NAF 3.1几乎同一时间发布的DoDAF 2.0在DoDAF 1.0基础上做了比较大的改动,把视图改为视点,引入了能力、数据与信息、项目、服务等视点;

8)2016年底,北约公开了NAF 4.0(草案),初步实现了MoDAF和NAF的合并.

3　外军架构框架视图发展分析

3.1　技术发展推动服务视图、面向服务视图的出现

1)服务思想的最早体现—DoDAF1.5的系统与服务视图

DoDAF针对网络中心战需要,首先在DoDAF 1.5中将原先的系统视图改为系统与服务视图,仍简记为SV.SV描述系统、服务及其内部连接,以支持或提供DoD功能.在DoDAF 1.5中,服务通常指基于服务技术的软件组件,如Web服务、服务接口、基于Web的应用等,也包括支持服务运行的服务化基础设施相关软件,如负责服务的注册、发现、消息、管理、安保等系列软件.面向服务的思想更多体现在系统实现层面或组成系统的软件层面.

2)面向服务架构对架构框架的影响—NAF面向服务视图的出现

在MoDAF 1.1基础上,北约开发了NAF 3.0,并希望其成为网络赋能能力(NEC)的使能器.为达到这一目的,北约对MoDAF在两方面做了扩展:a)面向服务架构;b)带宽和频率(扩充系统视图以更好的优化使用通信资源).由于北约的军事力量是其成员国提供的,因此,在一个特定任务中,了解每个成员国能够提供什么能力,如何协作这些能力达成最优军事效果就显得极其重要.这时候服务就扮演了一个关键角色:首先将每个成员国的能力建模成服务,然后通过编排组合服务形成新的能力.这就需要体系结构技术来辅助完成这些工作,包括通过体系结构描述服务、描述如何将服务组合成需要的能力并在行动达到期望的效果.这里的服务不仅仅是通常软件领域的Web服务,任何能够交付期望输出的事物都可以打包成服务.

为了更好地使用可行的服务,规划人员需要一种简洁明确的方式来了解哪些服务是可用的、服务能够达到什么水平、服务能干什么、它们如何交互、服务提供哪些接口.企业架构看来是解决这些问题的关键,因此,北约架构框架定义了一组视图来设计服务,包括服务分类、服务描述、服务组合、服务编排、服务行为等.这些视图形成了服务视点,与能力、作战、系统、技术等视点一起,共同支撑架构设计.

3)面向服务视图的影响

NAF 3.0面向服务视图的提出陆续影响到MoDAF框架视点的变化,2007年的MoDAF 1.2也添加了面向服务视点,美国防部在DoDAF 2.0中明确提出服务视点.

在DoDAF 2.0中,服务不再定位于系统组成的一部分或组成系统的要素,而是与系统、人员和组织一起,作为一类执行者(performer)要素.服务不仅仅指软件服务,也包括业务服务,如搜索救援服务、情报保障服务等.业务服务是一种允许访问一项或一组能力的机制(在DoDAF中指执行者),访问是通过预定义接口实现的,并遵循服务描述中的约束条件.所访问的能力是指资源,包括信息、数据、设备、其他执行者等.

DoDAF 2.0中服务视点和NAF 3.0、MoDAF 1.2中的面向服务视点是有区别的.面向服务视点以实现SOA架构为目标,描述从业务到技术等多个层次的服务.服务视点同样支持描述实现面向服务企业、面向服务架构和面向服务基础设施的方案,但是在描述中考虑了遗留系统的使用问题,也就是DoDAF 2.0认为不可能完全抛弃遗留系统来实现面向服务的框架,这是一个比MoDAF 1.2和NAF 3.0的面向服务视点更加合理的地方.

3.2　管理和应用需求带动能力视图、项目视图等的出现

英国国防部在实施NEC过程中,为将现有的能力集成为内聚的体系,需要从整体上规划能力的发展演化途径,建立能力与作战系统和装备之间的关系.为此,英军在MoDAF1.0中提出了战略视点.战略视点支持根据国防部战略意图分析和优化可投送的军事能力的全过程.战略视点支持捕获战略政策和概念,并将其分解成一个能力体系,描述能力之间的关系,提出效能指标以用于能力审计或能力差/重叠分析.以战略视点的能力设计为基础,开展作战、系统、技术等视点的视图设计.基于战略视点以及其他视点的视图,规划管理部门可以开展能力设计和管理.与战略视点的提出类似,为了落实架构设计,开展体系建设和管理,需要基于架构开展国防采办活动,为此MoDAF提出了采办视点,以描述采办项目的相关信息、相互关系及里程碑节点等内容.

MoDAF 1.0的做法也影响到NAF 3.0和DoDAF 2.0.NAF 3.0借鉴MoDAF的做法,提出了能力视图和项目视图,其中能力视图与战略视点的地位类似,项目视图则与采办视点大同小异.DoDAF 2.0也借鉴了这一做法,采用与NAF相同的方式添加了能力视图和项目视图.

4　外军架构框架元模型发展

4.1　美军架构框架的元模型发展—从CADM到DM2

核心体系结构数据模型(Core Architecture Data Model,CADM)[14]在1997年作为架构数据的逻辑数据模型发布,在1998年为适应C4ISR AF 2.0.1的需求而进行了更新.作为一种逻辑数据模型,最早的CADM 提供了组织架构信息的概念视图,它识别并定义了架构数据元素的数据实体、属性及相互关系.1998年以后CADM不断演化,后来提供了数据库实现所需的数据类型、域值等内容,也就是提供了物理数据模型.这样CADM 作为物理数据模型就可以替代数据库设计,能够用于自动生成数据库.

CADM 1.01随DoDAF 1.0在2003年8月发布.DoDAF 1.0在C4ISR AF2.0基础上对视图和产品进行了重新组织和更新,并把架构框架的应用范围拓展到DoD的所有领域.CADM 1.5作为DoDAF 1.5的一部分随DoDAF 1.5在2007年4月发布而进行了预发布.CADM 1.5与之前的版本保持兼容,添加了网络中心化的相关元素,遵循CADM 1.02/1.03建立的数据集能够准确、完全地用CADM 1.5的概念进行表述.在DoDAF 2.0中,CADM 被DM2(DoDAF Meta-model)[6]所取代.DM2的数据概念能够促进用户理解体系结构文档中数据的使用.

CADM的主要组成要素包括:

7.成果以专业论文形式出版，用以相近专业之间的交流及借鉴，所有培养方案编制成校本教材及指导手册，供学员之间学习使用。

1)核心(Core):需要开发、校验、维护的架构信息的最本质要素,这些要素应该在关注架构目标(如互操作性、投资优化等)实现的相关人员或部门中进行共享.

2)架构数据(Architecture data):架构产品及相关分析工具的可能组成部分,以一种严格的定义来描述这些部分及它们的属性、特征、相互关系.

3)数据模型(Data model):数据模型定义领域对象及它们之间的关系、对象的属性,通常用于数据库设计.CADM包括了概念、逻辑和物理3个层面的数据模型.概念模型用用户熟悉的术语对概念进行建模.逻辑模型更加形式化,侧重考虑唯一的数据表示.物理模型对数据库实现必须的信息进行建模.

数据可视化是用图形或文本方式表示架构数据以支持决策分析的一种方式.架构产品是一种用户友好的表示关心数据的方式.不管采用哪些产品来描述架构,用户所关注的数据是一致的.

CADM 用IDEF1X(后来采用UML)以及从关系数据库导出的XML Schema进行定义.DM2采用了IDEAS组织的本体作为其基础,分为概念数据模型、逻辑数据模型和物理交换规范3部分.概念数据模型对架构描述中的高层数据结构体进行定义,各个层次的管理人员能够理解架构描述的数据基础.逻辑数据模型在概念数据模型的基础上添加一些技术信息,如属性、需要明晰的关系等.物理交换规范在逻辑数据模型基础上添加数据类型和实现时需要的属性(如来源、时间等),并生成XSD文件.

4.2　英军和北约架构框架元模型—从M3、NMM到MODEM

英军在制定MoDAF1.0时,没有采用DoDAF的CADM,而是按照统一建模和标准化的思路,着眼于与民用领域架构的集成,采用OMG的标准,提出了MoDAF的元模型M3.北约在NAF 3.0中也借用了M3,提出了NAF元模型NMM;在MoDAF和NAF各个版本的发展中,M3和NMM互相促进、借用和融合.2012年,英军和北约为了推出NAF 4.0,基于MoDAF 1.2.004和NAF 3.1中的元模型,基于本体论方法提出MODEM(MoDAF Ontological Data Exchange Mechanism)[7].

随着军事领域架构框架的统一化,架构框架元模型也向着形成一个统一的模型发展,图2是DoDAF和北约架构框架元模型利用国际国防企业架构规范(International Defence Enterprise Architecture Speci fi cation,IDEAS)[14]进行集成统一的思路.

图2　军事架构框架元模型统一思路

5　外军架构框架统一化的趋势

统一框架成为未来的发展趋势.2016年,北约和英军将MoDAF 1.2与NAF 3.1合并为NAF 4.0[15],建立了统一的架构框架,以克服原先不同国家和组织采用不同架构框架给顶层设计与集成应用带来的一系列问题.

MoDAF和NAF视点合并情况如表1所示.

所有产品分别归入如下7个类别.

1)分类或本体(classi fi cation/ontology):能力、服务等概念的分类.

2)结构(structure):企业、节点、资源等要素是如何组织的.

3)连接性(connectivity):涵盖从能力依赖关系到系统的连接关系.

4)行为(behavior):从3个方面描述事物如何工作.一是活动,描述过程(process)流及分解关系;二是状态(state),描述可能的状态转换;三是序列(sequence),描述事物以何种顺序进行交互.

5)信息(information):遇到哪些数据或信息,它们如何组织.

6)约束(constraints):治理或控制企业、节点和资源等要素的规则.

7)计划(programme):影响架构要素的项目的时间线和里程碑节点.

NAF 4.0采用统一的视点和视图来集成MoDAF、NAF,采用统一的视图编号建立新的框架网格,并明确与原有架构框架模型的映射关系[13].具体如图3所示.为了处理实际组织和战场能力等概念,这个框架网格引入了部署层,描述人员、装备等资源.考虑到MODEM描述了更多相关细节,因此,在后续NAF版本中,可能引入新的部署视图.为了描述与AV-1相关的多样化信息以及传统技术标准视图的内容,框架网格还引入了架构层.未来NAF 4.0还计划与DoDAF、DNDAF(加拿大国防部架构框架)集成,形成统一架构框架UAF 1.0,从而实现军事领域架构框架标准化,具体思路如图4所示.

6　结论

军事领域架构框架向着统一化的方向发展,架构框架的元模型是支持架构成果共享和应用的基础,同样逐步集成统一.不同架构框架的视图大部分相类似,根据各国家和组织需求的不同有所变化,但总的来讲只要架构框架元模型统一了,视点和视图可以根据领域需要进行定制,并不影响使用效果.未来随着赛博-物理-社会体系的发展,物联网、互联网、能源互联网等都进一步融合集成,架构框架必然向着更宏观、更高层、更统一的军民融合方向发展.

表1　MoDAF和NAF视点合并情况

图4　UAF 1.0构建思路

1 IEEE standard glossary of software engineering terminology:IEEE STD 610.12:1990[S/OL].(2016-11-22)[2018-03-14].http://www.mit.jyu. fi/OPE/kurssit/TIES462/Materiaalit/IEEE SoftwareEngGlossary.pdf.

2 Recommendedpracticeforarchitecturaldescription of software-intensive systems:IEEE STD 1471:2000[S/OL].(2005-09-16)[2018-03-14].http://cabibbo.dia.uniroma3.it/ids/altrui/ieee1471.pdf.

3 C4ISR Architecture Framework Working Group.C4ISR architecture framework version 2.0[R/OL].(2003-03-12)[2018-03-14].https://www.afcea.org/education/courses/archfwk2.pdf.

4 DoDArchitectureFrameworkWorkingGroup.DOD architectureframeworkversion1.0[R/OL].(2014-11-18)[2018-03-14].http://www.acqnotes.com/Attachments/DoDAF_v1_VolumeI.pdf.

5 DoDArchitectureFrameworkWorkingGroup.DOD architectureframeworkversion1.5[R/OL].(2012-03-16)[2018-03-14].http://dodcio.defense.gov/Portals/0/Documents/DODAF/DoDAFVolumeI.pdf.

6 DoD Architecture Framework Working Group.DOD Architecture framework version 2.0[R/OL].(2009-06-17)[2018-03-14].http://jitc.fhu.disa.mil/jitcdri/pdfs/dodafv2v2.pdf.

7 Ministry of Defence.MOD architecture framework[R/OL].(2012-12-12)[2018-03-14].http://www.gov.uk/guidance/mod-architecture-framework.

8 Ministry of Defence.Understanding network enabled capability[R/OL].(2012-11-09)[2018-03-15].http://webarchive.nationalarchives.gov.uk/20121109144053/http://www.mod.uk/NR/rdonlyres/F40663B6-F2D2-4058-A1EBB843559BCCB5/0/1926NEC.pdf.

9 NATO.NATO architecture framework v3[R/OL].(2013-01-23)[2018-03-14].http://www.silverbulletinc.com/dm2/File_Browser_2/data/ fi les/Socialization%20and%20Pilots/NATO%20-%20Intl%20-%20Coalition/NAF/AC322(SC_1-WG_1)N(2007)0004_NAFv3_Ann3_APP08.pdf.

10 CJCSI 3170.01I.Joint capabilities integration and development system(JCIDS)[R/OL].(2015-01-23)[2018-03-15].http://www.jcs.mil/Portals/36/Documents/Library/Instructions/3170_01a.pdf?ver=2016-02-05-175022-720.

11 CJCS.Manualfortheoperationofthejointcapabilitiesintegrationanddevelopmentsystem[R/OL].(2017-03-03)[2018-03-15].https://www.dau.mil/training/Documents/JCIDS%20Primer,%20revised%2022%20Feb%202017.pdf.

12 DoDD 5000.01.The defense acquisition system[R/OL].(2003-05-12)[2018-03-15].https://fas.org/irp/doddir/dod/i5000_02.pdf.exff2005_05/ap233/dodaf/dodaf.pdf.

13 DODOSJTF.AbriefintroductiontotheDoDAF CADM-AP233mappings[R/OL].(2006-12-03)[2018-03-14].http://homepages.nildram.co.uk/esukpc20/

14 IDEAS Group.The international defence enterprise architecturespeci fi cation[R/OL].(2009-04-24)[2018-03-15].http://www.ideasgroup.org/7Documents/.

15 NATO.NATO architecture framework v4.0 documentation(draft)[R/OL].(2013-01-23)[2018-03-14].http://nafdocs.org/.