基于云架构的天基信息应用服务系统设计

2018-11-26胡金晖仇林遥

中国电子科学研究院学报 2018年5期

柳罡，陆洲，胡金晖，仇林遥，周彬

(1.中国电子科学研究院，北京 100041；2. 中电科新型智慧城市研究院有限公司，深圳 518033)

0 引言

我国现拥有各类在轨卫星一百多颗，涵盖了资源、环境、海洋、陆地、气象、测绘、水文、通信中继、导航定位等领域。已经建成初具规模的天基信息获取网、天基信息通信网、时空基准网和航天地面应用系统。但目前基本采用的是“单星单系统”的体制，不同类型的天基系统之间尚未组网，存在资源使用效率相对较低、数据共享困难、信息支援不及时等问题，制约了整个天基信息系统资源效能的发挥。亟需利用技术手段建立统一的体系服务架构，实现系统的互联互通、资源的按需聚合和服务。云计算系统以其良好的可扩展性、高可靠性和高可用性，可为提升空间信息服务系统的服务能力提供了强大的技术支撑。在云计算中，软件和硬件都被抽象化为资源形态，并且封装成服务形式对外提供服务，不论终端是哪一种设备，都可以透过网络以即需即取的方式获取服务，而无须关注其内部结构及运行模式[1]。云计算技术的出现为空间信息服务的实现提供了一种新的技术架构构建思路。

1 天基信息服务发展现状及问题

在天基信息服务方面，美国保持全面领先，其天基信息服务能力得益于顶层的规划整合以及强大网络能力支撑，形成了面向任务、按需调配、全球服务的天基信息应用服务体系，例如典型的全球信息栅格(Global Information Grid，GIG)[2]、国防情报信息体系(Defense Intelligence Information Enterprise，DI2E)。另一方面，随着大数据、云计算等新技术的发展，网络服务与信息服务正融为一体，进而实现了信息有效的流动、共享和融合，提供了按需定制、个性化以及快速响应的服务能力，典型的如美军的分布式通用地面系统(Distributed Common Ground/Surface System，DCGS)[3]、美地球观测地面网等。

我国经过几十年的建设发展，初步建立了以部门专业应用为主要目标的天基信息获取、传输、处理和应用系统,如高分对地观测系统、气象、海洋、资源观测系统等[4-5]，积累了海量的信息资源，但这些系统分布于不同的地区，分别隶属于不同的管理机构，信息格式异构，共享困难，利用率较低。而且存在开发平台各异，缺少统一的规范的问题，即使用户获得了天基数据，也因缺少相应的高性能计算资源和信息处理算法而难以得到高效的应用。

2 天基信息应用服务系统建设思路

(1)整合天基信息异构资源，发挥天基信息系统整体优势。

面对广域分布、复杂异构、功能多样的天基信息资源，天基信息应用服务体系要通过天地一体化信息网络将各种资源实现无缝链接[6]，消除信息孤岛，充分利用云计算、大数据技术，对异构系统进行集成，整合各类异构资源，发挥天基信息系统的整体优势，为用户提供增值服务。

(2)实现服务资源按需共享与协同，提高天基信息服务效率。

采用分布式云数据中心的理念[7]，通过资源虚拟整合和服务封装的方式，把分散在不同地理位置的天基信息资源映射成一个具有标准接口的服务集合[8]，采用资源虚拟化及中间件技术，屏蔽底层资源的异构性和分布性，通过统一的资源管理、服务发布、信息交互等方式，实现各种服务资源的按需共享[9]。通过主动服务、个性化服务、服务内容定制、服务模式组合等多种方式[10]，使用户获得权限内满足个性化需求的多类服务资源，实现服务资源的共享与协同。

(3)增强系统的动态性和开放性，实现天基信息服务资源的即插即用。

天基信息应用服务体系要能提供统一的用户管理、界面管理、资源管理、流程管理等，使用户方便地通过门户节点或者终端请求、访问和应用权限内的服务，通过统一的界面标准、服务接口标准、信息交互标准等，服务资源可以方便的接入、移出和应用，在服务资源和对象发生损毁时，可以随时增补，增强系统的动态性和开放性，实现服务资源的即插即用，适应未来资源和用户的动态变化。

3 基于云架构的天基信息应用服务系统总体设计

天基信息应用服务系统针对天基信息资源充分共享和高效综合利用的问题，利用云计算、大数据、网络资源虚拟化等新技术，整合异构的天基信息资源，构建分布式的天基信息应用服务云平台，将天基信息系统的信息资源、网络资源、计算资源虚拟化，支撑资源全局虚拟整合、软件灵活重组、弹性动态扩展，实现天基信息资源统一管理和信息共享服务。

3.1 能力视图

面向不同的用户，天基信息应用服务体系需要提供不同的能力。面向资源提供者，需提供资源接入与分配管理支持；面向系统管理者，需提供用户、信息服务和其它各类资源的运行维护与安全防护支持；面向信息服务的使用者，需提供信息按需服务、系统快速构建、数据综合利用支持。天基信息应用服务体系能力划分如图1所示。

图1 能力视图

其中，异构网络资源管理能力支持异构网络资源调配、自适应网络资源管理、多维网络资源协同规划等能力，实现天基网络资源有效共享与高效服务。

资源随遇接入能力能够支持陆地观测卫星、海洋观测卫星、气象卫星、成像卫星等卫星资源以及各类情报、信息处理系统和用户终端的无缝接入。

资源按需共享能力支持在网络环境下通过信息服务机制，为用户提供天基信息服务所需的物理计算与存储资源、数据资源、软件资源、信息资源，实现网络化的资源汇集与跨域共享。

信息融合处理能力支持电子探测信息融合、电子信号与通信信号信息融合、各类成像信息融合、电子信号与成像信息融合等多类型情报的融合，以及目标关联、影像产品关联、知识数据关联、地理定位关联等情报关联挖掘。

系统快速重建能力支持在无设施无软件的条件下，借助自组织资源和系统模板快速创建可运行的应用系统；支持资源不足条件下，快速调度并补充资源；支持在软件、硬件设施故障和损毁的条件下，灵活的定位故障、发现并调度替代资源，实现任务快速接替。

大规模计算与存储能力支持实现海量结构化、半结构化、非结构化数据、环境、电磁、人文地理等数据的建模、收集、存储、分析、挖掘，支持离线和实时分布式存储与计算，为实现陆海空天数据的组织管理与深入解析奠定基础。

运维与安防能力支持通过制定统一的运维和安全策略，集成、应用相应的运维/安保手段，为各类信息资源提供多级安全保障和运行监控支持。

时空统一能力支持建立与保持自主时间参考标准和空间参考标准，为陆、海、空、天用户提供标准时间频率和定位导航服务，达到保证应用场景全局态势一致性、实施联合行动及提升联合行动效能的目的。

3.2 系统视图

3.2.1 系统结构

基于分布式云数据中心的设计理念，构建如图2所示的天基信息应用服务系统，形成“天基信息应用服务云系统”实现天地一体的网络资源统一管理和天基信息融合共享；采用按需随遇接入的应用终端，向各类用户提供各类空间信息产品和服务。

在基础设施方面，通过SDN技术将分散的服务节点连接成“物理分布，逻辑统一”的分布式云平台，通过总控中心和服务节点的资源虚拟化，为求者提供透明、自适应的最优化资源利用、调度和全方位管理，实现各信息港自治基础上的虚拟整合、协同服务、灵活扩展、互为备份、容灾抗毁。

在资源共享方面，用户能够借助天基信息应用服务系统提供的资源接口和人机交互界面，提交资源需求，按权按需共享各自的信息产品、模型算法等资源。此外，针对用户特殊需求，提供天基信息产品在线定制服务，满足不同用户、不同区域、不同行业、不同专题的多元化、深层次产品和服务的应用。

在综合应用方面，依托海量数据共享，借助数据云服务平台提供的机器学习、统计分析等数据分析挖掘模型和分布式计算资源，承载各类数据的处理和应用，用户可扩展自身计算能力和分析能力，构建、训练跨领域融合的综合应用模型，实施海量数据的清洗、分析、挖掘，从而创新行业应用，推动天基信息产品在重大行业的公开共享和快速增值。

3.2.2 系统组成

天基信息应用服务云平台包括主要包括云基础设施、数据存储与管理系统、数据处理分析系统、全局支撑服务系统、业务应用服务系统、安全保密系统、运维管理系统和网络与通信服务系统组成，如图3所示。

图2 系统结构

图3 天基信息应用服务云平台组成示意图

(1) 云基础设施系统

云基础设施系统主要依托存储、计算、网络、天线等物理设备，通过云计算平台，整合形成统一资源池，实现网络化计算与存储环境的统一管理，提供弹性计算服务、云存储服务等对外服务能力，为各类服务资源、数据资源的共享提供基础环境支撑。

(2) 数据存储管理系统

数据存储与管理处理系统是管理和维护各种数据库的平台，通过建立信息产品索引数据仓库，形成统一的、多主体、多时空、多尺度的标准及专题信息分布式存储体系，并提供长期、灵活、快速的分析工具支撑和保障，实现对数据分析计算任务的快速个性化支持。

(3) 数据处理分析系统

面向空、天、地、电各类信息，根据数据的不同类型，完成各类数据的通用基础处理，形成符合要求的标准数据产品，为后续行业和综合应用提供基础数据支撑。同时，根据军民用户的专业化产品需求，对基础数据进行深层次专业化处理，形成满足用户需要的专题产品。

(4) 全局支撑服务系统

全局支撑服务系统是支撑天基信息应用服务网络化构建和运行的底层软件，通过支持资源的服务化封装、发布注册、按需检索、状态监视以及分配调度，使分布在网络上的各类资源能够以服务化的方式组织和共享，实现资源使用者与资源提供者之间的解耦。

(5) 业务应用服务系统

面向军事领域，主要提供情报处理、军事测绘、气象水文、电子对抗专业处理、预警探测等业务的应用软件；面向民用领域，主要提供政务、农业、国土资源、环保交通等业务的应用软件；形成一系列专业共性处理功能和二次开发扩展接口，具备各类业务应用的灵活扩展能力；提供服务接口，方便最终用户使用，并可按照业务需求拓展研制更多应用。

(6) 安全保密系统

安全保密系统旨在从物理层安全、系统层安全、网络层安全、应用层安全、安全管理5个层次为天基信息应用服务系统提供全方位的、整体的安全防护体系。为资源层、服务层及应用层提供统一的安全保密手段，保障系统的数据信息安全，有效保证作战信息的收集、处理、传输、分发过程的安全可靠。

(7) 运维管理系统

运维管理系统是保证天基信息应用服务系统正常运行的后台支撑与管理系统，主要通过对系统内的IT资源实行全天候、全方位的集中管理和实时监控，准确掌握设备和应用服务系统的运行和使用状况，最大化地减少故障，提升服务运行的可靠性、可用性和连续性。

(8) 网络与通信服务系统

依托天基信息应用服务云平台，网络与通信服务系统为不同用户按需分配网络资源，提供卫星固定通信、卫星移动通信、卫星互联网服务、卫星广播服务等传统服务以及卫星专网、系统集成等综合服务。