美军“雾计算”概念发展分析及展望

姜福涛，黄学军

（1.中国人民解放军92768 部队，广东 汕头 515800； 2.国防科技大学电子对抗学院，安徽 合肥 213700）

0 引言

“雾计算”是美军战术云概念的延伸和拓展。为提高应对大国竞争能力，美军始终寻求将云计算技术运用到战术层面，企图通过算力优势，支持其分布式作战。随着研究的深入，逐步将研究重心转移到对前沿战术级作战单元（包括单兵、分队、班组等，简称战术单元，下同）的战场支援能力建设上。美军认为，在与对手对抗时，必将面临无连接、时断时续和低带宽环境，所以要为每个战术单元提供云赋能技术，保证能在无链接情况下处理关键数据，实现在战术前沿为战术单元提供信息服务。

目前，美军将战术云服务分为2 种模式，即有中心模式和无中心模式。“雾计算”概念属于无中心模式。在这种模式下，战术单元使用的移动通信设备可以自组织形成网络，通过WiFi、蜂窝通信、射频等方法将数据与周边人员共享。作战人员不需要访问战区服务器即可实现通信和情报共享。从系统结构来看，“雾计算”属于战术薄云的拓展节点（如图1 所示）。目前，关于“雾计算”概念的相关项目处于初始阶段，鉴于“雾计算”属于云计算的拓展，本文根据美军云计算相关体系构架和“雾计算”的功能，对“雾计算”相关问题进行探究。

图1 美军战术云系统结构图

1 “雾计算”概念发展需求

信息化战场的一个显著特点是战场态势呈现“秒级”更迭，战术单元任务复杂度不断攀升，如果沿用传统的信息交互体系，则不可避免地存在感知周期长、获情权限高，以及在信息能力降级情况下无法正常遂行任务等情况。所以，体积小、质量轻、成本低的战术层信息交互设备，成为应对未来战争的首选。

一是实现各层级的互操作性，特别是端与端的互操作性，为任务式指挥提供体系支撑。美军认为当前使用的战场网络具有一定的等级性，不同等级拥有不同的权限，虽在纵向上能发挥高层云端的信息处理优势，但战术单元之间还缺乏互操作性。同时，现有的信息交互体系复杂度高，战场生存能力差，无法适应当前分布式、网络化、扁平化、自适应、自协同的作战需求。此外，设备、数据、服务的异源异构性，也造成了信息交互的迟滞。所以，要求开发一种能在局部的多个作战节点聚集数据，便于在信息交互不畅的战术条件下提供数据分析能力。还能满足战术单元在徒步、乘车和指挥所各种状态下，通过人工智能和数据分析增强态势感知能力。

二是摆脱传统技术和设施与高强度作战环境之间的冲突，做到对环境快速响应。目前美军没有统一的信息交互标准，还存在尝试用传统技术响应当前高端作战环境的情况。主要表现在设备尺寸、质量、功率不适用快速机动作战，尤其是有限的连通性制约群体交互优化的任务分配。所以要求利用新技术的数据和应用策略，使作战人员在有限的通信环境中以最佳的方式使用动态、智能的计算资源。开发新的软件工具，保证部队能快速更改配置管理文件，实现软件基础设施的稳健性和跨代适应性。能够利用新技术，实现不新增硬件前提下的跨密级网络互动。

三是通过无缝数据共享，加强基于局部云功能的协同调度和单兵战场作战能力。为适应未来作战，美军认为需要在各层级之间以及同层级的不同节点实现有效的数据共享。实现无缝数据共享，需要开发一种保障在空间上高度分散的作战节点在网络连接中断、无法从上级服务器获取数据时，还能保持同步的信息交互体系和技术解决方案。因此，要从数据的标签化入手，在数据被使用、修改和融合的情况下，能够依据数据系谱和初始态势，确保态势数据的连贯性。在此基础上，为适应不同作战环境，需要继续升级通用操作环境，降低信息环境降级对任务的影响。

2 “雾计算”发展目标

美军对未来战争的定义是：减少士兵的参与度，增加无人装备的参战比例。这一定义下，要求参战的各类设备具备强大的数据链接和共享功能，特别是在同一作战区域的设备，更需要通过实时协调应对不断变化的战场态势。从长远角度看，“雾计算”可以将云功能沉降到战术作战单元（如图2 所示），可以减轻上级指挥机构和顶层基础设施的负担，简化指挥机构技术要求和部署的硬件设施。

图2 雾计算体系结构示意图

2.1 降低战场信息跨域融合层级

通过“雾计算”促进战场数据链和抗干扰信息系统的升级，发展先进的战场信息网络及新型战场传感系统［1］。信息未降级时，可以在大数据、顶层云计算等信息网络技术支撑下，将广泛分布于陆海空天电各作战域的平台的感知信息进行融合，并按需分配到战术作战单元。在信息降级情况下，不同层级的设备，可以根据降级前态势，依托智能算法，预判相关作战区域的全局态势，同时可以就近形成局域的“微云”，实施分布式作战，实现全时段信息贡献和战场透明。也避免己方关键信息节点损毁后造成的体系瘫痪。总体设想是，通过采用“雾计算”，提高体系弹性，信息环境的恶化与个别节点的功能丧失并不会影响整个战场态势的分发、共享。

2.2 提高分布式作战力量效能

传统作战样式下，各军兵种作战力量一般按照平台类别编配，并依据编制序列优化组合。这种方式存在的固有壁垒现象极大阻碍了战场信息流的无障碍交互，加上等级权限的制约和人为的官僚化调度，很大程度上造成信息分布的不均衡，给战术单元带来额外的风险隐患。为解决这一问题，需要对现有的数据链和各类抗干扰终端进行系统升级，满足战术单元分散部署的要求，提高作战力量根据任务实时优化组合的能力。继承了“网络中心战”的信息优势，在“雾计算”等新技术支撑下，促使信息系统具备高度一体、跨域融合的特征。这种模式，不仅能够取得信息优势，还能促使其向火力分配、目标毁伤转化，缩短战术单元作战周期链。

2.3 单兵功能密度显著提高

未来作战，前沿作战对实时计算能力需求骤增，按照“模块多用，动态重构”的理念，基于单兵综合、设备综合、装备综合的思路，通过单兵作战协同化、信息交互数据化、指挥功能软件化，实现战术单元的自主按需重构。而实现上述功能，必须能将信息交互内容从单一的指控领域延拓到通信、导航领域，每一个节点从单一作战任务拓展到侦察、定位、判断、决策、指挥等任务，单兵功能密度显著提高。充分利用“雾计算”强大的端口服务功能，构建对应的计算服务体系，推动战场信息由传统的指挥所“垄断式”处理分发到“群智群策”式处理交互，并不断以高性能芯片、智能化算法等赋能提升“雾计算”效能。

3 “雾计算”支撑下的信息交互体系与关键技术

3.1 “雾计算”支撑下的信息交互体系

“雾计算”代表了一种新的云计算模式，它是在云边缘执行各种必需的计算，这种模式的优点在于带宽和组网压力小、成本更低、时延更短并且支持的接入更多［2］。但其根本架构大概率是云计算相关架构的延伸。需要明确的是，“雾计算”是一种算力革新，并不以实物形式存在。所以，分析“雾计算”的功能架构，可以从其支撑下的信息交互体系结构出发。根据美军战术云体系架构和SmartFog 项目的相关研究，可以归纳出“雾计算”支撑下的信息交互体系结构一般由主机、客户端和管理平台组成，如图3 所示。

图3 “雾计算”支撑下的信息交互体系结构（设想图）

“雾计算”支撑下的信息交互体系依托主机进行所覆盖战场区域的数据处理，可以配备在连排级战术单元的笔记本电脑或小型服务器。主要包括基于内核驱动的虚拟机（KVM）、服务数据库、基于“雾计算”理念运行的服务器以及广播服务（Avahi Daemon）。

单兵终端是可以运行通用型操作系统的可移动终端，例如安装安卓系统的智能手机，可以与主机系统通过蜂窝通信或临时搭设的网络进行链接，两者之间保持单跳距离。在单兵终端上安装一些用于数据处理的软件，能够通过作战区域内主机广播的信息，发现可以链接的局部网络，接入网络后可以与该区域的其他作战单元进行信息交互。单兵终端通过获取主机系统的IP 与作战区域服务器建立链接，根据具体访问的服务类别获取主机系统的对应数据，或根据战场态势调用主机系统的数据处理功能。同时，服务器可以为单兵终端在主机系统加载对应的虚拟机和账户数据。

3.2 关键技术

3.2.1 边缘存储技术

当战术单元位于作战区域时，需要的信息主要是与该区域有关的战场态势信息。例如，分队指挥员更想知道附近的友邻部队位置、敌方部署以及道路交通和保障资源等。所以在某个分队进入作战区域前，该区域的主机系统应根据分队的需求，把该分队高频次访问的内容下载到分队附近的“雾层（Fog Layer）”，并在本地进行优化计算，完成分队需求。“雾层”可以均衡带宽和缓存之间的冲突，缓解上级服务器的负担，降低域外通信传输量，减少传输延迟。从这一点可以看出，“雾层”具有高度智能化特征，能感知所服务的战场环境，推测即将进入服务部队的需求，并针对需求预先进行数据缓存，为实现部队访问和检索提供数据基础。

3.2.2 边缘计算技术

“雾计算”综合了云计算与边缘计算的优势，具有智能计算能力［3］。边缘计算主要是指战术单元所携带设备对所需态势数据的计算方法和过程，从包含关系来看，从属于“雾计算”。边缘计算意味着将数据处理推送到生成数据的网络边缘。任何边缘设备，如路由器、传感器或智能设备都可以进行边缘计算。每个设备在处理信息方面都有自己的角色，边缘计算可能没有与云或服务器的联系，并且可以作为独立机器存在。通常，边缘计算设备用于关闭的机器到机器（M2M）系统。边缘计算的典型功能包括：数据聚合，变性，过滤，数据擦除和异常检测。其目的是降低成本和延迟并控制网络带宽。

3.2.3 云雾协同技术

“雾计算”归根到底还是属于云计算的拓展，但在具体细节上略有区别，如表1 所示，也有人称之为“微云”“薄云”，基本架构和功能也是对战术云架构和功能的边缘化延伸。“雾计算”的实质是在传统战场网络关键节点部署“雾层”，在网络边缘形成一个“雾计算”平台，该平台支持数据分析和逻辑处理能力。而引入云雾协同技术，旨在实现“雾层”保障下的节点可以通过云端进行集中管理，简化本地的运维难度。此外，“雾层”的网关和云端网关对接，“雾层”可以将本地处理的数据上传至互联网进行高层次处理，弥补了“雾计算”在算力上的短板。但实现云雾协同，还需要精确数据分类，明确什么数据需要本级“雾层”处理，什么数据需要上级云计算处理。

表1 雾计算与云计算区别

4 启示与展望

边缘智能化信息交互系统建设是适应信息化战争的关键，也是提高分布式作战能力的“倍增器”。从“雾计算”的发展情况来看，虽然早在前几年提出了相关概念，但目前仍在完善和迭代发展中，在发展过程中，也存在一定的问题。无论是经验还是教训，都值得研究，加以展望。

4.1 信息化建设要围绕作战需求强化顶层设计

美军提出新作战概念、颁布新作战条令，都源于对未来作战的需求。“雾计算”沿用了“分析需求、设定目标—明确功能、设计架构—确定体制、统一标准—阶段推进、迭代优化”的基于需求的演化过程，体现了其一贯的战争设计思维。鉴于此，信息系统建设一要围绕未来任务型谱、战场环境、主要作战对象、主要威胁，以及当前的能力，研提新版概念和框架文件，指导宏观设计，构设信息系统的总体能力需求和顶层框架；二要细化需求论证流程，形成信息系统建设方案，指导信息系统建设的具体实施与应用，在方案中重点描述战术战役级建设方案、实施步骤和建设流程［4］；三要根据建设情况及时改进需求论证机制，摒弃“多径输入”的需求反馈机制，提高多样化需求的集中程度，建立统一标准下的能力需求论证机制。

4.2 信息化建设要按照统一标准促进系统跃迁

“雾计算”的目的是提高战场所有单元的综合集成度和作战互操作能力。未来战争战场信息系统采用分布式、横向交互的扁平化结构，即使是单兵也可以通过信息系统进行互联互通，提高自身的功能密度，通过提高单兵的战场价值弥补数量劣势，这就要求异源的信息系统具有同构性：一是信息系统建设要具有阶段性，前一阶段任务是通过统一技术体制、研制基础模块，解决“烟囱式”系统纵向层次过多、技术体制不同一等问题，并在横向上实现跨平台的互联互通。在第二阶段，各作战单元、要素通过统一网关、协议、端口等，实现按作战需求的实时组网和资源共享。二是信息系统建设要具有层面性，从能力、系统、作战、网络等多个层面进行构建，便于统一标准和相同功能的耦合融入，实现“以系统为中心”转向“以服务为中心”转变。三是信息系统建设要重视基础性，“雾计算”虽然是新概念，但也是对传统体系的革新和对基础设施的改造，所以信息系统建设要在已有系统基础上优化改进，包括通信、计算机、信息资源和信息处理平台等。

4.3 信息化建设要针对战术单元实现全域支撑

战术单元一般处于战场前沿，作战任务多样、力量部署分散、作战环境复杂、战场目标密集。为实现高度机动作战，战术作战单元的信息系统还要求体积小、质量轻但功能密度较高，“雾计算”正是这种需求的产物。“雾计算”的初衷就是支撑战术单元的全域作战：一是解决战场前沿信息中断问题，部署在前沿的部队不断处于运动中，面临的环境动态性强，加上双方干扰行动，信息传输能力有限，同时作战节奏造成战场网络性能波动，所以要构建适应前沿需求，具备动中通、高度弹性和敏捷性的战术网络和低层级的简化、独立移动网络，避免因大型战场网络中断造成战术单元各自为战。二是解决信息交互安全问题，实施全域作战，要求各模块之间无障碍沟通，这就涉及到信息安全问题，“雾计算”概念启发我们在系统构建中，必须建立一个能够阻止未授权节点访问信息的机制，通过这种机制，可以利用各种高速通信技术。三是解决战术单元设备生存能力问题，全域作战意味面临着全域威胁，因此要提高信息系统的战场耐用性以适应极端环境，尤其是系统的电源、通讯模块，在设计时要重视防护，要通过小型化和低功率化降低战场被侦获概率。

5 结束语

本文概要介绍了美军“雾计算”的产生背景、发展目标、体系结构，借鉴“雾计算”概念的核心理念，从系统鲁棒性、体系标准化和全域支撑力等方面对战术级信息系统发展提出了几点建议。但研究只能算冰山一角，信息系统的发展，仍有很大的探索空间，还需从理论体系、系统作战使用、新技术研发等方面做进一步研究，以期紧跟世界军事变革浪潮，实现从跟跑到领跑的跨越。■