军事信息系统体系结构及其相关技术研究发展综述∗

杨双泽 赵有华 朱 丹 向春钢

（陆军工程大学 重庆 400035）

1 引言

美军近几场局部战争以及网络中心战等概念的提出，世界各国军队都认识到推进军事信息系统一体化建设，实现军事信息系统之间互联互通互操作的重要性和必要性。而体系结构作为军事信息系统的顶层设计，是军事信息系统集成建设的关键所在，21 世纪以来，世界各国在参考美国国防部体系结构（DODAF）的基础上纷纷提出了相应的体系结构框架并不断改进，学术界和工业界也对体系结构展开了大量的研究。该文针对军事信息系统体系结构领域研究的热点问题，梳理了国内外近年来的研究情况，主要从军事信息系统体系结构框架、体系结构设计方法与开发工具、体系结构验证以及面向服务架构（Service-Oriented Architecture，SOA）相关研究进行分析和概括，希望为体系结构研究提供思路和借鉴。

2 体系结构框架

海湾战争后，美军逐渐认识到推进C4ISR 系统一体化建设，实现军事信息系统互联互操作是取得未来一体化联合作战胜利的关键所在，开始着手研究和制定体系结构框架和标准规范，于1996年6月推出了C4ISR 体系结构框架的第一个版本，即C4ISRAFv1.0，提出采用作战体系结构视图（OV）、技术体系结构视图（TV）、系统体系结构视图（SV）来描述体系结构。后又于1997 年12 月颁布C4IS⁃RAFv2.0 版本，对上述三个视图进行了扩充，对视图产品的定义、模板和使用等进行了详细描述，相比于v1.0，这一版本有了更加全面的通用指南和参考资源。在随后的发展中，美国国防部意识到数据的重要性，提出采用基于数据仓库的方法设计，并将体系结构框架的应用范围拓展至所有联合能力域（JCA），于2003 年8 月，颁布了DODAF1.0，该框架定义了全视图、作战视图、系统视图和技术标准视图共26 种产品。随着面向服务架构的兴起，为打破军种间的壁垒，实现各军种信息系统的一体化集成建设，2007 年4 月，美国国防部颁布了DODAF1.5 作为过渡版本，初步引入网络中心化和服务的概念，原系统视图更改为系统与服务视图，视图产品扩展为29 种。2009 年8 月颁布DoDAFv2.0 版本，提出了“以数据为中心”的思想，并基于IDEAS 规范颁布了国防部元数据模型（DM2），定义了8 种视图，共52 个产品。2010 年10月颁布的DODAF2.02，对国防部元模型（DM2）进行了部分条目的修改，形成了具备数学意义的DM2。2012 年1 月颁布DoDAFv2.03 版本，主要是使用OWL（Web Ontology Language）描述国防部元数据模型（DM2）。2013 年，参考加拿大国防部体系结构，增加了安全视图，形成DoDAF/DNDAFv2.04，2014 年，将北约体系结构框架NAF、英国国防部体系结构MODAF 进行整合，研究制定了国防部体系结构统一框架UAFv2.05。美国国防部体系结构DoDAF 经过20 余年的发展，已成为目前最成熟和完善的体系结构框架。其大致发展历程如图1所示。

图1 美国国防部体系结构DODAF演进路线

世界多国和组织在美军的影响下，参考美国国防部体系结构DoDAF，开发和制定了符合本国实际的体系结构框架［1］。例如，挪威陆军司令部于1999 年发布的MACCIS（Minimal architecture for CCIS）。澳大利亚颁布的澳大利亚体系结构框架DAF。英国国防部于2005 年8 月颁布的英国国防部体系结构（MoDAF）1.0 版，其最新版本MoDAFv1.2于2008年9月发布。除此之外，北约在美军的影响下，其体系结构也取得了长足的发展。自2000 年11 月北约C3 委员会在其第11 次会议上通过了《北约C3 系统体系结构框架》（NC3SAF）1.0版以来，经过20 年的发展，其最新版本NAFv4.0 已于2019年10月正式发布。

我国同样十分重视体系结构的研究，长期以来，我国始终紧跟国际学术前沿，于“十五”期间开展了体系结构方面的专项研究，取得了一些理论成果。如，2004 年制定的军事综合电子信息系统体系结构框架1.0 版，该框架与DODAF1.0 基本类似，采用经典的三视图方法来描述体系结构，但在表现形式和产品内容上进行了改进，使其更加符合我军体制编制、组织结构特点。2011 年又以国家军用标准GJB的形式发布了《军事电子信息系统体系结构设计指南》［2］。这些理论成果对于促进我军军事信息系统综合集成和一体化建设，提升军事信息系统设计质量具有重要意义。

3 体系结构设计方法与开发工具

3.1 体系结构设计方法

当前美国国防部体系结构框架DODAF2.0 只给出了各类视图产品的描述方法、开发思想和总体步骤等，但没有指定具体的开发方法和开发工具。在DODAF1.0 颁布前后，面向过程的开发方法和面向对象的开方法是主要的开发方法。随着DODAF2.0 能力视角的引入，“以数据为中心”开发思想的提出，以及国防部元模型DM2 的完善，基于能力的开发方法与基于元模型的开发方法也被相继提出。此外，还有基于活动的开发方法与面向服务的开发方法等。

面向过程［3］是一种基础的开发方法，是最为实际的一种思考方式，它将系统视为一系列过程的集合体，以系统业务流程、执行的活动等动态行为为依据，采取从上往下，逐步求精的方式来描述系统的全貌。特别适用于对一些流程清晰、规模较小、结构简单的系统的构造。但在大型系统设计与开发的过程中则存在一定的局限性，主要是由于面向过程的方法并不注重识别系统对象的边界，容易造成概念混淆，引起系统开发人员和用户的理解偏差。并且基于面向过程开发的系统各模块是紧密耦合的，会造成系统的重用性和可扩展性较差。功能建模方法IDEF0、信息建模方法IDEF1、数据建模方法IDEF1X以及过程获取描述方法IDEF3等均是典型的面向过程的结构化分析方法，在分析许多实际问题中起到了极佳的效果。很多学者在系统开发与设计中都利用上述方法对其进行建模［4～6］。

面向对象的开发方法［7］源自软件工程领域，是软件开发的成熟方法。该方法通过从现实世界客观存在的事物来认识问题域和构造系统，非常贴近人的思维方式。面向对象所具备的封装性、继承性、多态性等特性使得系统具有较高的灵活性、重用性与可拓展性，因此特别适用于构建复杂度高、规模大的系统。统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）是面向对象系统开发的主流方法，它定义良好、表达清晰、功能强大且普遍适用，受到多数学者的青睐。与此同时，DODAF 本体文件也提及了UML 方法对其部分视图产品的支持。文献［8～10］在构建DODAF 视图产品中均用到了UML的模型。

基于活动的开发方法［11～12］，是由美国MITRE公司和洛克希德·马丁公司于2004 年联合提出的。该方法以活动、作战节点、角色、信息、系统功能、系统节点、系统和数据8 个实体为核心，并以与其相关的体系结构产品为设计主线来生成其他体系结构产品。是一种“以数据为中心”的结构化开发方法。文献［13］基于作战节点、信息、活动等核心实体及其之间关系，提出了一种以活动为中心的开发过程。文献［14］采取基于活动的方法对反导作战体系遂行主动防御作战任务时所执行的相关活动进行了分析，并以此分析得出其原型系统的逻辑连接关系，验证了此方法的实用性。文献［15］提出了一种支持复杂系统可靠性分析与设计的框架，通过系统建模语言（SysML）将部分描述动态行为的视图模型转化为基于BPMN 的业务流程模型，实现了复杂系统建模与仿真的集成。

为了适应美国安全战略从“基于威胁”向“基于能力”的转变，美国国防部在其DODAF2.0 版本中正式引入能力视图，基于能力的方法也因此被提出。国内外围绕基于能力的开发方法也展开了大量的研究，文献［16］针对“能力”这一术语概念不清晰、定义不一致的问题，借鉴DODAF2.0 中关于“能力”的定义和描述，给出了对多视角下军事能力的概念定义及能力概念间的关系说明。文献［17］分析了DODAF2.0 中能力视图的构成及其与其他视图的关系，提出了基于能力的结构化分析方法和过程，并进行了应用研究。

基于元模型的体系结构设计指以规范的体系结构元模型为基础，以其所表达的体系结构高层概念间关系作为指导和约束获取体系结构数据、构建体系结构模型的过程［18］。该方法是随着DODAF2.0数据元模型DM2 的完善和“以数据为中心”的开发思想逐渐成熟而提出的。文献［19］根据需求对DM2进行了剪裁，提出了一种基于语义元模型的建模方法，利用类、关系、属性和实例建立四元组的本体描述框架对作战视图、系统视图和能力视图进行了描述。并结合实例验证了方法的可行性。文献［20］利用DM2 对全视图、作战视图、能力视图和系统视图中多个模型进行了裁取，并利用DM2 对所构建的岸舰导弹武器装备体系结构进行了完备性与一致性的验证。

面向服务的方法是随着SOA 架构的兴起以及服务视图的引入而提出的，由于涉及内容较广，此部分内容在下节进行阐述。

需要注意的是，各类体系结构框架没有限定具体的开发方法，许多开发人员和学者在实际建模过程中常常将多种方法结合起来使用，并取得较好地效果。但需要考虑各类方法的边界，比如，基于活动、基于能力、面向服务三种开发方法是从不同设计切入点来进行划分的；面向过程与面向对象是从认识论的角度来进行划分的。按照抽象的层次，可将以上几种方法按照图2 所示组织起来。一般地，位于下层的方法能够为位于上层的方法提供支持，而位于同一层次的方法同时使用则会为体系开发过程带来困扰。而基于元模型的体系结构开方法本质是“以数据为中心”的开发方法，其位于该层次结构的最底层，可以为其他方法提供很好的支持，理论上不会与其他方法相矛盾。

图2 体系结构开发方法分层模型

3.2 体系结构开发工具

随着体系结构研究的深入，越来越多的体系结构开发工具应运而生。当前，市场上使用较为广泛的体系结构开发工具包括System Architect、Enter⁃prise Architect、MagicDraw等等。

System Architect 是IBM 公司开发的体系结构建模工具，它集需求获取、系统建模、验证分析为一体，可很好地支持DODAF、TOGAF、MODAF 等在内的多种框架的开发。

Enterprise Architect 是Sparx Systems 公司推出的CASE工具，全面支持UML2.0，它功能强大、界面友好、并提供系统开发整个过程的追踪功能，能很好地支撑系统开发的全过程。

MagicDraw是由No Magic公司基于Java开发的UML 建模和面向对象系统分析设计工具。该工具提供对SysML/UML/UAF 语言的全面支持，采用基于模型的协同设计，实现模型元素追溯，便于变更管理及影响分析。

文献［21］针对DODAF 开发过程的繁琐性和DODAF 视图模型产品的复杂性，为了提高产品开发效率和成功率，基于4 项主准则15 项次准则，利用多准则决策方法对当前市面上主流的DODAF开发工具如Enterprise Architect，MagicDraw，MEGA Suite 和System Architect 进行了分析和评估，认为System Architect 是当前最适用的DODAF 开发工具。

4 面向服务架构在体系结构中的应用研究

随着技术的发展，面向服务架构（Service Ori⁃ented Architecture，SOA）以其松耦合、可复用、可组合等优势为长期以来美军C4ISR 系统紧耦合、系统异构等造成的互联互通困难等问题提供了解决思路，美军DoDAFv2.0、英军MoDAFv1.2、北约NAFv3.0，都纷纷在以前版本基础上增加了服务视图，把SOA 应用于体系结构开发中，体现了面向服务架构在体系结构领域的应用，面向服务的开发方法也被提出。在这些研究当中，主要的研究内容包括服务视图的构建与描述方法、服务视图的动态验证、服务识别与生成流程等。

在服务视图构建与描述方面，国防科技大学罗雪山团队［22～25］在此方面做了相关研究，提出了服务视图产品描述方法，并将其引入体系结构进行模型构建，建立了服务视图与作战视图、系统视图等的联系，以及将服务视图转换为可执行模型进行验证与分析，很好地展现了服务视图应用于体系结构设计的优越性。文献［26］针对当前体系结构的相关研究中缺乏指导面向服务架构SOA 的开发和设计的有效框架和过程，提出了一种基于TOGAF 与DODAF 相结合的企业架构描述框架与设计方法。文献［27］认为DODAF2.0 服务视图中的SvcV-5 模型是连接作战视点和服务视点的关键模型，提出一种基于服务识别的SvcV-5 的半自动优化设计方法，通过实验验证了此方法能够有效提升SvcV-5的设计质量。

在服务识别与生成流程方面，文献［28］从体系架构的角度，提出了一种适用于C4ISR 系统的服务部署模型，以执行时间、所需资源最小化和操作可靠性最大化为目标构建服务质量优势度函数，并采用免疫遗传算法（IGA）获取最优解。文献［29］引入k-clique 社团检测算法用于挖掘体系中的服务，为武器装备体系架构的服务识别提供了参考。针对当前缺乏对架构设计过程中服务相关数据的优化设计研究，文献［30］分析了服务的元模型，获取了服务视图的相关数据及其与作战视图相关数据的关系，提出了一种基于作战活动的服务生成流程。

5 体系结构验证方法

体系结构验证是体系结构开发阶段的重要工作，是体系结构质量的重要保障。其任务主要是检查体系结构设计的正确性，确保所设计的体系结构能够满足系统各项功能性与非功能性需求［31］。体系结构视图产品样类繁多，关系复杂，且都是静态的，虽然有描述系统动态行为的视图产品，但其中包含大量内容和信息，对其动态行为的验证必然是复杂且困难的。因此，将体系结构产品通过一定的规则转化为可执行模型，通过模拟仿真验证系统动态行为是当前体系结构验证的热点和趋势，文献［32］详细介绍了马尔科夫链、Petri 网、系统动力学模型、图论和网络分析模型等常见模型构建DODAF 可执行框架的过程、所必须的信息、适用的场景以及通过这些可执行模型能够获取的信息等，为体系结构开发先期验证提供了一个灵活的框架。目前大多数体系结构验证方法是基于Petri网、系统动力学、Extendsim 以及xUML 等进行转换的方法。表1 对常用的体系结构验证方法进行了比较分析。

表1 常用体系结构验证方法比较分析

Petri网是一种用于描述离散的、分布式系统的数学建模工具，它能形象地描述和分析系统资源的同步、并发、冲突等行为特征。国内外学者将部分描述体系结构动态行为的视图产品转换成多种不同的Petri网模型，如着色Petri网［33］（CPN），对象Pe⁃tri 网［34］（OPN），分层泛化Petri 网［35］（HGPN）、层次着色Petri 网［36］（HCPN）等，对体系结构动态行为如逻辑运行规则、状态变迁、资源竞争及冲突死锁等方面进行了验证，取得了较好地效果。

Extendsim 是由美国Imagine That 公司开发的通用仿真平台，是一种可以对离散事件系统和连续系统进行仿真的仿真软件，采用模块化结构和多层次模型结构，具有较高的灵活性和可扩展性，稳定性强，并具有良好的统计功能和图形输出功能。广泛应用于军事、工业、交通等多个领域。文献［37］以Extendsim 仿真工具作为可执行模型的运行环境，并以情报侦察系统为研究实例，分析了此方法作为体系结构动态分析的可行性。文献［38］基于ExtendTM 仿真环境对联合作战时敏目标打击任务进行了研究，并提出了ExtendTM与OPNET连接的概念模型。

xUML 是对象管理组织（Object Management Group，OMG）指定的模型驱动架构（Model Driving Architecture，MDA）建模方法之一。xUML 是UML的一个子集，它去除了UML 当中的弱语义部分，并添加了精确定义的动作语义，xUML 通过这些精确的动作语义来描述系统中对象之间的交互和行为，使之变为了可执行的模型。文献［39～40］基于xUML，开发了DoDAFv2.0可执行体系结构。

6 结语

该文对体系结构研究的几个热点问题进行了梳理和总结，可以看到，当前体系结构框架已基本趋于成熟，自2009 年DODAF2.0 颁布以后，体系结构框架的变化在其后续版本大多是细枝末节的改动，现有的研究基本上也是基于DODAF2.0 版本进行的。体系结构开发方法和开发工具也能达到实用的程度，并在实际开发中获得了广泛的应用。而体系结构验证方法还需要深入研究，这是因为当前的大多数验证方法都是基于“转换”的验证方法，其设计与验证是相分离的，存在一定的“转换”风险，不能完全确保模型转换的一致性。除此之外，由于DODAF2.0 没有详述服务视图的构建与描述方法，且由于军用体系结构与商用企业体系结构之间差异的存在，致使军用面向服务系统构建无法完全照搬商用模式。因此，面向服务的体系架构、体系结构设计与验证一体化仍将是未来体系结构研究的热点问题。