云計(jì)算時(shí)代的作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)

卜淮原，曹琦，王文政

(后勤工程學(xué)院，重慶401311)

自20世紀(jì)90年代以來，Internet把人類帶進(jìn)了一個(gè)新的信息時(shí)代。信息時(shí)代最顯著的特征就是技術(shù)不停地飛速進(jìn)步，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期極短，站立在技術(shù)和市場(chǎng)潮頭的，總是一些創(chuàng)新能力強(qiáng)、技術(shù)實(shí)力雄厚的企業(yè)，他們不斷地推出新技術(shù)，促使信息時(shí)代日新月異。云計(jì)算是當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也必將成為軍事信息技術(shù)爭(zhēng)奪的制高點(diǎn)。

1 作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)必須走進(jìn)云計(jì)算

之所以說“云計(jì)算”會(huì)成為引領(lǐng)信息技術(shù)下一輪進(jìn)步的潮頭，原因主要有兩個(gè):

一是計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)發(fā)展舉步維艱。時(shí)至今日，硅片上半導(dǎo)體器件的集成度已經(jīng)接近提高的極限。隨著硅片上線路的密度越來越高，其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也會(huì)急劇增加，同時(shí)，對(duì)這樣高集成度的芯片，也不再可能進(jìn)行全面的性能測(cè)試;可以預(yù)見，當(dāng)芯片上線路的光刻寬度達(dá)到納米級(jí)時(shí)，硅片的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，最終會(huì)導(dǎo)致硅片上的半導(dǎo)體器件無法正常工作，著名的“摩爾定律”也就無奈地被徹底終結(jié)。另外，由于硅片集成度的提高會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，導(dǎo)致繼續(xù)對(duì)其投入人力和財(cái)力將變得得不償失。所以，計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高無法再依賴于硬件能力的提升，而不得不從軟件上尋求出路，也只有從軟件上才能找到出路。

二是當(dāng)今的人類社會(huì)已離不開計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。在信息資源爆炸性增長(zhǎng)和海量累積的今天，為什么會(huì)出現(xiàn)“信息危機(jī)”呢?原因并不在于信息的匱乏，而是在于很難從海量信息中有效地得到和使用所需要的信息，即信息能力需要提升。同時(shí)，任何政府、軍隊(duì)、組織、企業(yè)和個(gè)人都處在競(jìng)爭(zhēng)甚至對(duì)抗的環(huán)境中，單打獨(dú)斗的運(yùn)作模式逐漸被協(xié)同工作所取代，結(jié)成體系或伙伴是必然的選擇。處理協(xié)同聯(lián)盟關(guān)系、業(yè)務(wù)鏈上下游關(guān)系、友鄰關(guān)系、對(duì)手關(guān)系等許多復(fù)雜關(guān)系，使得溝通、處理、存取信息的能力成為生存、發(fā)展的必要條件。而信息能力必須依賴計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持。因此，提高網(wǎng)絡(luò)計(jì)算能力是增強(qiáng)信息能力的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

其實(shí)，“云計(jì)算”就是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，只不過是新型的大規(guī)模分布式并行網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。它更多地是從網(wǎng)絡(luò)軟件的角度提升計(jì)算能力，因此，“云計(jì)算”不僅是破解“摩爾定律”極限的有效途徑，也是解決“信息危機(jī)”的唯一出路。

如今，所有現(xiàn)代軍人都懂得“無網(wǎng)而不勝”的道理，作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)也早已步入了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。因此，如果說當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的“制高點(diǎn)”就是云計(jì)算的話，那么，作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)沒有理由不進(jìn)入云計(jì)算時(shí)代。

2 云計(jì)算服務(wù)模式對(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的影響分析

在云計(jì)算的概念中，有三種不同的服務(wù)模式(XaaS):基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)(1nfrastructure as a Service，IaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a Service，PaaS)、軟件即服務(wù)(Software as a Service，SaaS)。如果再按照發(fā)布服務(wù)的公開程度來看，又可以把云分為三類，即公有云(Public Cloud)、混合云(Hybrid Cloud)和私有云(Private Cloud)，私有云有時(shí)也稱企業(yè)云或者內(nèi)部云。

公有云和私有云的區(qū)別在于運(yùn)營和使用對(duì)象不同，公有云是指許多組織共用同一個(gè)服務(wù)運(yùn)營商提供的云平臺(tái)服務(wù)，私有云則是組織獨(dú)立使用、運(yùn)營自己的云平臺(tái)服務(wù)。它們?cè)诩夹g(shù)上并沒有本質(zhì)的差異，而混合云則混合使用公有云和私有云。

一個(gè)組織到底使用哪種云合適，要考慮這幾個(gè)因素:一是數(shù)據(jù)安全性。私有云審計(jì)能力可控，防止攻擊和防止泄密能力都較強(qiáng)，適合對(duì)數(shù)據(jù)安全性和隱私要求高的組織使用，公有云則反之。二是服務(wù)連續(xù)性。私有云受外界因素影響很小，適合對(duì)業(yè)務(wù)連續(xù)性高的組織使用，公有云則反之。三是綜合使用成本。從經(jīng)濟(jì)性角度看，公有云服務(wù)適合對(duì)計(jì)算資源(即計(jì)算機(jī)的配置)要求不高的中小型組織使用;而私有云則反之。

因此，就作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)而言，可將全軍性的公共信息網(wǎng)、教育訓(xùn)練網(wǎng)建成公有云，各軍兵種和各大單位可構(gòu)建混合云，各個(gè)試驗(yàn)基地、訓(xùn)練基地、院校、研究機(jī)構(gòu)則構(gòu)建自己的私有云。最終形成完整的云計(jì)算服務(wù)體系。這種云計(jì)算服務(wù)體系并不同于目前使用的軍網(wǎng)環(huán)境，按照云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡(luò)了，它從技術(shù)上改變了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)服務(wù)模式。

下面，簡(jiǎn)單分析一下云計(jì)算的三種新型服務(wù)模式(XaaS):

(1)基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)(IaaS)。服務(wù)機(jī)構(gòu)(運(yùn)營商)提供虛擬硬件資源，如虛擬主機(jī)/存儲(chǔ)/網(wǎng)絡(luò)/數(shù)據(jù)庫管理等資源。用戶無需購買服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備，只需通過網(wǎng)絡(luò)(如軍網(wǎng)或民用互聯(lián)網(wǎng))申請(qǐng)、審批、付費(fèi)(或租賃)即可搭建自己的應(yīng)用系統(tǒng)。服務(wù)機(jī)構(gòu)提供海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)計(jì)算、信息處理和查詢、消息傳遞等可靠、低成本的服務(wù)。

對(duì)于作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)來說，該服務(wù)類型可以有效避免硬件建設(shè)的重復(fù)投資，降低資源使用成本和推廣應(yīng)用“門檻”，從而促進(jìn)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的普及，它與云計(jì)算的軟件技術(shù)相結(jié)合，將把作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)這一高深的現(xiàn)代科技“平民化”。

(2)平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)。服務(wù)機(jī)構(gòu)(運(yùn)營商)提供應(yīng)用服務(wù)引擎，如網(wǎng)絡(luò)(互聯(lián)網(wǎng))應(yīng)用編程接口/運(yùn)行平臺(tái)等。用戶基于該應(yīng)用服務(wù)引擎，可以構(gòu)建該類應(yīng)用。

對(duì)于作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)來說，該服務(wù)類型適宜搭建全軍參與的實(shí)驗(yàn)體系。試想，如果上級(jí)機(jī)構(gòu)或技術(shù)實(shí)力很強(qiáng)的研究機(jī)構(gòu)能夠提供作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)引擎、模型構(gòu)建引擎、模型運(yùn)行引擎、平臺(tái)管理服務(wù)引擎、系統(tǒng)集成架構(gòu)與接口等標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，甚至一體化的解決方案和服務(wù)，那不僅會(huì)提高作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)質(zhì)量和應(yīng)用水平，而且會(huì)顯著提高全軍上下參與作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)建設(shè)的積極性，發(fā)揮更多人的聰明才智，且能從大大減少的重復(fù)研發(fā)中有效降低作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)成本。

(3)軟件即服務(wù)(SaaS)。用戶不必購買軟件，只需按需租用軟件，通過網(wǎng)絡(luò)(或Internet)來使用服務(wù)機(jī)構(gòu)(運(yùn)營商)提供的服務(wù)軟件。這類服務(wù)軟件不僅是通用型的，如報(bào)表制作、日程安排、文檔制作等，而且還會(huì)是支持協(xié)同工作的“在線”軟件。這就給軟件升級(jí)、維護(hù)和使用帶來了極大的便利和成本的降低。

對(duì)于作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)來說，該服務(wù)類型是統(tǒng)一技術(shù)體制，提高信息共享程度的極佳途徑;也是減少“煙囪”、“孤島”的有效手段。

綜上所述，云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)，其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)在于能夠提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)架構(gòu)資源、平臺(tái)和軟件三類服務(wù)，可快速搭建各類滿足作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需求的硬件環(huán)境，有效降低建設(shè)成本，提高資源利用和管理效率，符合綠色節(jié)能的科學(xué)發(fā)展理念;也能極大地提高作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的用戶參與度和應(yīng)用體驗(yàn)度，更能提升作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的建設(shè)質(zhì)量和效益。

3 云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)對(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的影響分析

云計(jì)算是以數(shù)據(jù)為中心的一種數(shù)據(jù)密集型的超級(jí)計(jì)算，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、編程模式、并發(fā)控制、系統(tǒng)管理等方面具有自身獨(dú)特的技術(shù)，主要包括虛擬化技術(shù)、海量分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理技術(shù)、并行編成模式、云計(jì)算平臺(tái)管理技術(shù)、多粒度和變粒度計(jì)算支持技術(shù)等。本文簡(jiǎn)要闡述云計(jì)算的虛擬化技術(shù)、分布式資源管理技術(shù)，以及并行編程模式對(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的影響和支持。

3.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是一種調(diào)配計(jì)算資源的方法，傳統(tǒng)的虛擬化技術(shù)是分離單獨(dú)使用的技術(shù)，如服務(wù)器虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、應(yīng)用虛擬化、客戶端虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化、CPU虛擬化、某種外設(shè)虛擬化等等。云計(jì)算的虛擬化技術(shù)不同于傳統(tǒng)的單一虛擬化，它是涵蓋整個(gè)IT架構(gòu)的，包括資源、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用和桌面在內(nèi)的全系統(tǒng)虛擬化。它的優(yōu)勢(shì)在于能夠把所有硬件設(shè)備、軟件應(yīng)用和數(shù)據(jù)隔離開來，打破硬件配置、軟件部署和數(shù)據(jù)分布的界限，實(shí)現(xiàn)IT架構(gòu)的動(dòng)態(tài)化，實(shí)現(xiàn)資源集中管理，使應(yīng)用能夠動(dòng)態(tài)地使用虛擬資源和物理資源，提高系統(tǒng)適應(yīng)需求和環(huán)境的能力。

對(duì)于作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)來說，云計(jì)算虛擬化技術(shù)的應(yīng)用意義并不僅僅在于提高資源利用率并降低IT成本，更大的意義是虛擬化技術(shù)所提供的強(qiáng)大計(jì)算能力。眾所周知，作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一種具有超大計(jì)算量的復(fù)雜系統(tǒng)，計(jì)算能力對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行效率、精度和可靠性影響很大，而虛擬化技術(shù)可以將大量分散的、沒有得到充分利用的計(jì)算能力，整合到計(jì)算高負(fù)荷的計(jì)算機(jī)或服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)資源統(tǒng)一調(diào)度使用，從而在存儲(chǔ)、傳輸、運(yùn)算等多個(gè)計(jì)算方面達(dá)到高效。

3.2 分布式資源管理技術(shù)

作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在大多數(shù)情況下會(huì)處在多節(jié)點(diǎn)并發(fā)執(zhí)行環(huán)境中，要保證系統(tǒng)狀態(tài)的正確性，必須依賴分布式資源管理系統(tǒng)。作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的狀態(tài)需要在多節(jié)點(diǎn)之間同步(比如多架戰(zhàn)機(jī)協(xié)同的攻擊行動(dòng))，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)需要遷移服務(wù)(作戰(zhàn)任務(wù))。分布式資源管理技術(shù)通過鎖機(jī)制來協(xié)調(diào)多任務(wù)對(duì)于資源的使用，從而能夠保證數(shù)據(jù)操作的一致性。

分布的一致性問題是分布式算法中的一個(gè)經(jīng)典問題，也是作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)常需要處理的問題。比如，在一個(gè)等待起飛的機(jī)群中，多臺(tái)戰(zhàn)機(jī)都向塔臺(tái)提出了要求起飛的請(qǐng)求，指揮所只能選中其中的一架飛機(jī)擔(dān)任首飛任務(wù)，當(dāng)這架飛機(jī)被選出來以后，所有其他的飛機(jī)都需要被通知到。表面上看，這個(gè)問題很非常容易解決。塔臺(tái)發(fā)布一道通知給所有的待飛戰(zhàn)機(jī)即可。但是在分布式系統(tǒng)中是不那么簡(jiǎn)單的，會(huì)有各種意想不到的問題發(fā)生，例如，塔臺(tái)電臺(tái)發(fā)生故障了怎么辦?所以，可能需要有不止一個(gè)備用的指揮所來共同實(shí)行指揮。還有，各架戰(zhàn)機(jī)提交起飛請(qǐng)求的時(shí)間都不一樣，網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)延遲，使得這些請(qǐng)求到達(dá)塔臺(tái)和其他備用指揮所的順序不一致。

為了分布的一致性問題，計(jì)算機(jī)界的很多公司和研究人員提出了各種各樣的協(xié)議，這些協(xié)議即是一些需要遵循的規(guī)則。也就是說，在云計(jì)算出現(xiàn)之前，解決分布的一致性問題是靠眾多協(xié)議的。但對(duì)于大規(guī)模、甚至超大規(guī)模的分布式系統(tǒng)來說，無法保證各個(gè)分系統(tǒng)、子系統(tǒng)都使用同樣的協(xié)議，也就無法保證分布的一致性問題得到解決。在作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，聯(lián)合作戰(zhàn)的軍兵種戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作協(xié)同問題尤其需要解決分布一致性問題。

云計(jì)算中的分布式資源管理技術(shù)圓滿解決了這一問題。其中Google公司的Chubby是最著名的分布式資源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了Chubby服務(wù)鎖機(jī)制，使得解決分布一致性問題的不再僅僅依賴一個(gè)協(xié)議或者是一個(gè)算法，而是有了一個(gè)統(tǒng)一的服務(wù)(service)。

3.3 并行編程模式

云計(jì)算采用MapReduce編程模式，它是Google公司發(fā)明的并行編程系統(tǒng)，同時(shí)，也是一種作業(yè)調(diào)度和資源映射模型。另一個(gè)著名的并行編程系統(tǒng)就是開源化的Hadoop系統(tǒng)，該系統(tǒng)沿襲了Google發(fā)明的這種基于GFS和MapReduce的分布式并行編程模式。

MapReduce系統(tǒng)簡(jiǎn)化了分布式系統(tǒng)的編程，應(yīng)用程序編寫人員只需將精力放在程序本身，而關(guān)于集群的處理問題，包括可靠性和可擴(kuò)展性，則交由平臺(tái)來處理。在MapReduce編程模式下，并發(fā)處理、容錯(cuò)、數(shù)據(jù)分布、負(fù)載均衡等細(xì)節(jié)都被抽象到一個(gè)函數(shù)庫(lib)中，通過MapReduce接口，用戶大尺度的計(jì)算任務(wù)被自動(dòng)并發(fā)和分布執(zhí)行，即將一個(gè)任務(wù)自動(dòng)分成多個(gè)子任務(wù)，通過“Map(映射)”和“Reduce(化簡(jiǎn))”這樣兩個(gè)簡(jiǎn)單的概念來構(gòu)成運(yùn)算基本單元，用戶只需分兩步提供自己的Map函數(shù)以及Reduce函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)任務(wù)在大規(guī)模計(jì)算節(jié)點(diǎn)中的調(diào)度與分配，并行地處理海量數(shù)據(jù)。對(duì)此，中國移動(dòng)通信研究院的張為民先生有一個(gè)形象比喻，他說:“整個(gè)MapReduce的編程模式，恰如我們國家體育總局在一個(gè)新的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目上組建國家隊(duì)，假設(shè)這個(gè)項(xiàng)目是柔道。這是一個(gè)很復(fù)雜的問題，為了快速高效地解決這一問題，我們需要把這個(gè)任務(wù)Map到各省，每一個(gè)省有一個(gè)伯樂去選運(yùn)動(dòng)員，他需要到他負(fù)責(zé)的省了解尖子運(yùn)動(dòng)員，了解他們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，然后依據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)鍵值，即選拔國家隊(duì)隊(duì)員的要求，進(jìn)行Reduce，寫出一份那個(gè)省的選擇報(bào)告，最后，國家體育總局把這幾十份報(bào)告再進(jìn)行篩選，選出運(yùn)動(dòng)員組成國家隊(duì)。”

對(duì)于作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)這種復(fù)雜系統(tǒng)的編程來說，MapReduce模式是一種顛覆性的革命。它第一步Map任務(wù)，體現(xiàn)了系統(tǒng)工程的“分而治之”思想，而且使之成為多節(jié)點(diǎn)并行“治之”的海選過程，從而用“群智慧”取代了個(gè)體或少數(shù)人的思維，變閉門造車為開門納賢，使程序設(shè)計(jì)“草根化”;它第二步Reduce體現(xiàn)了選優(yōu)的思想，最終在選優(yōu)的基礎(chǔ)上“集成”則體現(xiàn)了系統(tǒng)最優(yōu)化的策略。由于它是在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算(如Web2.0技術(shù))一系列優(yōu)秀成果上發(fā)展而來的，所以更加淋漓盡致地體現(xiàn)了面向服務(wù)的體系架構(gòu)(SOA)技術(shù)。可以預(yù)見，如果將這一并行編程模式引入作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，定會(huì)帶來作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)軟件建設(shè)的跨越式進(jìn)步。

4 小結(jié)

云計(jì)算是引領(lǐng)信息技術(shù)下一輪進(jìn)步的潮頭，必將成為軍事信息技術(shù)爭(zhēng)奪的制高點(diǎn)，作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)也將走進(jìn)云計(jì)算時(shí)代。云計(jì)算給計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用服務(wù)帶來了許多新的變化，它的服務(wù)模式和關(guān)鍵技術(shù)對(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)影響很大。分析研究這些影響，對(duì)我軍作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)建設(shè)和應(yīng)用具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 張為民，唐劍峰，羅治國，等.云計(jì)算深刻改變未來［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

2 MILLER MICHAEL.Cloud Computing:Web-Based Applications that Change the Way You Work and Collaborate Online［M］.USA:Que Publisher，2008.

3 李德毅.超出圖靈機(jī)的云計(jì)算［R］.云計(jì)算時(shí)代的IT應(yīng)用論壇，2009.

4 陳全，鄧倩妮.云計(jì)算及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，29(9):2562-2567.