公共計算與服務環境綜述*

馬永龍　陶　偉　謝紅勝

(1.武漢藏龍北路1號　武漢　430205)(2.中國艦船研究設計中心　武漢　430064)

?

公共計算與服務環境綜述*

馬永龍1陶偉2謝紅勝2

(1.武漢藏龍北路1號武漢430205)(2.中國艦船研究設計中心武漢430064)

摘要論文從美海軍一系列的艦載信息系統集成研發項目中梳理出公共計算與服務環境的發展脈絡。文章提出了公共計算與服務環境的組成,分析了其技術特征,并指出“公共化”是其核心的發展趨勢。以艦船作戰系統為例,文章分析了采用公共計算與服務環境進行系統集成產生的變化。最后,文章給出了應用公共計算與服務環境的啟示并展望其前景。

關鍵詞公共計算與服務環境; 基礎設施; 公共化

Class NumberTP311.523

1引言

2008年,美海軍決定取消DDG1000的后續建造計劃,在建造完目前已撥款的三艘艦之后,轉而恢復建造DDG51級驅逐艦,但會對其上的一些系統、設備,甚至整體布局、人員編制等情況進行改進和升級,形成全新的DDG51 Ⅲ型、IV型艦[1]。盡管DDG1000計劃已終止,但通過研究、挖掘現有的公開資料情況來看,作為其關鍵技術之一的全艦計算環境(Total Ship Computing Environment,TSCE)不但不會就此消亡,它所代表的艦載信息系統集成發展方向——公共計算與服務環境(Common Computing and Services Environment,CCSE),反而還會隨著新技術、新理念、新應用的出現和發展而不斷演變,并逐步向前推進,從而達到新的發展高峰。

2公共計算與服務環境的發展歷程

自20世紀末以來,為了滿足艦艇裝備新型號研制和舊型號改裝中的艦載信息系統集成等需求,美海軍先后針對不同的裝備型號開展了一系列的艦載信息系統集成研發項目,從這些項目的實施過程可以梳理出公共計算與服務環境的發展脈絡。

1) SSDS Mk2(艦艇自防御系統)

艦艇自防御系統(Ship Self-Defense System,SSDS)是美海軍首個基于開放式體系結構計算環境(Open Architecture Computing Environment,OACE)開發的系統,強調信息化網絡環境的建設和商用成熟技術的應用,將各種傳感器、防御武備及指揮控制中心聯為一體,綜合使用硬殺傷武器和軟殺傷電子戰設備摧毀來襲目標,提高了艦艇的早期預警能力和導彈攔截能力,為艦艇提供分層的自動化的快速防空反應。

圖1　基于OACE的SSDS軟件分層結構[2]

SSDS具有快速反應交戰能力(Quick Reaction Combat Capability,QRCC),新的傳感器、武器子系統模塊可以方便地加入到SSDS系統中,而不用考慮傳感器與武器的點對點互聯細節。

2) DDG1000 TSCE(全艦計算環境)

TSCE是近年來美海軍提出的一種先進艦載信息系統集成技術,是DDG1000驅逐艦的十大關鍵技術之一,其基于開放式體系結構(Open Architecture,OA),充分利用先進的商用計算機處理能力、分布式軟件架構,以“即插即用”的方式集成各設備功能,為全艦應用提供一個開放、通用、標準的運行集成環境,使C4ISR、交戰、平臺、航空以及岸基保障等系統實現了前所未有的集成,有效提高了全艦信息共享程度,增強了系統的魯棒性和可靠性,極大強化了艦載系統的綜合效能和生命力。

TSCE致力實現艦上作戰、平臺、通信等全部網絡信息的集成,形成一個分布、開放、統一、可擴展、可重構、存活能力強的計算及顯示環境,從而解決互操作和信息共享等問題,最終達到跨平臺、跨領域的協同作戰能力(圖2)。

圖2　DDG1000的全艦計算環境

TSCE是一個分布于全艦范圍的開放式系統,將艦上所有戰時和非戰時的操作集成到一個公共全局的計算環境之中,同時擴展了許多岸上作業,包括維護、后勤及訓練功能等,其技術架構如圖3所示。在TSCE中,TSCE-I(全艦計算環境基礎設施)是為全艦任務應用提供服務的計算硬件和公共軟件,可形成一個開放的虛擬化計算環境,所有計算資源統一調度管理,為其他領域的應用提供服務,所有應用軟件分布在這個虛擬化計算環境中。

圖3　全艦計算環境技術架構[3]

3) DDG51 AMOD(宙斯盾現代化)

美海軍在決定停建DDG1000、重啟再造DDG51級驅逐艦的同時,也在實施一項針對現役“提康德羅加”級和DDG51級“宙斯盾”艦的軟/硬件現代化改裝計劃,即AMOD計劃[4]。該計劃采用OACE將“宙斯盾”作戰系統的軟件和硬件分開實施。洛·馬公司選擇使用商用數據分發服務(Data Distribution Service,DDS)技術,為“宙斯盾”各子系統的聯合提供整體通訊框架,包括:雷達、武器、顯示器和指控部分。它基于標準、可任意擴展,這使“宙斯盾”系統具備了一個重要的優勢,就是在未來的技術更新中可快速添加或升級新的功能。

圖4　基于OACE的AMOD結構層次

4) LCS MPCE(任務包計算環境)

任務包計算環境(Mission Package Computing Environment,MPCE)采用通用動力公司的開放式計算體系(OPEN CI),為瀕海戰斗艦(Littoral Combat Ship,LCS)的三個任務包(水雷戰、水面戰和反潛戰)的操作提供監控接口。MPCE與作戰管理系統組成統一網絡來支持任務的規劃、執行和分析。其中,水雷戰任務包包括了諾·格公司的機載激光水雷探測系統和“偵察兵”無人機等,該系統由8個TEU ISO標準的貨運集裝箱作為保障。

圖5　瀕海戰斗艦的MPCE定義圖[5]

5) CANES(綜合海上網絡和企業服務)

綜合海上網絡和企業服務(Consolidated Afloat Networks and Enterprise Services,CANES)旨在減少艦上服務器等硬件的數量,將現有的艦載網絡硬件轉變為集中式的、可管控的處理模式,通過創建一種單一的公共網絡系統來代替先前多種分散式的C4I網絡系統。CANES的關鍵技術包括通用計算環境(Common Computing Environment,CCE)、基于面向服務體系結構(Service Oriented Architecture,SOA)的海上核心服務(Afloat Core Services,ACS)和跨域解決方案(Cross-Domain Solutions,CDS)。

其中,CCE能有效地利用“虛擬化軟件”技術將艦載網絡硬件、機架、服務器和通信媒介等整合到公共網絡核心中,以取代相似的硬件獨立的操作,從而實現硬件基礎設施的虛擬化管理,并創建一個統一的計算環境。

圖6　CANES的SOA核心服務架構

圖7　CANES的公共計算環境(CCE)[6]

通過對上述項目進行研究、對比后不難發現,無論是SSDS Mk2、TSCE和AMOD所采用的OACE,還是MPCE,抑或是CANES的CCE,致力于創建一個統一的公共計算與服務環境是其共同特征。公共計算與服務環境是正在發展中的先進系統集成模式,代表著美海軍艦載信息系統集成的發展趨勢和方向

3公共計算與服務環境的組成和特征

公共計算與服務環境由基礎設施和各種領域應用組成。公共計算與服務環境基礎設施包括網絡設備、計算設備、存儲設備、顯示設備、操控設備等硬件設備以及一組核心、通用的基礎軟件。這些軟硬件采用商用成熟技術和工業標準,構建成為一個開放體系架構的計算環境,為作戰系統各種計算任務的執行,為傳感器、指控、武器、保障等領域應用提供服務。

領域應用包括傳感器管理、作戰指揮、通信管理、武器管理、無人平臺控制等,開發、部署、運行在公共計算與服務環境基礎設施之上。

公共計算與服務環境具有以下特征:

1) 硬件資源集中部署,統一管理。在上述項目中,都將網絡設備、計算設備、存儲設備、顯示設備、通信設備等硬件作為開放的、公共的“資源”,進行統一管理和部署,從而發揮整體優勢。例如,TSCE采用電子模塊化集裝箱(Electronic Modular Enclosures,EME)將IBM刀片服務器機柜以及控制、自動化、導航、內部通信系統等處理及存儲配套設施進行集中封裝,全艦冗余布置。MPCE采用10或20英尺的標準化保障集裝箱(Support Container,SC)來對任務系統設備進行集中安裝,見圖5。CANES的刀片服務器等設施則通過艙室集中的方式進行放置。

2) 軟件統一架構。除了硬件集中部署外,這些項目還對軟件進行了規范和統一架構,形成了一組核心、通用的基礎軟件,這些軟件分布在虛擬化的計算環境中,與硬件資源結合在一起進行統一調度管理,為其他應用組件和功能領域提供服務。例如,TSCE積極推進軟件的構件化和復用化,并借助于中間件技術,將各種艦載系統的專用應用程序、專用應用程序請求服務和公共服務等以中間件的形式封裝,且與底層計算機、操作系統和網絡基礎設施之間相互分離,見圖3。這些應用程序能在具有OA特性的各種計算機系統之間進行移植,且具有無限的可擴展性。CANES的ACS在虛擬化硬件資源之上開發了一種SOA架構(圖6),這種架構能夠創建一種可升級的服務交互分層模型[7],將現有煙囪式系統的傳統應用分解、轉換為面向用戶、數據的可復用式公共服務和應用,通過采用標準化的接口,系統可以調用這些公共服務,從而滿足不斷變化的作戰需求。

3) 采用OA設計理念和商用成熟技術,將艦載基礎硬件以及基礎軟件構成統一的集成化公共計算與服務環境,支持功能領域應用在該環境中的運行,實現艦上任務系統的綜合集成。例如,在TSCE項目中,TSCE-I包括各種硬件設備和通用的基礎軟件,這些軟硬件采用主流商用成熟技術,構建成為一個基于OA的開放式、虛擬化的公共計算與服務環境,為系統的各種領域應用提供服務,見圖3。TSCE的這種一體化體系結構,有利于實現系統內部信息的交互共享和互操作,還為各組件提供了一個“即插即用”的環境,以便簡單、快速地對系統進行擴展和螺旋式升級。在CANES項目中,基于OA和面向服務的設計理念,利用標準化的網絡基礎設施和通用化的機柜體系結構創建了一個統一的公共計算環境——CCE(圖7),并通過企業服務為作戰和管理應用軟件提供“托管服務”,為C4I應用提供了運行與集成的平臺,同時,通過開放通用的接口,支持各應用系統調用公共服務。MPCE采用了大量的商用成熟技術,任務包應用和集成軟件運行在這些硬件設備之上,形成了基于OA的公共計算基礎設施,為艦艇提供了任務模塊的控制接口,見圖5。

可見,公共計算與服務環境已成為美海軍艦艇裝備信息化建設的發展趨勢。此外,通過對比不難發現另外一條規律,與TSCE相比,較晚啟動的CANES項目有以下不同之處:由于采用了硬件虛擬化、SOA架構、云計算、CDS等新興智能技術和成熟技術,從而實現了硬件的虛擬化管理和作戰應用軟件的“托管”,創建了統一的公共計算與服務環境,并解決了不同密級信息在同一網絡基礎設施中的傳輸等網絡安全問題[8]。由此不難看出,在艦載公共計算與服務環境的向前發展演變過程中,將不斷地吸納和融入新興的先進技術和先進理念(如OA、SOA、云計算等),再加上作戰需求和項目定位的不斷變化,從OACE/TSCE,到MPCE,再到CCE,艦載公共計算與服務環境的內涵和外延一直都在向前演變著,且其應用對象靈活多變,可適用于不同的任務系統;部署范圍不斷擴展,幾乎覆蓋了絕大部分的主戰艦艇裝備平臺。因此,可以預見,當新一波信息和網絡等技術出現和逐漸成熟之時,艦載計算環境又將發生新的變化,取得新的突破,但“公共化”應該是其不變的發展趨勢。

4公共計算與服務環境的應用分析

以艦船作戰系統為例,采用公共計算與服務環境進行作戰系統的集成與傳統“分系統”集成方式相比,將發生較大變化:

1) 作戰系統利用公共計算與服務環境的開放性、可移植性、跨平臺等特點,實現領域應用與基礎設施的分離,軟件與硬件的解耦,提高系統靈活性和互操作能力。

2) 公共計算與服務環境基礎設施采用統一技術體制和商用貨架產品,便于軟硬件的升級和更新,便于新技術的快速引入,便于裝備的保障和維護,有助于縮短系統研制周期,降低全壽期成本,盡快滿足海軍對裝備建設的需求。

3) 領域應用可以靈活部署,作戰系統的可伸縮性強,滿足不同規模和級別艦艇的需求,可促進作戰系統的系列化發展。

4) 可以實現資源重用和應用遷移,一個節點失效,它的任務可通過其他節點執行,可以有效防止單點失效,從而保證各項任務的正常執行,局部損壞的情況下,仍能保持較高的戰斗能力,從而提高了系統的可用性和高抗毀性。

5結語

從公共計算與服務環境的發展歷程中折射出美國海軍現在的裝備發展思路已經發生了很大變化:第一,不再象冷戰時期那樣一味追求艦船的高性能,而是強調裝備在作戰體系中能夠發揮的作用;第二,在方案論證中強調折衷選擇,不一定非要選用最先進的技術;第三,經濟可承受性成為決定采辦的重要因素,特別是強調全壽命期費用,寧可在論證、建造階段多花錢,也必須節約使用和維護費用。第四,裝備發展緊緊圍繞戰略調整,滿足未來作戰需求,無論技術是否成熟、研制周期有多長,如果不滿足上述條件,立即削減和廢除。

通過對艦載公共計算與服務環境的研究,可以得出如下啟示,以供借鑒:

1) CCSE的核心部分定義了21世紀水面艦艇的全部計算特征,將全部平臺、作戰和C4ISR功能集成于公共的基礎設施之上,創建了一個集中式的公共計算與服務環境,從而達到較高層次的跨領域系統集成,實現真正的數據共享、資源共用、互聯互通和互操作。

2) 在CCSE的體系結構實現中廣泛采用OA戰略和商用成熟技術。

3) 為控制風險、穩步推進,采用螺旋式推進、逐步擴展的方式,分階段逐步集成各個子模塊的功能,最終形成完整的一體化CCSE架構。

4) 計算環境的“公共化”是未來艦載信息系統集成的發展方向,將會對新型艦艇的研制、現役艦艇的改換裝,乃至整個艦艇裝備的未來發展產生深遠的影響。

盡管DDG1000項目已終止,但TSCE所代表的艦載信息系統集成發展發向——公共計算與服務環境,不但沒有因此受到任何不良影響,反而還在繼續向前演進,勢頭不減反增。展望未來,在作戰需求的靈活牽引下,隨著新興先進技術和先進理念的不斷涌現及發展,公共計算與服務環境的內涵和外延都將不停向前演變,不斷地突破以適應新的變化。

參 考 文 獻

[1] 米イージス艦——その近代化計畫と將來構想.「世界の艦船」,2010(10).

[2] Ship Self-Defense System (SSDS): A Combat Management System for When Seconds Count//www.raytheon.com.

[3] 董曉明,馮浩,石朝明,等.全艦計算環境體系結構和系統集成框架[J].中國艦船研究,2014,9(1):9-13.

DONG Xiaoming, FENG Hao, SHI Chaoming, et al. Ship Computing Environment System Architecture and System Integration Framework[J]. Chinese Journal of Ship Research,2014,9(1):9-13.

[4] Aegis Open Architecture. Lockheed Martin MS2,2006.

[5] LCS Overview. PEO LCS,2012.

[6] CANES Contracting Strategies for Full Deployment. Rand National Defense Research Institute,2012.

[7] Service Oriented Architecture in Support of the Consolidated Afloat Network and Enterprise Services (CANES) Program. SPAWAR,2013.

[8] Cross Domain Solution (CDS) Prototype in Support of the Consolidated Afloat Networks and Enterprise Services (CANES) Program. SPAWAR,2012.

收稿日期:2016年1月13日,修回日期:2016年2月20日

作者簡介:馬永龍,男,碩士,工程師,研究方向:艦船電子信息系統。陶偉,男,博士,高級工程師,研究方向:艦船作戰系統。謝紅勝,男,博士,高級工程師,研究方向:艦船作戰系統。

中圖分類號TP311.523

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.024

Overview of Common Computing and Services Environment

MA Yonglong1TAO Wei2XIE Hongsheng2

(1. No.1 Canglong North Road, Wuhan430205)(2. China Ship Development and Design Center, Wuhan430064)

AbstractFrom the U.S. navy series of information system integration and development projects, this paper teases out the phylogeny of common computing and services environment (CCSE). To be more specific,this paper brings forward components of CCSE, analyses technical characteristics of CCSE, and points out that “going public” is the development trend of the core. This paper also analyzes the changes in ship combat system integration based on CCSE. Finally, the article presents the apocalypse to apply CCSE and prospects its future.

Key Wordscommon computing and services environment, CCSE infrastructure, going public