面向艦艇作戰的計算資源共享與管理技術研究?

李 明 楊志祥

1 引言

現代信息化戰爭中，海戰場逐漸呈現出戰場空間大、作戰節奏快、信息密度大、資源消耗高等特點。隨著作戰模式由以平臺為中心向以網絡為中心的轉變，體系內作戰節點不斷增加、平臺作戰范圍不斷擴大，互聯互通的信息量及其處理需求也隨之大幅度增加。為了輔助作戰指揮人員，使其在瞬息萬變的戰爭局勢下，高效利用各類情報和數據，提高指揮決策能力，要求艦載作戰系統在情報分析、輔助決策、目標解算、數據分析和挖掘等方面具備高性能、高可靠的計算能力［1］。在傳統模式下，艦載作戰系統各設備專機專用，分別獨立完成各自計算任務，臺位功能相對固定。受艦艇內空間和經費等限制，存在局部計算資源分散、計算能力有限、資源利用率不高等問題，難以滿足現代化作戰高性能計算的要求。

高性能計算（HPC）最初依賴于高性能的計算機，但是高性能計算機的成本較高、研發周期長，而且難以擴展。集群技術的出現給高性能計算帶來了一場革命［2］，它通過各種互聯技術將多個計算設備連接在一起，利用所有被連接系統的綜合計算能力來處理大型計算問題，可以提供單個計算機不能提供的強大計算能力，具有高可擴展性、高可用性、高性能和高性價比等特點。

針對艦艇作戰系統計算資源分散、利用率低等特點，可以考慮將分布在艦艇上的各臺位的任務機與數據庫機柜等資源進行整合，構建高性能計算集群。通過集群計算，實現面向艦艇作戰業務的計算資源按需分配、調度和動態配置，在不改變戰位設置、設備重量的情況下，提高計算資源的使用效率。

2 面向艦艇作戰業務的計算資源共享與管理方案

2.1 艦艇平臺作戰典型業務分析

艦艇作戰系統在輔助指揮員實施作戰任務的過程中，工作的基本流程包括：戰場態勢，信息獲取，情報分析，輔助決策，決策執行，打擊效果評估等［3］。其中，情報處理與分析是奪取并保持信息優勢，獲取穩定、完整的戰場綜合態勢的關鍵。通常艦艇平臺作戰業務對情報處理存在處理容量、實時性、可靠性等性能需求，也是作戰系統中最為關鍵、計算負載瓶頸所在。

艦艇典型作戰業務可分為對空、對海、對水下三類。其中，對空作戰包括區域防空、協同防空、對空自防御；對海作戰包括超視距對海作戰、視距內對海/對陸作戰；對水下作戰包括協同搜潛、反潛作戰、水下自防御等。

由于空中目標如戰斗機和導彈等速度快、機動性強、威脅度大，要求作戰系統對空中情報的處理必須及時完成，因此，對空作戰屬于強實時性處理任務；相對而言，海面和水下目標如水面艦艇、潛艇等速度、機動性較弱，聲納等水聲探測設備的探測周期較大，因此，對海作戰一般呈現出實時性，對水下作戰目標呈現出弱實時性。

通常情報信息處理中多源信息融合是艦載情報處理的核心關鍵所在，其具備實時性要求高、處理周期不間斷、問題規模呈現動態性、內部各級處理呈現一定的順序性和較強的耦合性等特點。下圖給出其處理流程：

2.2 計算資源共享與管理方案

針對艦載情報處理的動態性特點以及實時性需求，結合艦艇作戰系統計算能力有限、利用率不高等現狀，提出面向艦艇作戰業務的計算資源管理框架。如圖2所示。

考慮到作戰系統的應用需求，我們設計面向作戰業務的計算資源管理總體方案時，采用MPI并行消息傳遞模型為基礎，綜合利用分散在艦上有限的計算和存儲資源（情報處理服務器和數據庫機柜等），構建一個可擴展的集群計算系統，來實現應用的分布式處理操作。集群計算系統的架構如圖3所示。

系統分層主要從功能劃分的角度考慮，下面分別加以解釋：

硬件層：硬件平臺；

OS層：硬件采用的操作系統，如VxWorks、Solaris等

OS適配層：該適配層將異構OS映射到一個統一的接口；

通信中間件：主要功能通過MPI實現；

消息服務：充當“數據總線”，采用訂閱發布模式，基于數據內容實現數據發送和接收的通信；

集群資源管理服務：負責低層集群內部的資源管理，其主要功能包括節點管理、節點檢查、任務調度、集群控制點監測、作業調度和驅動等；

作戰應用層：各種作戰業務應用。

3 集群計算關鍵技術及實現

面向艦艇作戰業務的集群系統，與通用的集群系統架構類似，主要由集群資源管理、業務計算、消息中間件、狀態監控、容錯處理等功能組件構成，其架構如圖4所示。通過狀態監控與容錯處理實現對集群節點任務狀態的有效監管，并達到計算資源合理分配及任務異常中斷的檢查與恢復，為情報臺位故障恢復和重組提供保證。

目前，通常艦載情報信息處理，在準實時桌面操作系統環境下完成。為了滿足對多源異類情報信息處理實時性的要求，某些艦載作戰系統情報處理要求在嵌入式實時操作系統環境下完成。也因此，需要開展基于嵌入式實時操作系統環境的集群管理技術研究。

然而，無論在商用還是軍用領域，構建在嵌入式實時操作系統環境下的集群計算都比較少見，可用來參考借鑒的技術資料相對較少。因此，本文將對基于嵌入式實時操作系統的并行消息傳遞、任務實時調度、集群狀態監控、并行容錯處理等關鍵技術進行探討。

3.1 并行消息傳遞

計算集群的性能通常取決于下面幾個因素：節點本身、節點之間互聯設備、底層通信軟件（包括互聯設備的驅動）、全局資源管理系統以及并行計算環境等［4］。其中，消息傳遞系統對于計算機集群系統的計算性能是至關重要的。因此，構建高性能計算集群，首要的問題就是如何在嵌入式實時操作系統環境下實現實時高效的消息傳遞。

MPI是一種廣泛使用的消息傳遞并行通信編程模型，具有靈活高效、擴展性好、可移植性強等特點，幾乎所有的并行計算環境和主流操作系統（Unix、Linux和Windows NT）都支持［5］。因此，考慮將MPI并行消息傳遞移植到嵌入式實時操作系統環境中，構建一個嵌入式實時操作系統環境下支持單機/多機通用標準、實時高效、高可靠的消息通信傳遞平臺。

文獻［6］以Linux系統中的開源MPI實現mpich2為基礎，將MPI消息傳遞并行編程平臺引入到Vx-Works系統中，為嵌入式實時操作系統提出了一種并行編程解決方案。在此基礎上，可以進一步開展基于國產嵌入式實時系統的并行消息傳遞平臺的研究。

3.2 任務實時調度

給定一組實時任務和系統資源，確定每個任務何時何地執行的整個過程就是任務調度。任務調度是支持系統動態負載平衡，合理有效地利用資源，支持系統動態重構，提高系統整體性能和系統可用性的關鍵技術［12］。利用它可以實現：

1）在計算過程中，把任務從負載較重的節點遷移到負載較輕的節點上，實現動態負載平衡；

2）充分利用系統中的空閑機器，以及在要求獨占其資源時及時提供；

3）在長時間計算的過程中，可以使某節點退出計算以進行系統維護，提高系統的可用性。

任務實時調度的算法有很多種，大致可以分為如下三類［7］：基于優先級的調度算法（PD），基于CPU使用比例的共享式的調度算法（SD），以及基于時間的進程調度算法（TD）。在設計調度算法時，需要考慮多方面因素，通常包括系統設計目標、資源利用率、用戶要求、任務的特征（達到時間、計算時間、截止期限、任務達到頻率）等。

具體到面向艦艇作戰業務的集群任務實時調度中，我們需要研究的是如何將作戰過程中的多個實時性任務合理分配到不同的處理器上。結合上面分析的對空、對海、對水下三種類型的作戰業務具體的特點，我們采用基于動態優先級的調度算法EDF［8］，通過任務動態生成以及對處理對象的動態調整，實現對集群中計算存儲資源的自適應分配，動態地改變系統的負載分布。

3.3 集群狀態監控

集群狀態監控技術主要是為高性能集群系統提供性能監測環境，提供可視化的集群配置管理、資源管理、用戶管理、安全管理、作業調度管理、控制管理等功能。

心跳機制是高可用集群的重要技術之一［9］。通知由應用程序初始化的“我在工作”消息構成，或在這種請求-響應系統中，監視器通過“你在工作嗎”的消息請求應用程序確定處于活動狀態并且等待確認，即主動或被動的方式。當監視器端超過特定的時間收不到響應消息，它就假設應用程序掛起或崩潰，然后殺掉或重啟它。

圖5為采用心跳機制實現集群狀態監控的示意圖。采用“心跳匯報機制”周期性地檢測集群中節點機器的工作狀態，當節點機器的工作狀態變化時，能夠通知集群中的其它部件。集群節點之間心跳檢測的組織可以是主從心跳、環形心跳或廣播心跳，由系統結構、檢測效率以及檢測開銷權衡決定。心跳信息的傳輸一般需要采用專用網絡來保證效率。

為了降低系統開銷，在面向艦艇作戰業務的集群狀態監控中，可以采用多定時器的技術，由應用程序周期性地向管理節點發送MPI消息以表示它在工作，同時匯報本地節點負載信息，包括CPU負載、網絡負載、內存/磁盤使用率等，以實現對集群間節點的有效監控。

3.4 并行容錯處理

容錯技術的實質是通過資源的冗余配置使系統在內部發生故障時，仍然能夠正確執行預定任務，從而提高系統的可靠性［10］。實現容錯處理的方法有很多，可分為硬件容錯和軟件容錯：硬件容錯實時性好，糾錯速度快，但是可擴展性不好，需要額外的軟件支持；軟件容錯靈活度高，可以避免由于輔助邏輯的不容錯而造成的可靠性下降。

目前高可用集群計算，基于消息傳遞的系統中，解決其可靠性問題基本上采用基于檢查點的回卷恢復技術（Checkpoint/Restart）［11］。在系統正常運行的適當時刻設置檢查點，保存未出錯時的狀態，當故障發生后，讀取前面保存的作業狀態，將作業回卷（rollback）執行。檢查點的設置可分不同級別進行設置，如低的級別是把內存保存在本地也就是執行節點（它的代價小），高的級別是把所有進程的內存都保存在一個公共文件系統（它的代價大），不同級別檢查點時隙（Check Point Interval）是可以根據實際需求設置的。

根據艦艇作戰業務對可靠性的實際需求，本設計中的多機并行容錯主要針對集群網絡、硬件節點故障、任務故障等幾類問題，可以選擇上述基于檢查點的容錯處理技術。在作戰任務執行過程中，記錄MPI任務正常運行時的一致性狀態，并保存到計算機內存中。當系統發生故障后，可根據保存的狀態信息將MPI任務回卷到故障前的一致狀態繼續執行，從而避免整個任務的重新執行。

4 結語

面向艦艇作戰業務的計算資源管理通過綜合利用分散在艦上有限的計算和存儲資源，以并行消息傳遞模型為基礎，構建了一體化的計算資源環境。采用嵌入式實時操作系統環境下并行消息傳遞、集群任務管理等技術，實現了艦載作戰系統內計算資源的按需分配和調度、負載均衡、任務遷移和服務共享，可以在不改變戰位設置，設備重量等情況下，有效提高計算資源的使用效率和系統的可靠性。

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