海戰場指揮控制服務化應用技術?

楊 光

（91404部隊91分隊 秦皇島 066001）

1 引言

現代化的海軍作戰要求在不同平臺之間實現連通性，這些平臺之間的鏈路支持指揮控制、作戰管理、通用作戰圖和戰術圖象的分發、傳感器數據分發、對時敏目標和其它目標的跟蹤和打擊、以及其它眾多的C4ISR功能。

但是，通信帶寬容量在戰略、戰役和戰術級別都受到嚴重制約和挑戰，特別是戰術級帶寬需要擴展才能滿足未來作戰的信息需求。由于通信帶寬容量的限制，很大程度上降低了信息共享以及系統間互操作的能力，限制了關鍵信息向指揮系統和武器系統的傳輸，阻礙了作戰空間中時敏作戰行動，因此如何有效融合現有的各通信帶寬的信息節點以及如何有效地對各個節點服務進行有效集成是我們仍然需要解決的首要課題。本文從研究美海軍發展現狀出發，探討在帶寬受限條件下如何進行服務的集成和服務的調用技術。

2 美軍現狀

高效的通信是美國海軍的根本性需求，為了滿足這個需求，美國海軍通過建設部隊網“FORCEnet”來實現21世紀海上力量構想（包括海上打擊、海上盾牌以及海上基地）。同時高效的通信是可組合和可適應C4ISR系統關鍵要素之一。未來海軍部隊網和全球信息柵格體系結構為聯合部隊通信能力的轉型提供了前景。美國海軍也面臨從當前跨傳統和商用鏈路的有限帶寬環境向未來轉型通信體系結構設想的基于IP協議的無限帶寬環境過渡。

從歷史發展看，在1994年，美國海軍已經裝備了國際海事衛星天線，采用單一或多個64kHz信道進行話音和數據傳輸。這仍然是當今小型水面戰艦的主要通信方式。到1996年時其大型艦艇已經具備1.5M/s通信能力，它們使用C波段和超高頻頻譜進行通信。從1996年到2000年，美國海軍的“21世紀信息技術”（IT－21）計劃不僅給所有服役艦艇帶來了帶寬、計算機和網絡，使得海軍艦隊擁有英特網協議（IP）通信能力。后來全球廣播系統問世，它工作在極高頻（EHF），具有廣域覆蓋和點波束覆蓋特點；如果裝備合適的天線和終端，即使最小的艦艇也能以高達20Mbit/s的速率接收信息。美國海軍針對不同的通信鏈路，應用了衛星數據鏈、陸地視距數據鏈和超視距數據鏈。到2005年時，其X波段衛星通信達到62Mb，Ka波段達到96Mb/s，極高頻波段到達50Mb/s。現在正在發展最高到1300Mb/s的衛星通信技術［1］。

在這種軍事通信能力的條件下，為了適應網絡化中心作戰，美國國防部提出了基于高帶寬可靠網絡基礎設施的網絡中心企業服務（NCES）以及基于有限帶寬的Ad Hoc網的系統通用操作環境之系統（SOSCOE）兩大項目［2］。其中，NCES強調：1）提供的能力是基于服務的；2）對以計算為中心起杠桿作用；3）強調無縫訪問共享空間；4）戰略決策。

而SOSCOE是基于戰術域的，它強調：1）無中心化的實時和近實時安全應用；2）基于無線網絡的服務質量管理；3）在GIG環境下為維持無縫通信提供廣泛的代理應用。

SOSCOE提供了一套基于商業和開源軟件的標準的接口，為美國未來作戰系統戰術域提供基礎設施，從而為以網絡為中心的作戰指揮提供支撐（FCS是一個跨兵種服務的聯合網絡系統中的系統，提供了支持網絡中心戰的戰術域架構。）而NCES提供了基于GIG的全球信息柵格的基礎服務設施。

圖1 SOSCOE和NCES的關系［2］

美軍的SOSCOE是一種基于服務的架構，把高性能和Web Services服務融進了一個框架，從詳細的操作中隔離了用戶和其他服務。在架構的底層采用了統一的接口封裝了分布式對象服務和Web Services服務。利用分布式對象服務來保證實時的Ad Hoc網絡通訊和信息的實時性。其服務架構層次如圖2所示。

圖2 SOSCOE的底層架構

3 未來海戰場網絡環境的特點

海戰場環境的編隊通信網絡組成是一種高度近似于移動自組織網絡（Mobile Ad hoc Networks，簡稱MANET或自組網）的網絡［3］。它是由一組帶有無線通信收發裝置的移動節點組成的多跳臨時性無中心網絡，可以在任何時刻、任何地點快速構建起一個移動通信網絡，網絡中的每個節點可以自由移動、地位相同。

未來海戰場網絡通信的特點是：

1）戰場分作戰區域，每個區域內可以獨立通信，區域間也可互聯。

我終于明白了，為什么莫言先生念念不忘山東高密東北鄉那一片片高粱，為什么福克納寫的故事都發生在約克納帕塔法這個地方，為什么賈樟柯電影里的人物都說著山西話。我也隱約明白了，西楚霸王項羽，臨終前為何說無顏見江東父老。

2）信息時敏度高，通信網絡應滿足時延要求。

3）編隊通信應能隨作戰任務變化快速重組。

4）通信網絡應該支持網絡資源管理和信息傳輸管理。

5）通信帶寬受數據鏈通信技術發展的限制，以及對帶寬的需求愈來愈高。

我國目前數據鏈的發展比起西方軍事強國還存在巨大的差距，通信能力在很大程度上受到了限制，帶寬受限成為了服務化指揮控制發展的瓶頸，在很大程度上制約了指揮控制系統對戰場資源的有效訪問和管理。

4 帶寬受限條件下指揮控制服務化的策略

4.1 構建海戰場企業服務總線

企業服務總線（Enterprise Service Bus，ESB）［4］是面向服務體系架構（Service—oriented Architecture，SOA）［5］中最重要的基礎設施［6］，憑借其動態、可靠的消息傳輸、消息轉換能力來有效解決企業業務集成（Enterprise Application Integration，EAI）中大量存在的系統環境異構、通信協議差異、編程語言差異等異構問題。ESB作為SOA架構的信息傳輸平臺，通過標準的適配器連接異構環境中的服務，實現集成系統之間的互操作功能。

企業服務總線的核心功能歸納為消息機制、消息轉換、基于內容的路由和服務容器四個部分［7］；在服務請求者和提供者之間傳遞數據及對這些數據進行轉換的能力；支持發現、路由、匹配和選擇的能力；支持服務間的動態交互，解耦服務請求者和服務提供者等。

海戰場C4ISR電子信息系統企業服務總線，能夠把海戰場作戰資源和信息能夠有效的組織和管理起來，是海戰作戰平臺節點網絡化后高度抽象的結果。超級節點服務器是海戰場C4ISR的ESB的控制中心，它將物理分散的指揮節點和各種服務進行統一集中注冊管理，支持全局服務統一監控、部署和發布。它由節點管理、全局消息路由、全局服務目錄、全局服務管理和通信適配器等核心服務組件組成。節點服務器是具體的執行機構，自主地安裝部署、運行、管理并監控運行于其中的各種適配器、服務等組件，并對節點內的信息交互方式進行管理和監控，節點服務器部署的是節點內的服務，是一個相對獨立的自治的ESB環境。節點服務器和超級節點服務器沒有本質區別，只是相關核心服務是否激活為區別標準，通過動態配置，它們之間可以互相轉化。

節點服務器和超級節點服務器可以部署如圖3所示。

圖3 海戰場節點服務器的部署示意

4.2 建立適合海戰場戰術需要的通信總線

通信總線是規范數據模型、公共指令集和消息設施的一個綜合體，其可使不同的系統通過一組公共的接口進行通信，它能夠隔離信息傳輸和業務應用，將指揮控制系統的功能從紛繁負載的通信管理負擔中分離出來。使海戰場海軍戰術編隊的通信能夠動態配置組合，適應戰術編隊隨任務的變化。通信總線通過各種適配服務和消息翻譯服務將海戰場各種異構的通信協議進行適配，解釋翻譯成總線內部的共用基礎協議，使協議在通信總線內部無縫傳輸。

圖4 海戰場通信總線架構

海戰場戰術編隊是隨任務變化而動態改變的。例如普通的戰術編隊是在任務執行前而組合，艦艇的數量隨任務的不同而變化，艦艇間通信方式和通信轉接方式也是隨作戰方案而不同。這時作戰指揮系統就應該能夠動態調整服務信息傳輸的路由。我們采用了通信連接矩陣模型來構造戰術編隊的通信路由，并可以隨戰術編隊候選通信方式而動態改變路由策略。當編隊從事新的任務，根據任務的通信方案，指控系統管理人員可以根據當前的通信方案編輯通信連接圖，企業服務總線根據連接圖可以重新生成通信路由，指控系統不需要做任何改變，即能實現新的通信拓撲改變和任務組合。

4.3 建立適合海戰場環境的服務調用模型和策略

海戰場的眾多服務根據服務的使用方式來分，可以分成請求回復型和發布訂閱型。其中，請求回復型服務是最主要的服務使用方式，發布訂閱型主要集中在數據服務，如：態勢信息數據的訂閱分發、監控數據的實時訂閱分發。請求回復是消費者主動發送服務請求，服務提供者根據請求進行計算返回服務內容；而訂閱分發型的服務則是消費者直接向服務提供者訂閱所需的數據，服務提供者一旦有數據就即時向消費者發布，減少了消費者每次主動請求數據的調用過程，極大提高了消費者數據獲取的效率。

對于請求回復型的請求，為了解決服務質量和服務訪問的實時性和并發性問題，我們改進了階段事件驅動模型（Staged Event—Driven Architecture，SEDA）服務調用控制方法。SEDA是加州大學伯克利分校研究的一套優秀的高性能互聯網服務器架構模型［8］。其設計目標是：支持大規模并發處理、簡化系統開發、支持處理監測、支持系統資源管理。其核心思想是把一個請求處理過程分成幾個階段（Stage），對于消耗不同資源的每個階段，其使用不同的數量的線程來處理，每個階段可以獨立進行開發，階段之間使用事件驅動的異步通信模式［8］。如圖7所示。

圖5 階段事件驅動模型（SEDA）

改進后，在服務調用的前端，有統一的服務調用接口，根據調用請求的優先級分配到不同優先級的服務請求隊列。由控制器根據消息隊列優先級情況對處理線程池的線程統一調度。服務請求中賦予服務時間約束，超時的未完成服務返回錯誤，并從請求隊列中刪除，而保證其他服務的正常進行。如圖8所示。

圖6 改進的SEDA模型

海戰場信息包含了大量實時和非實時數據，面臨帶寬有限的非TCP/IP協議無線通信和高帶寬的有線通信平臺并存的環境，采用的策略是：

1）將高并發服務調用盡力部署在同一個服務節點，因為在同一節點內，可直接采用SOAP Over JMS協議調用服務，以減少跨節點服務調用，提高調用效率。對于節點外服務調用，采用2）的方式；

2）采用改進的 SEDA（Staged event-driven architecture）架構，利用優先級策略，將業務請求放置到不同優先級緩沖隊列，優先級高的請求先處理，對相同優先級隊列里的請求采用先到先服務及盡力工作的服務策略［9］；

3）對服務請求增加時間約束，盡可能保證業務執行時間滿足時間約束，對超出時間約束的服務請求直接返回錯誤，保證服務調用的效率；

4）采用基于擁塞控制的路由機制，能夠根據總線當前流量調整業務流帶寬［10～12］；

5）利用服務代號方法和信息壓縮方法精簡服務調用信息，使無線環境服務請求的數據量達到相對較小，減少無線數據鏈通信帶寬使用量。

在請求回復型服務中，對于基于TCP/IP協議的寬帶服務可以直接使用web服務的調用方式，而對于帶寬受限的無線環境采用異步消息方式實現跨平臺服務調用。在每個ESB節點服務器上通過采用“雙代理”的方式實現對本地服務和外部服務的調用。雙代理指的是在同一節點上的“服務請求代理”和“服務調用代理”。服務請求代理主要處理本地節點上層應用發送的服務請求，它將服務請求根據服務目錄進行分析，根據服務的地址和帶寬細分成本地請求和遠程請求，本地請求基于web服務的方式直接調用，遠程請求代理則將本地調用請求消息化，并由ESB路由到所需服務所在節點，由該節點服務調用代理接收并負責將服務請求消息轉換，使其與所請求的服務調用綁定，經過服務計算將結果返回，服務調用代理主要職能就是響應遠程節點發送的異步消息服務請求，采用改進SEDA模型策略來處理請求。

5 結語

本文從美海軍通信發展現狀、未來海戰場通信特點幾個方面分析了海戰場作戰指揮服務化需求和通信發展的矛盾，提出了一種在帶寬受限條件下海戰場指揮控制服務化的一個初步策略和思路，由于篇幅所限，不能過細地從技術層面上做進一步的深入分析。海戰場指揮控制服務化是一個復雜的課題，本文僅從帶寬受限的角度探討服務化的方法和技術，在服務安全、服務質量保證等方面還需要做進一步的研究。