美軍分散式計算研究概況及啟示

● 中國航天系統科學與工程研究院 李 臻 岑 格

● 山東厚德測控技術股份有限公司 宗紹國

● 軍事科學院系統工程研究院 王成海

一、基本情況

2017年2月，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）正式啟動分散式計算項目（DCOMP），該項目是一項為期4年的計劃，每2年為一個階段，主要由美國雷聲（Raytheon）公司等4家公司，同時聯合美國東北大學等多所高校進行技術攻關。該項目旨在研發新算法和網絡通信技術，合理應用作戰前線分散部署的大量計算基礎設施與裝備，更好地完成預警探測、戰術推演、指揮控制等多種計算任務。

（一）基本概念

分散式計算是指戰場用戶利用可編程的網絡協議，通過任務感知、任務調度的方式使用本地環境內每臺終端設備中可用的計算能力、信息與存儲資源，無需集中連接即可實現設備間數據存儲和計算能力無縫交換的計算方法。

分散式計算將數據分解成許多小的部分，分配給就近計算設備進行處理，可節約整體計算時間，大大提高計算效率。DARPA認為，分散式計算概念廣泛適用于美國軍方及其利益共同體的各種想定。為此，DCOMP項目明確了以下研究目標：一是開發利用物理上分散的計算算法和協議，大幅度提升應用程序和網絡傳輸性能；二是基于邊緣網絡構造云平臺；三是針對性地自動將計算移動到網絡邊緣；四是開發面向邊緣網絡的協議體系，以彌補現有因特網協議對邊緣網絡支撐的不足。

（二）背景分析

一是DARPA要求戰場用戶能夠實時獲得數據支持。當前技術條件下，具有重要計算需求的用戶通常依賴于對大型、高度共享的數據中心的訪問，他們將數據（如圖像、視頻或者網絡日志文件）回傳到該中心進行處理。然而，在網絡吞吐量嚴重受限或用戶應用需要近于實時響應的狀況下，這種“回程”的延遲可能會引發嚴重的問題。在這種情況下，用戶若能利用本地可用的計算能力，則能夠大大提高應用的性能，同時降低任務風險。而分散式計算項目尋求開發可擴縮的、魯棒的決策系統，使具有競爭性需求的用戶能夠基于任務感知，對計算資源進行安全的、集中式的任務分配，并可跨越大量異構計算平臺實現，從而設計出能夠在網絡連接性高度變化和惡化的環境中運行的系統，使用戶能夠以最適合任務需求的方式接入，實現數據的快速處理。

二是DARPA要求網絡協議能夠實現網絡可編程。分散式計算項目還尋求網絡協議方面的創新。自因特網體系結構及其協議首次被提出以來，網絡傳輸容量增長了多個數量級，用戶的應用需求發生了巨變，然而指導互聯網體系結構的“端到端”設計原則，導致應用層和傳輸層協議邏輯主要局限于作為數據源和接收器的端點，造成數據網絡缺乏可編程計算能力。分散式計算技術已賦予網絡可編程、安全高速的信息處理能力，這需要重新考慮如何利用位于路徑上的端點之間的可編程執行環境來提高性能，例如，通過協議邏輯的動態修改，或者本地化的路徑內分析，實現有效的診斷和糾正功能。包含分散式計算軟件的可編程平臺被稱為組網式計算點（NCP），用來支持用戶應用程序、網絡協議堆棧或者兼顧兩者的多種功能。

三是DARPA要求能夠綜合提高網絡能力。DARPA認為，目前其戰場數據處理過于依賴后方數據中心，在現有網絡系統中，大部分網絡設備僅作為數據傳輸節點，并不參與數據計算和存儲交換等工作，相關工作僅由數據中心完成，在這種情況下，大量網絡資源得不到充分利用。但在戰場環境下，大量用戶同時提交數據需求，數據中心處理要求和網絡傳輸壓力較平時大幅提升，加之新一代作戰指揮強調高機動、輕量化、小規模，連排級分隊快速機動行動將成為主要的作戰形式，在惡劣戰場對抗前沿環境存在網絡信號和帶寬不穩定的情況，可能造成信息傳輸延遲，極大地影響作戰效能。對此，DARPA信息創新辦公室（I2O）于2016年6月提出DCOMP，旨在克服當前互聯網體系結構中的不足，使大量分散的計算平臺能夠賦網成云，實現數據到代碼的策略性自動移動，使應用程序和網絡傳輸性能實現數量級增長，以改變傳統網絡體系，研發能夠在網絡狀態高度變化環境下有效運行的新型系統，將相關網絡設備由數據傳輸節點變為可隨時調用的計算和通信資源，提供高效智能的計算分析和協同共享能力，從而提升網絡系統整體能力，滿足用戶需要。

（三）主要技術特點

DCOMP主要采用面向大數據處理的編碼分布式計算技術、可編程網絡協議棧技術，以及基于任務完成時間的邊緣調度技術等核心技術，與傳統網絡系統相比，具有以下特點：

一是可靈活調用網絡中分散的設備資源。大部分網絡設備將具有數據處理和交換功能，形成可調用的計算和通信資源，系統可自動識別可用網絡設備，根據需要動態分配數據傳輸、計算等任務至相關設備，以提高數據傳輸和處理效率。

二是具備自我感知和快速響應能力。戰場網絡環境中，人員和裝備攜帶的網絡設備在移動過程中能快速感應網絡帶寬、信號變化情況，通過相關協議進行自動適配，確保數據服務請求得到快速響應，而無需將數據回傳到后方數據中心，就地處理數據，可降低數據處理的時延，提高作戰系統的實時性能力。

三是能夠智能調控網絡數據流量。針對戰場上大量數據請求給網絡帶來的巨大負載，分散式計算將開發可編程網絡節點和協議棧，通過協議邏輯的動態修改、本地化路徑內分析，自動對數據進行整合與精簡，實現智能診斷與錯誤糾正，并按優先等級傳輸和處理數據，使網絡傳輸更智能，從而確保數據傳輸的快速、安全性。

四是實現計算能力的倍增。分散式計算具備跨異構計算平臺能力，可進行集中式任務分配，可合理應用網絡組件、電臺、智能電話、傳感器、便攜式云計算設備，配置可編程執行環境，實現作戰前線計算能力的最大化。

二、現狀分析

（一）主要研究內容

DCOMP項目從技術內容角度包括3個技術域（TA），在技術域內及跨技術域之間將進行迭代開發、樣機研究和試驗。

TA1的階段性目標是實現分散式任務感知計算算法。重點關注以下方面：一是在綜合考慮組網式計算點的負載、計算能力、網絡路徑特性的情況下，提供最佳計算方案。二是及時處理數據，減少回傳數據量。三是及時發現、監視后續數據動向。四是充分利用各種計算設備的計算能力、設備故障感知和恢復能力、任務優先級區分能力，實現分布式控制，滿足健壯性和安全訪問的要求。

TA2的階段性目標是實現可編程節點和協議堆棧。重點關注以下方面：一是網絡節點具備探測、測量和分析功能，實現有效的網絡診斷。二是網絡節點通信協議邏輯清晰，便于觀察數據傳輸路徑。三是根據傳輸帶寬智能分配計算資源。四是網絡節點安全與系統安全，確保數據傳輸與運算的穩定性。

TA3的階段性目標是技術集成。將重點關注分散式任務感知算法與可編程節點和協議堆棧實現時的協同性，減少系統運行時的內部沖突。

（二）面臨的主要挑戰

當前DCOMP項目面臨的問題與挑戰主要集中于TA1和TA2。

TA1面臨的主要問題與挑戰包括：一是如何確定延遲、網絡負載、功耗、網絡節點健壯性等計算任務分配參數的標準；二是如何優化分散式計算方案；三是系統可涵蓋的網絡節點和用戶數量；四是如何確定計算任務的優先等級；五是如何處理網絡不穩定情況下的數據分發。

TA2面臨的主要問題與挑戰包括：一是如何根據系統和任務需要制定通信協議邏輯；二是如何在網絡環境多變的情況下進行有效通信；三是如何最優化網絡通信；四是如何避免數據重復傳輸帶來的網絡負擔；五是如何確保網絡節點與整體通信的安全。

三、主要啟示

（一）我軍網絡技術面臨與DARPA同樣的問題及挑戰

對比DARPA分散式計算的需求發現，我軍網絡技術存在的問題主要包括以下三個方面：

一是靈活調用網絡資源難，動態組網能力弱。未來聯合作戰要求指揮信息能夠在態勢感知、指揮決策、力量控制和支援保障等職能域之間按需流動，在需要的時間傳送到需要的點位，這就要求網絡資源與業務系統要高度動態耦合，能夠實現動態靈活組網、按需進行資源調度。當前IP網，要么垂直建設、專網林立，要么不區分業務、過度使用資源，要么獨自使用、共享不暢，這些情況都難以適應聯合作戰的要求，必須厘清用網需求、明確業務類別、統一規劃設計、集中統籌資源、靈活分域保障，才能強化業務與網絡的耦合，實現網系動態自動組網。

二是自動化管理弱，服務質量無保證。現有網管系統功能不強、配置復雜、基礎數據不足，缺乏全網全局性綜合管理手段，難以全面掌握網絡運行態勢，不能有效抑止用戶過度占用或違規使用資源；服務質量保證策略只能通過人工靜態設置、預先配置，不能動態調整，這主要是由于IP網絡存在服務質量感知、資源調控能力弱的缺陷，急需提高自動化管理能力，簡化網絡配置復雜度，增強按需動態配置能力，縮短預先規劃時間。

三是戰術前沿缺乏智能化手段。戰術偵察的智能化能力不足，跨媒體（影像情報、實時情報、視頻情報）的戰術目標識別跟蹤、目標毀傷分析、軌跡分析等技術能力智能化水平不高，仍需要進行一定的人工分析工作，無法適應戰術前沿進行快速、可靠偵察的需求，急需提升跨媒體的戰術目標識別跟蹤、目標毀傷分析、軌跡分析等技術能力。從大量實時的視頻和圖像情報中識別目標并分析其軌跡，對網絡的計算能力和智能化水平都是巨大的挑戰。

（二）我軍戰術通信網絡應緊跟未來網絡發展趨勢

未來戰術通信網絡已成為國內外學術界和產業界研究的熱點之一，呈現出異構融合、網絡編程、動態感知、按需分配、靈活組網等諸多新特征。計算和存儲將成為網絡的重要功能，現有網絡中的數據存在嚴重的冗余傳輸，造成網絡資源的極大浪費，同時影響了用戶體驗。在網絡中合理地集成存儲、計算功能，利用存儲換帶寬正成為一種可行的設計思路。同時，未來網絡將融合更多的智能要素，將通過多種測量分析手段，提供多種感知能力，包括網絡感知能力、內容感知能力和情境感知能力等，網絡與應用的雙向感知、協調控制能力及自管理機制成為未來網絡的重要功能。我軍戰術通信網應順應趨勢，在組網方式上向軟件定義方向發展，支持面向作戰任務的按需組網，能夠根據資源狀態和任務需求的變化動態調整網絡拓撲，支持網絡資源的按需分配；在資源組織運用方式上向虛擬化、網絡化共享發展，通過資源感知和統一描述，構建包含網絡、傳輸、計算、存儲等在內的通信計算資源，以及兵力火力等戰斗資源的虛擬資源池，支持資源的按需調度與動態分配，靈活支持各類作戰應用需求。

（三）基本結論

近年來，戰爭形態快速轉型、武器裝備更新換代和使命任務不斷拓展，以及戰場網絡環境的不斷變化，對計算、網絡和指揮等環境要素提出了全新要求。鑒于分散式計算技術的主要技術理念和重要特征符合未來戰場網絡的應用要求和發展趨勢，經分析研判可以認為：分散式計算技術是一種結合感知、計算、存儲、智能等技術的新型未來網絡技術，可有效提升我軍網絡的快速反應能力、網絡感知能力和計算能力。

我軍未來網絡建設可從以下幾個方面借鑒DCOMP的研究。一是對于可動態變化和配置的網絡協議的研發，在能夠適應戰術前沿弱連接、高動態、高毀傷環境的同時，應減少人工配置網絡的時間，以加快戰術系統的開設速度。二是對于網絡內可編程計算節點的研發與推廣，網絡內計算節點的交互關系可以根據應用需求、網絡狀態等實時變化，以彌補傳統應用模式固定不可變的缺點。三是使用計算融入通信的方式為戰術前沿需要高智能化、大計算量、高通信帶寬的跨媒體的戰術目標識別跟蹤、目標毀傷分析、軌跡分析等應用提供技術支持。

四、措施建議

（一）持續跟蹤研究

針對我軍網絡現狀，密切關注DARPA的DCOMP等研究項目的最新進展，深入開展分散式計算理論方法的研究，吸收借鑒其技術架構、協議體系、調度算法、關鍵技術等最新研究成果，加快推進我軍戰術網絡環境下對低時延作戰應用的支持研究。

（二）組織專項論證

結合我軍網絡信息體系建設的需求，組織專家圍繞網絡設施問題、基礎平臺能力問題和戰術前沿智能化問題開展專項研究，論證分散式計算技術對作戰模式和信息傳輸處理方式的影響，進行高動態平臺作戰應用場景分析，為下一代戰術信息通信裝備發展提供支撐。

（三）關鍵技術攻關

結合我軍網絡建設實際，通過安排預先研究項目，加大分散式任務感知計算算法、網絡可編程節點和協議堆棧等關鍵技術研究的支持。一是在網絡架構與協議方面，重點研究網絡資源可全局調度、網絡節點能力可編程開放等內容。二是在可編程網絡和資源按需共享方面，重點研究作戰任務的按需組網，網絡拓撲動態調整，網絡資源的去中心化存儲等內容。三是安全方面，重點研究分散式計算中的安全保密、安全存儲、鑒權認證等內容。