李鵬偉 楊海濤

偵察情報系統(tǒng)依托戰(zhàn)術通信網(wǎng)絡,連接各級情報處理節(jié)點和空中地面多種偵察探測裝備,集偵察監(jiān)視、情報處理、分發(fā)應用為一體,為聯(lián)合作戰(zhàn)指揮決策、部隊作戰(zhàn)行動、實施聯(lián)合火力打擊和防空作戰(zhàn)等提供及時可靠情報保障和信息支持[1].在偵察情報系統(tǒng)中,情報信息種類眾多,包括文字、圖像、影像等;偵察探測裝備數(shù)量大、狀態(tài)更新快,會隨時加入或者退出系統(tǒng);情報處理節(jié)點需要及時按需獲取情報信息,這些都對偵察情報系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分發(fā)提出了更高要求.

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(Data distribution service,DDS)[2]規(guī)范是對象管理組織(Object management group,OMG)于2004年12月頒布的分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分發(fā)的一個最新規(guī)范.DDS可以滿足分布式系統(tǒng)的實時和高速數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡環(huán)境下的動態(tài)管理和按需多點分發(fā),目前被廣泛應用于軍事、航空、通信、交通運輸、工業(yè)自動化、金融等領域.

本文首先分析了偵察情報系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)分發(fā)的需求,并利用開源DDS中間件提出了基于DDS的偵察情報系統(tǒng)的設計思路,最后通過測試分析了基于DDS的偵察情報系統(tǒng)的性能.

1 偵察情報系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分發(fā)需求分析

偵察情報系統(tǒng)具有偵察監(jiān)視、情報處理、分發(fā)應用的功能,本文重點分析其在情報數(shù)據(jù)分發(fā)方面的需求.圖1中是一個簡化的機步團偵察情報系統(tǒng).

在如圖1所示的偵察情報系統(tǒng)中,機步營情報處理單元通過偵察分隊以及近、中、遠程無人機獲取敵方地面部隊的目標信息,將這些目標信息發(fā)送給機步團情報處理單元;防空雷達探測到敵方飛機,將敵方飛機目標信息發(fā)送給防空團情報處理單元,防空團情報處理單元生成空情戰(zhàn)場態(tài)勢信息;機步團情報處理單元根據(jù)機步營情報處理單元發(fā)送的目標信息以及友鄰部隊發(fā)送的空情戰(zhàn)場態(tài)勢信息,生成敵情綜合態(tài)勢,并將敵情綜合態(tài)勢信息向機步營情報處理單元和上級情報處理單元分發(fā).在這個過程中,每一個環(huán)節(jié)都要求有很強的實時性和可靠性,這就對數(shù)據(jù)分發(fā)提出了如下要求.

1)可靠性.只有獲得準確可靠的目標信息和空情戰(zhàn)場態(tài)勢信息,機步團情報處理單元才能形成正確的敵情綜合態(tài)勢,指揮員才能做出正確決策,下達作戰(zhàn)命令.在戰(zhàn)場環(huán)境條件下,通信條件比較惡劣,通信帶寬有限,如何保證數(shù)據(jù)的可靠性是數(shù)據(jù)分發(fā)要解決的關鍵問題.

圖1 機步團偵察情報系統(tǒng)示意圖

2)實時性.在戰(zhàn)場中,情報的時效性尤為明顯,一條至關重要的情報當時機已過,且不相關決策已定,則該情報將變得毫無價值,因此,偵察情報系統(tǒng)也對數(shù)據(jù)分發(fā)提出了實時性要求.

3)復雜性.復雜性主要體現(xiàn)在兩個方面:一是用戶復雜性,在偵察情報系統(tǒng)中有許多探測偵察裝備和情報處理單元,這些探測偵察裝備和情報處理單元是動態(tài)變化的(如隨時加入或退出),這要求數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)能夠動態(tài)管理這些探測偵察裝備和情報處理單元;二是情報數(shù)據(jù)復雜性,不同情報處理單元對不同的情報數(shù)據(jù)感興趣,比如師情報處理單元主要關心整個戰(zhàn)場環(huán)境內己方和敵方部隊的整體動向,連情報處理單元主要關注作戰(zhàn)區(qū)域內敵方準確的武器部署、活動信息,只有將用戶感興趣的數(shù)據(jù)進行按需分發(fā),才能真正對決策起到支持作用,同時節(jié)省通信資源.

2 DDS在偵察情報系統(tǒng)中應用方式設計

2.1 DDS體系結構及實現(xiàn)

DDS規(guī)范采用一種以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱(Data centered publish subscribe,DCPS)機制,提供一個與平臺無關的數(shù)據(jù)模型.DDS由2層組成,分別是數(shù)據(jù)本地重構層(Data local reconstruction layer,DLRL)和DCPS.DCPS是DDS的核心和基礎,提供了基本的通信服務,負責數(shù)據(jù)傳輸以及相關服務質量的控制保證等.DLRL將DCPS提供的服務進行了抽象,在DLRL建立了與底層服務的映射[3].

自2004年12月發(fā)布DDS規(guī)范以來,多家公司和組織開發(fā)了遵循DDS規(guī)范的DDS中間件產(chǎn)品,其中比較常見的主要有RTI DDS中間件、OpenSplice DDS中間件、OpenDDS中間件、CoreDX DDS中間件以及MicroDDS中間件,這些DDS中間件都遵循DDS規(guī)范,適用于不同的應用環(huán)境.需要說明的是,OpenDDS中間件是開源程序,本文正是基于OpenDDS中間件開展相關研究.

目前國內對DDS的研究才剛剛起步,其中國防科學技術大學開發(fā)了DDS規(guī)范實現(xiàn),研究人員出版了相關專著[4];電子與通信研究院開發(fā)了DDS規(guī)范核心實現(xiàn);北京神州普惠公司開發(fā)了AppDDS產(chǎn)品,實現(xiàn)了DDS規(guī)范.

2.2 基于DDS的偵察情報系統(tǒng)體系結構

本文根據(jù)DDS規(guī)范,基于DDS中間件設計了偵察情報系統(tǒng)體系結構,如圖2所示.

在該系統(tǒng)中,為了描述方便,本文將偵察探測裝備、情報處理單元統(tǒng)稱為情報單元.各情報單元之間的數(shù)據(jù)交互通過發(fā)布和訂閱相應主題來完成,每個情報單元向DDS中間件提交所要發(fā)布或訂閱的主題列表,DDS中間件記錄每個情報單元提供的主題列表,并進行匹配.當主題匹配成功時,DDS中間件會在主題發(fā)布情報單元和主題訂閱情報單元之間建立數(shù)據(jù)傳輸連接,完成數(shù)據(jù)傳輸.各情報單元可隨時新增或者取消要發(fā)布或訂閱的主題,從而實現(xiàn)動態(tài)加入或者退出.

3 基于DDS的偵察情報系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)性能分析

基于DDS的偵察情報系統(tǒng)通過新增或者取消主題,能夠實現(xiàn)情報單元的動態(tài)加入和退出,通過訂閱不同的主題實現(xiàn)對情報的按需索取,能夠滿足復雜性需求.本節(jié)進一步分析基于DDS的偵察情報系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)的實時性和可靠性.

圖2 基于DDS的偵察情報系統(tǒng)

3.1 指標的選取

通常情況下,時延和丟包率是評價實時性和可靠性的常用指標[5],本文也選取這兩個指標對基于DDS的偵察情報系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)性能進行分析.

在時延測試中,即使使用了網(wǎng)絡時鐘協(xié)議(Network time protocol,NTP),也很難同步網(wǎng)絡中分布式節(jié)點的本地時鐘.為了避免因分布式節(jié)點本地時鐘不同步帶來的誤差,本文采用單端計時的方法測試往返時延,取往返時延值的一半為端到端時延值.假設第i數(shù)據(jù)包發(fā)送時的時間為Tsi,返回時的時間為Tei,則該數(shù)據(jù)包的端到端時延為

通過測試一段時間內的數(shù)據(jù)包的端到端時延,取平均值,則數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r延為

式中,G為一段時間內數(shù)據(jù)包的總數(shù).

丟包率可以用一段時間內接收到的數(shù)據(jù)包總量與發(fā)送數(shù)據(jù)包總量之比來衡量,即

式中,GR為一段時間內接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù),GT為一段時間內發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù).

3.2 測試方案

該測試方案選擇獨立的100 Mbit局域網(wǎng)環(huán)境,采用“一對一”和“一對多”2種模式,數(shù)據(jù)包大小從22～214Byte,網(wǎng)絡丟包率從0%～5%,數(shù)據(jù)包發(fā)送速率為100次/s.

數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Чc上層的QoS策略配置以及底層的傳輸協(xié)議性能有關,在對上層QoS策略進行合適配置基礎上,本文主要測試底層傳輸協(xié)議性能對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?

DDS中集成了TCP、UDP和組播協(xié)議這3種形式,其中組播協(xié)議支持“盡力而為”和“可靠傳輸”兩種模式.本文主要選擇TCP、UDP和可靠組播協(xié)議.

3.3 測試結果及分析

首先測試“一對一”模式下,數(shù)據(jù)包大小從22～214Byte,數(shù)據(jù)包發(fā)送速率為100次/s,逐漸增大網(wǎng)絡負載,得到傳輸協(xié)議時延平均值如圖3所示.

圖3 “一對一”模式下數(shù)據(jù)包大小對傳輸協(xié)議平均時延的影響

從圖3中可以看出,在數(shù)據(jù)包小于1024Byte時,3種傳輸協(xié)議的平均時延值相差不大,且基本保持不變,保持在900μs左右;當數(shù)據(jù)包長度大于2048Byte時,3種傳輸協(xié)議的平均時延值逐漸增大,這是因為在DDS中,MTU(Maximum transmission unit)值為1400Byte,當數(shù)據(jù)包長度大于1400Byte時,會對數(shù)據(jù)包進行分割,從而帶來額外時延.

在“一對多”模式,設置20個節(jié)點接收數(shù)據(jù),網(wǎng)絡丟包率為0%,數(shù)據(jù)包大小從22～213Byte,數(shù)據(jù)包發(fā)送速率為100次/s,逐漸增大網(wǎng)絡負載,得到傳輸協(xié)議時延平均值如圖4所示.

圖4 “一對多”模式下數(shù)據(jù)包大小對傳輸協(xié)議平均時延的影響

從圖4中可以看出,和一個接收節(jié)點相比,20個接收節(jié)點對應的3種傳輸協(xié)議的平均時延整體有所增加,增加幅度在200μs左右,可靠組播協(xié)議的整體時延值要小于TCP和UDP;當數(shù)據(jù)包小于1024Byte時,3種傳輸協(xié)議的平均時延值基本保持不變;當數(shù)據(jù)包長度大于4096Byte時,TCP和UDP協(xié)議的平均時延值急劇增大,這是由于此時網(wǎng)絡的擁塞而導致的較大時延.

結合圖3和圖4可以看出,基于3種傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸都具有低時延的特點,并且當接收節(jié)點增加到20個時,平均時延無明顯變化,這說明了DDS具有很好的擴展性.需要說明的是,在接收節(jié)點數(shù)量增加時,與采用可靠組播協(xié)議相比,采用單播協(xié)議(TCP和UDP)會占用大量的網(wǎng)絡帶寬.

分別設置網(wǎng)絡丟包率為0%、1%、3%和5%,測試不同數(shù)量接收節(jié)點(從1～20個)時,各傳輸協(xié)議成功傳輸數(shù)據(jù)包的數(shù)量.測試結果表明,TCP和可靠組播協(xié)議均能接收到所有數(shù)據(jù)包,可靠性很高;在網(wǎng)絡丟包率不為0%時,UDP協(xié)議不能接收到所有數(shù)據(jù)包,可靠性較低.圖5為接收節(jié)點數(shù)量為20時,不同丟包率下各傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸成功率.

3.4 小結

圖5 20個接收節(jié)點時不同丟包率對傳輸協(xié)議可靠性影響

通過對DDS中間的數(shù)據(jù)分發(fā)性能進行測試分析,可以看出,DDS中間件的數(shù)據(jù)分發(fā)具有實時性和可靠性,能滿足偵察情報系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)需求.在測試中發(fā)現(xiàn),在不同環(huán)境條件下(如接收節(jié)點數(shù)量、網(wǎng)絡丟包率),各傳輸協(xié)議的性能不同.在實際應用中,戰(zhàn)場環(huán)境是動態(tài)變化的,需要根據(jù)環(huán)境條件為偵察情報系統(tǒng)配置合適的傳輸協(xié)議.然而,手動配置和切換,既不能滿足實時性要求,也不能保證配置的準確性,因此需要一種自適應調整機制自動為偵察情報系統(tǒng)配置合適的傳輸協(xié)議,以保證數(shù)據(jù)分發(fā)的實時可靠.

4 總結

本文針對偵察情報系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分發(fā)需求,提出了基于DDS的偵察情報系統(tǒng)設計思路,并在不同條件下對DDS中間件的性能進行了測試.測試分析結果表明,基于DDS中間件的數(shù)據(jù)分發(fā)具有低時延和高可靠性特點,能夠為偵察情報系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)提供有力支持.

下一步工作將會研究自適應調整機制,開發(fā)具有傳輸協(xié)議自適應調整功能的DDS中間件,以實現(xiàn)偵察情報系統(tǒng)在戰(zhàn)場環(huán)境中的自適應調整和配置,最大程度地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r可靠.