杜思良 倪明 張鵬

1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所江蘇南京210007

虛擬化作為云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)已逐漸滲透到各商業(yè)領(lǐng)域的云服務(wù)應(yīng)用中[1],隨著軍事云的快速發(fā)展,新一代作戰(zhàn)信息系統(tǒng)中虛擬化技術(shù)也越來越得到重視,但相關(guān)應(yīng)用更多停留在構(gòu)建云基礎(chǔ)設(shè)施[2],通常包括計(jì)算虛擬化(虛擬機(jī)和容器),存儲虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化等方面[3?5].隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭中廣域聯(lián)合、高效協(xié)同、快速共享等需求越來越強(qiáng)烈,如何有效整合戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)資源,更好發(fā)揮其效能是作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)研制與建設(shè)有待提升的關(guān)鍵問題,在此背景下,作戰(zhàn)資源虛擬化概念應(yīng)運(yùn)而生,成為近期大家關(guān)注的熱點(diǎn)之一.

目前,對作戰(zhàn)資源虛擬化應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)方法研究較少,雖然相關(guān)學(xué)者對云制造中制造資源虛擬化應(yīng)用的研究起步較早,提出了一些設(shè)備資源分類、描述、封裝、管理的方法[6?9],但由于作戰(zhàn)資源與制造資源在物理特征、使用方式、環(huán)境條件、協(xié)作要求等方面差別較大,其研究成果不能直接應(yīng)用于軍事信息系統(tǒng)中.本文基于傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理和方法[3?5],結(jié)合軍事作戰(zhàn)信息系統(tǒng)應(yīng)用需求,以傳感、武器等典型兵力兵器資源為例,提出其典型作戰(zhàn)資源虛擬化應(yīng)用架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)流程,著重介紹其應(yīng)用過程中的實(shí)現(xiàn)方法,并結(jié)合應(yīng)用案例分析作戰(zhàn)資源虛擬化給信息系統(tǒng)帶來的應(yīng)用效果,為新一代網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)信息系統(tǒng)能力提升提供技術(shù)支持.

1 基本概念

虛擬化技術(shù)是指計(jì)算元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實(shí)的基礎(chǔ)上運(yùn)行,通過軟件的方法重新定義劃分信息技術(shù)資源,實(shí)現(xiàn)資源的動態(tài)分配、靈活調(diào)度和跨域共享,從而提高資源的利用率,使資源真正成為計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施,可以滿足各種應(yīng)用靈活多變的需求[3].資源虛擬化是有選擇地抽取資源描述模型的關(guān)鍵要素,抽象化資源特性使其成為邏輯資源.

作戰(zhàn)資源虛擬化作為虛擬化技術(shù)的一種延伸,將戰(zhàn)場上物理資源轉(zhuǎn)化為可統(tǒng)一管理的邏輯化作戰(zhàn)資源,實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場資源解耦、靈活擴(kuò)展與網(wǎng)絡(luò)化組織,形成一個有機(jī)體–作戰(zhàn)資源池,使得所有作戰(zhàn)資源不僅可以“分散資源集中使用”,還能做到“集中資源分散服務(wù)”[10].

傳統(tǒng)作戰(zhàn)資源是指戰(zhàn)場上實(shí)際存在且能夠?qū)ψ鲬?zhàn)產(chǎn)生影響的物理實(shí)體,通常包括各類人員兵力、傳感器、武器平臺、后勤物資、設(shè)施設(shè)備等.隨著信息化作戰(zhàn)的發(fā)展,數(shù)據(jù)、模型、技能、服務(wù)等新興作戰(zhàn)資源越來越受到指揮員的關(guān)注.無論是傳統(tǒng)還是新興資源均有明顯的基本特性:

1) 離散性: 作戰(zhàn)資源通常是離散地分布在戰(zhàn)場環(huán)境中;

2)異構(gòu)性: 同類或不同類作戰(zhàn)資源的技術(shù)參數(shù)、工作原理、功能性能等屬性不盡相同;

3)動態(tài)性: 作戰(zhàn)資源的自身狀態(tài)、隸屬關(guān)系、作戰(zhàn)能力等屬性會隨著戰(zhàn)場上時間、環(huán)境等因素的變化而實(shí)時動態(tài)更新;

4) 結(jié)構(gòu)性: 每一個作戰(zhàn)資源通常不是孤立存在的,與其他作戰(zhàn)資源之間可能保持著約束、層次、協(xié)同、網(wǎng)絡(luò)連接等結(jié)構(gòu)關(guān)系[7].

2 技術(shù)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)流程

2.1 技術(shù)架構(gòu)

作戰(zhàn)資源虛擬化應(yīng)用的核心理念是打破物理資源實(shí)體與編配部署、功能應(yīng)用之間的緊密耦合關(guān)系,形成統(tǒng)一認(rèn)知的規(guī)范化服務(wù)能力,借助網(wǎng)絡(luò)化軍事云平臺,完成面向任務(wù)的資源統(tǒng)一組織運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)“全網(wǎng)作戰(zhàn)資源靈活感知,全網(wǎng)作戰(zhàn)資源按需使用”,提升作戰(zhàn)資源利用率和時效性.技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖1所示,主要包括物理資源接口適配、虛擬資源池、資源管理和虛擬資源應(yīng)用4 個功能層.

2.2 應(yīng)用流程

作戰(zhàn)資源虛擬化應(yīng)用是指通過接口適配獲取戰(zhàn)場上各類物理資源實(shí)體的屬性信息,進(jìn)行邏輯分類、屬性建模、映射抽取,封裝成各種虛擬資源服務(wù)注冊發(fā)布,形成虛擬資源池,并在網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中為服務(wù)使用者調(diào)用的過程[10],技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示.

應(yīng)用流程可劃分兩個主要子過程,一是將物理資源通過虛擬化過程形成離散分布、邏輯一體的作戰(zhàn)資源池,并按照策略生成資源目錄展現(xiàn)給各級用戶;二是各級用戶在作戰(zhàn)任務(wù)驅(qū)動下,選擇訪問目錄中的本地或遠(yuǎn)程部署的資源服務(wù),并獲得資源服務(wù)執(zhí)行的結(jié)果.

3 實(shí)現(xiàn)方法

結(jié)合作戰(zhàn)資源虛擬化實(shí)現(xiàn)的過程,本文選擇其中幾個關(guān)鍵步驟的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行介紹.

3.1 作戰(zhàn)資源邏輯屬性建模

作戰(zhàn)過程中戰(zhàn)場上廣域分布著數(shù)量眾多、種類繁雜、形態(tài)各異的物理資源,為完成作戰(zhàn)任務(wù)發(fā)揮著各自的作用,為了對作戰(zhàn)資源統(tǒng)一組織運(yùn)用,需要對其屬性進(jìn)行邏輯分類建模.建模過程是指使用計(jì)算機(jī)可讀的語言對作戰(zhàn)資源進(jìn)行抽象和描述,并屏蔽作戰(zhàn)資源的異構(gòu)性,是資源服務(wù)封裝與應(yīng)用的基礎(chǔ)[11].邏輯模型與物理實(shí)體不是一一對應(yīng)的,單個物理實(shí)體可以抽取出多種邏輯模型,如:某型飛機(jī)具備偵察能力、火力打擊能力、機(jī)動運(yùn)輸能力等,而多種物理實(shí)體也可以共用相同的邏輯模型.從指揮員使用的角度了解資源的當(dāng)前狀態(tài)和能力尤其重要,圖3對資源狀態(tài)和能力給出屬性描述模型.

圖1 作戰(zhàn)資源虛擬化技術(shù)架構(gòu)

圖2 作戰(zhàn)資源虛擬化實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用流程示意圖

圖3 作戰(zhàn)資源邏輯屬性描述模型示意圖

邏輯屬性描述模型中屬性的層次、分類、要素劃分方式不盡相同,目前還沒有通用的標(biāo)準(zhǔn)對信息系統(tǒng)研制進(jìn)行規(guī)范,但對于比較復(fù)雜的資源屬性(如能力資源)應(yīng)該遵循一定的原則,若資源層次分類劃分過粗,描述的要素項(xiàng)就會較多,則資源優(yōu)化重組和精準(zhǔn)配置困難;而資源劃分過細(xì),則又增加調(diào)度和管理的成本.筆者認(rèn)為:資源分類層次以兩到三層為宜,如空中偵察能力,地面打擊能力等;要素項(xiàng)劃分則依據(jù)要素集描述內(nèi)容的數(shù)據(jù)量為準(zhǔn)則,考慮資源組合使用和戰(zhàn)術(shù)級窄帶傳輸環(huán)境因素[12],每類作戰(zhàn)資源描述內(nèi)容長度應(yīng)介于幾十到幾百字節(jié)之間.具體標(biāo)準(zhǔn)的制定需要軍事人員和科研人員基于作戰(zhàn)指揮過程中資源使用需求和習(xí)慣,并考慮技術(shù)實(shí)現(xiàn)因素共同完成.

3.2 物理資源接口適配

物理資源接口適配重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)從軟件系統(tǒng)、硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)庫等物理實(shí)體中按照作戰(zhàn)資源邏輯屬性模型監(jiān)控、采集、解析數(shù)據(jù),形成物理屬性集,為資源服務(wù)抽取、封裝提供信息源,此外還包括把資源訪問過程中用戶發(fā)出控制指令傳遞給物理實(shí)體,執(zhí)行遠(yuǎn)程控制操作等.接口適配功能關(guān)系如圖4所示.

信息裝備的物理資源適配接口形態(tài)主要包括3類: 軟件接口是最主要的使用方式,通過與部署在裝備上的信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)信息采集和裝備控制;數(shù)據(jù)庫接口作為軟件接口的補(bǔ)充,主要是查詢靜態(tài)信息,如基本屬性、指標(biāo)參數(shù)、歷史資料等; 硬件接口主要針對現(xiàn)役裝備或系統(tǒng)軟件無法支撐信息獲取或控制的情況,直接從硬件設(shè)備中感知數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)起來相對比較復(fù)雜,通常需要對裝備進(jìn)行改裝,增加通信模塊和監(jiān)控代理功能,連接設(shè)備的端口,接入并解析設(shè)備的原始數(shù)據(jù),如采集裝備的實(shí)時位置、速度、運(yùn)行狀態(tài)、燃油余量數(shù)據(jù),以及控制設(shè)備開關(guān)機(jī)等.

圖4 物理資源接口適配功能關(guān)系圖

3.3 虛擬資源服務(wù)封裝管理

虛擬資源服務(wù)封裝是對獲取到的物理資源屬性采用特定的映射抽取協(xié)議和訪問方式為資源服務(wù)組件或組合提供訪問接口和綁定,以軟件服務(wù)的形態(tài)在云環(huán)境中供其他組件或應(yīng)用模塊訪問,如圖5所示.結(jié)合軍事信息系統(tǒng)中服務(wù)化應(yīng)用的方式,服務(wù)封裝可分為接口遠(yuǎn)程調(diào)用和事務(wù)處理驅(qū)動兩種類型.

接口遠(yuǎn)程調(diào)用類型適用于訪問方式固定、關(guān)系明確、結(jié)果可預(yù)期,不過多需要人為干預(yù)的情形,如:兵力狀態(tài)服務(wù),毀傷能力計(jì)算服務(wù)等.資源服務(wù)封裝就是將物理屬性按照抽取策略映射到邏輯屬性描述模型中的實(shí)現(xiàn)過程,每個資源服務(wù)按照功能可封裝為若干個接口,每個接口可由多個操作方法組成,每個操作方法均包含輸入和輸出參數(shù).使用方需顯式地調(diào)用某一具體操作,并對必要的參數(shù)賦值.接口調(diào)用可以是單向,也可是雙向的.接口是一對一的調(diào)用,若對多個資源服務(wù)的相同接口進(jìn)行調(diào)用須分別調(diào)用[13].

事務(wù)處理驅(qū)動類型適用于作戰(zhàn)資源間耦合性較低,沒有直接調(diào)用關(guān)系,通常服務(wù)的執(zhí)行比較復(fù)雜,需要與其他實(shí)體進(jìn)行交互、協(xié)同,如:空中目標(biāo)偵察服務(wù),地面火力打擊服務(wù)等.資源服務(wù)封裝除了按照邏輯屬性描述模型抽取外,還可以基于資源實(shí)體原系統(tǒng)功能增加消息傳遞方式封裝.資源服務(wù)的訪問者可以不知道服務(wù)執(zhí)行者對該事務(wù)具體的處理方法[13]和結(jié)果形態(tài).通常由資源服務(wù)訪問者通過消息向服務(wù)執(zhí)行者傳遞事務(wù)的條件、要求等信息[12],服務(wù)執(zhí)行者接收到消息后分別采取行動或?qū)嵤┨幚聿僮?復(fù)雜情況下,兩者之間還需進(jìn)行多輪的信息交換或人工干預(yù).事務(wù)處理驅(qū)動可以是一對多的訪問,多個執(zhí)行者之間可以分別或協(xié)同執(zhí)行同一個事務(wù).

圖5 虛擬資源服務(wù)封裝訪問示意圖

虛擬資源服務(wù)的統(tǒng)一管理除了常規(guī)的注冊、發(fā)布、監(jiān)控、訂閱等,還可以對服務(wù)進(jìn)行編排,根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、系統(tǒng)級別、使用權(quán)限等不同,可對有關(guān)聯(lián)的資源服務(wù)進(jìn)行組合,形成大粒度的虛擬資源[14?15].以服務(wù)目錄的形式展現(xiàn)給用戶,每個用戶根據(jù)權(quán)限和策略生成不同的目錄,并利用數(shù)據(jù)同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)資源目錄的實(shí)時更新維護(hù),從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)資源的按需感知.由于現(xiàn)實(shí)中編配給各作戰(zhàn)力量的現(xiàn)役裝備存在技術(shù)架構(gòu)、體制不同,以及作戰(zhàn)過程通信連接不能柵格化覆蓋,這些都對虛擬資源服務(wù)的靈活訪問造成限制.若針對這些作戰(zhàn)資源重新改造必然成本巨大,可以考慮增加服務(wù)訪問代理,盡可能保證原系統(tǒng)的自治性,通過在裝備本地部署或網(wǎng)絡(luò)可達(dá)的裝備上級節(jié)點(diǎn)部署,實(shí)現(xiàn)資源服務(wù)的中轉(zhuǎn)訪問.

4 應(yīng)用案例與效果

傳統(tǒng)方式作戰(zhàn)裝備和云環(huán)境下虛擬作戰(zhàn)資源組織運(yùn)用的對比如圖6所示.以作戰(zhàn)過程中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后請求火力支援,并評估打擊毀傷效果的作戰(zhàn)行動為例,簡要分析其作戰(zhàn)資源的組織運(yùn)用方法,并總結(jié)作戰(zhàn)資源虛擬化技術(shù)帶來的優(yōu)勢.

傳統(tǒng)方式下作戰(zhàn)力量和資源隸屬關(guān)系以樹狀形式呈現(xiàn),并按此形成指揮關(guān)系.主要行動過程包括:作戰(zhàn)分隊(duì)3 獲取到所屬偵察裝備探測的敵重要目標(biāo)后,需要請求上級單位協(xié)調(diào)打擊力量進(jìn)行火力支援,部隊(duì)X 則需要搜集下屬打擊力量的當(dāng)前狀態(tài)和任務(wù),經(jīng)過計(jì)劃決策后向分隊(duì)1 下達(dá)打擊目標(biāo)和打擊任務(wù),分隊(duì)1 根據(jù)任務(wù)組織武器1 實(shí)施火力打擊,打擊結(jié)束后再向上級申請打擊效果偵察,由部隊(duì)X 組織聯(lián)合偵察,并根據(jù)偵察結(jié)果進(jìn)行打擊毀傷效果評估,最后將評估結(jié)果通知所屬力量和武器.

云環(huán)境下作戰(zhàn)力量和虛擬作戰(zhàn)資源按照作戰(zhàn)任務(wù)連接到任務(wù)網(wǎng)中,以環(huán)狀或星狀呈現(xiàn),并形成扁平化作戰(zhàn)資源使用關(guān)系.任一作戰(zhàn)力量可以使用隸屬于不同作戰(zhàn)單元下的裝備,訪問虛擬資源池中的任一資源服務(wù).主要行動過程包括: 作戰(zhàn)分隊(duì)3 訂閱得到偵察裝備探測的敵重要目標(biāo)后,檢索任務(wù)網(wǎng)內(nèi)打擊、偵察力量的位置、狀態(tài)、能力等,對比決策后訪問對應(yīng)火力打擊資源和偵察、評估資源服務(wù),實(shí)施火力打擊和毀傷偵察與效果評估任務(wù),結(jié)果通過云環(huán)境全網(wǎng)共享.

結(jié)合上述作戰(zhàn)行動中資源使用方式的對比分析,作戰(zhàn)資源虛擬化技術(shù)的應(yīng)用可以在未來信息化作戰(zhàn)中取得明顯的提升效果:

1)通過實(shí)物裝備與作戰(zhàn)力量、指揮關(guān)系解耦,可以減少指揮層級,增強(qiáng)資源調(diào)整、重組及相互協(xié)同的靈活性[16];

2) 通過全面監(jiān)視廣域分布的作戰(zhàn)裝備狀態(tài)和任務(wù)飽和度,提高戰(zhàn)場資源整體使用效率,降低建設(shè)成本;

圖6 兩種作戰(zhàn)資源運(yùn)用方式對比示意圖

3)通過規(guī)范、開放物理資源適配接口,靈活接入多個任務(wù)網(wǎng),可更好地提升裝備性能、優(yōu)化裝備型譜、充分挖掘和發(fā)揮單體裝備潛能與作用,支持承擔(dān)更多任務(wù);

4)通過資源服務(wù)的分布式部署、處理和動態(tài)組合、隨時隨需統(tǒng)一管控,多手段獲取信息和執(zhí)行任務(wù),提升體系多手段容災(zāi)抗毀能力;

5)通過作戰(zhàn)裝備的屬性數(shù)字化封裝、能力直接訪問,可以更快更全面地獲取、發(fā)布、共享信息,敏捷精準(zhǔn)地進(jìn)行智能化決策、高效行動,提升系統(tǒng)自動化水平和體系的快速反應(yīng)能力.

5 結(jié)論

作戰(zhàn)資源虛擬化技術(shù)研究尚處在起步階段,其廣泛實(shí)際應(yīng)用尚有不少距離和困難.當(dāng)前,在對技術(shù)本身深入研究的同時,還需各方面共同努力,有重點(diǎn)地采取切實(shí)有效的措施來創(chuàng)造應(yīng)用的條件: 一是加快軍隊(duì)作戰(zhàn)指揮方式方法變革與創(chuàng)新,減少指揮層次,使指揮趨于扁平,弱化條令條例限制,從法規(guī)上實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)資源解耦; 二是加強(qiáng)作戰(zhàn)資源虛擬化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究與制定,用以規(guī)范、優(yōu)化裝備的對外接口設(shè)計(jì)和功能研制,為作戰(zhàn)資源的統(tǒng)一組織運(yùn)用奠定技術(shù)基礎(chǔ); 三是加快提升戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下通信性能和柵格化網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè),真正實(shí)現(xiàn)全域覆蓋、高速通信、隨遇接入、快速共享,建成支撐作戰(zhàn)資源虛擬化運(yùn)行的軍事云環(huán)境.