全球信息栅格中的性能评估体系结构研究

张培珍　杨根源　马　良　王宗虎

摘 要：GIG性能评估体系结构主要应用在战术级网络和信息融合两方面。首先，利用GIG技术对端对端端口的应用和服务性能进行评估。其次，通过建立战术级实例来定义GIG作战想定环境，并且通过假设的模型来预测端与端性能的优劣。最后，应用性能评估工具对GIG性能进行快速的评估和参数分析。该系统的研究对我军信息化建设具有重大意义。

关键词：全球信息栅格；性能评估体系；信息技术；E2E

中图分类号：E967.0文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2009)05-063-04

Research on the Performance Assessment Framework of Global Information Grid

ZHANG Peizhen1,YANG Genyuan2,MA Liang1,WANG Zonghu1

(1.Naval Aeronautical Engineering Institute,Yantai,264001,Chian;

2.Naval Information Expert and Consult Committee,Beijing,100073,China)

Abstract：This paper discusses the GIG performance assessment framework that was developed by the office of the secretary of defense for networks & information integration to evaluate E2E application and service performance across the GIG.The paper describes the use case based strategy that was developed to define GIG operational scenarios,and the simulation models that were developed to predict end-to-end performance.In addition ,the paper details the performance evaluation tool that was developed to allow rapid assessment and parametric analysis of GIG performance.It has a momentous significance for our army′s information building.

Keywords：global information grid;performance assessment framework;information technology;E2E

0 引 言

1999年，美国国防部提出了建设全球信息栅格(Global Information Grid,GIG)的设想，其目的是将美军分布在全球的计算机、传感器网和作战平台网组成一个大系统，实现全球范围内时域和空域的一致以及各分系统的协同，保证在未来战场上将正确的信息，以正确的时间、正确的格式传送到正确的指战员。

性能评估体系结构的设计是针对网络和信息融合两个方面考虑的。它是用来评估GIG端与端的性能，确保端与端性能满足终端使用人员的期望和需求。性能评估体系结构能够支持网络中心应用协议的研制与开发［1,2］，同时对GIG性能的不足性进行了分析，提出了一种能够快速评估端与端解决问题的有效性方法。性能评估体系结构的目的是在一定的度量空间里对端与端性能进行分析评估，使终端使用人员更直观地理解性能分析评估的结果，如服务应用软件的有效性和快速反应时间。

性能评估体系结构的提出是基于下面的原因：第一，个体的GIG传输主要是集中在单一网络的传输性能，它并不能评估经过多个网络的端与端传输性能。第二，GIG应用和服务开发软件并没有覆盖所有传输网络的性能，尤其在战术级网络中没有研制开发新的应用软件。这样，战术级使用人员由于网络低宽带、高延迟和数据包的丢失，使得在应用中不能发挥本身应有的性能。第三，GIG开发软件也很少考虑所有数据平台与控制协议之间的相互影响。例如，GIG传输程序对于建立在端对端的各层的性能是无效的，但GIG技术总体性能要远远超过各分层的性能。

1 全球信息栅格概述

1.1 全球信息栅格概念

全球信息栅格是指全球互连、端对端、能根据战斗人员、决策人员和支援人员的要求来收集、处理、存储、分发和管理信息的信息能力及相关过程和人员的集合［1-3］。

1.2 GIG结构组成

在系统组成方面，GIG将系统设想总体结构分为基础、通信、计算、全球应用和使用人员五个层次。其中基础层包括体系结构、频谱分配、政策、条令、标准、工程和管理；通信层设施层包括光纤通信、卫星通信、国防信息系统网、无线电台网、移动用户业务和远程接入点等；计算设施层包括Web服务、中心文件库的软件开发、电子邮件和百万级中心的认证服务等；全球应用层包括全球指挥控制系统、全球战斗支持系统、日常事务处理应用程序和医疗保障系统等；使用人员层包括陆、海、空、天军及海军陆战队、特种部队等。

2 性能评估体系结构

2.1 GIG应用需求分析

在研制开发性能评估体系PAF(Performance Assessment Framework)中，第一步就是确定GIG使用人员和任务需求。最初通过网络中心一体化概念、网络服务公司、联合任务区域、多路传感器、应用程序软件DODAF和信息交换需求来完成。使用人员和任务需求已经清楚地表明GIG与因特网不同，他是由具有不同性能局域的网络组成的。同时，GIG使用人员范围之广，包括战略级、战术级和商业人员。所有使用人员通过GIG从各种各样的局域网进入总部中心，利用GIG技术，使用人员可以在许多方面得到各种需求［4,5］。

通常情况下，应用软件的性能不是根据使用人员的类型、场所和网络来决定的，而是根据实际应用性能所决定的。GIG网络和入口技术有内在的带宽、潜在和易丢失数据的特性，这些因素必将会影响应用软件的整体性能。PAF认为，对于所有的GIG使用人员，由于系统本身的局限性，使得定义一个统一标准的应用软件的目标是不可能的。相反，应用软件的性能必须使每个使用人员通过GIG技术实现网络的互通、互连、互操作。

起初，PAF由于考虑到想定事例简单而试图确定最典型的GIG使用情况进行分析评估。显然这种策略是不切实际的，由于GIG使用人员范围之广，要求实现的性能需求也不尽相同。因此，PAF通过选择大量的事例进行分析评估。当前，利用5 000多个例子进行分析和仿真，其中一个典型的例子如图1所示。COTM中的指挥员想要知道CJTF所在位置的画面信息。COTM终端通过使用卫星网络WGS或TSAT连接到CJTF端，通过卫星无线网络相互连接使得入口服务器能高速连接到作战环境中的每一个个体单元。入口服务器负责把询问信息送到锥体信息中心，通过使用卫星连接到DISN核心部分。这个请求就发送到CONUS数据中心，如国防部计算中心(DECC)。数据中心认证使用人员，进行联合查寻，然后把结果发送到入口服务器、接着再把信息结果传送到COTM指挥官。指挥官从最近的传送服务器就可以下载所需画面图像信息。从这个例子中可以看出，指挥官在指挥中心就可以了解下属所在位置的信息情况。同时，这个体系结构可以处理大量的数据管理分发信息，以此来帮助指挥决策者作出快速有效的决策。

GIG使用人员可以发送和接收信息而且可以在人或机器之间传送信息数据。当前PAF版本定义了11种使用人员操作模型的类型，每一种使用类型都有不同的操作能力和性能。

GIG连通性是连接网络和一系列网络用来发送和接收使用人员所需要的信息。目前，PAF包括6种GIG有线和无线网络类型，当前PAF网路类型和网络的要素结合成PET(Performance Evaluation Tool)如表1所示。使用这样的描述是因为每一类型的带宽、数据包的丢失、数据包的延迟和它们的有效性能都是截然不同的。PAF已经得到验证，在同一给定的等级层中，网络类型之间的性能差异也是不相同的［6,7］。例如，WGS，AEHF和TSAT都可以认为是卫星网络，但是它们体系结构之间的性能和运行有着显著的区别。

PAF定义了从每个使用人员的类型到每个GIG网络类型的端口容量。端口指标包括带宽、入口/出口延迟、数据丢失和它的有效性。而且，PAF对每个网络类型的IP服务协议层的功能进行了分类。PAF分了五个IP服务协议层，由NCID T300服务层组成。网络性能准则包括数据丢失、数据延迟(最小、平均、标准分发、90%和95%延迟)和传输内容的有效性。最后，PAF还描述了用来连接网络的相互节点，如网关、无线POPs和人机接口。主要的GIG网络中心传输性能：如TSAT，JTRS提供的网络数据都是建立在分析、验证或者软件需求的基础之上的，都证明是有效可行的。

GIG使用人员的服务应用或许多应用都是通过GIG应用软件技术实现的。当前，PAF包括30多种不同的应用软件，从聚集软件到网络中心服务软件，如协作和查明。聚集层服务描述的是主要服务功能，从基于GIG的SIPRNET和由OSD N2 处理的NIPRNET各自的带宽。而且这些服务也描述了未来重要的通信量的确认和卫星网络程序：如WIN-T和TSAT。目前网络服务是模拟NCES的。PAF认定，许多服务都要用到GIG技术，尤其在专业团队利益服务中(COI)。同时，体系结构也会随着服务信息量的增多而不断更新验证。

PAF定义了每个使用类型利用每个应用软件，每个应用软件和服务协议被分解成一系列块状信息交换。每种信息交换都有一个发送器和接收器，发送器和接收器可能是另一种使用类型或者服务协议的。而且，每个信息都定义信息的大小尺寸、传输协议和服务层。

GIG使用的情况复杂，包括很多使用人员、使用人员的协议和协议与协议之间的通信。单一的使用情况涉及到许多节点和许多网络类型。而且，随着GIG技术使用情况的增加，就会带来更多的使用类型、更多的网络系统和更多的应用软件，还要作出更多的分析验证。当前由PET合成的GIG技术，在应用类型、组成网络、应用和协议、协议框架方面都有可能超过百万级。

2.2 GIG端对端性能模型

PAF网络模型的目标是基于单个GIG技术组合后对E2E(End-to-End)软件使用情况进行分析评估。GIG网络模型从策略上要达到在准确性和计算复杂度两方面之间寻求一种新的平衡。如果GIG应用软件和网络类型不断增多，那么单一E2E的GIG模型包括所有的网络和应用软件的特性就不可能存在。而且，当各层GIG利用各层的模型和仿真工具来评估每个层次的性能，如果在短期内把那些工具组合在一起是不可行的。因此，PAF决定研制开发短期和长期两种网络模型策略［8,9］。

长期模型的策略就是寻求开发研制组合的E2E模型，使得那些综合程序支持具体GIG的各个分层模型。这种方法的成功之处就是把每个模型结合在一起，形成一个标准统一的核心模型，从而使得各部分的模型很容易组合起来形成一个整体。大多数GIG分层模型用来构造一个OPNET核心模型，使得合成模型成为可能。但是，未来GIG网络中心传输和协议程序还没有形成统一的标准界面。因此，PAF决定用短期网络模型策略来预测E2E使用情况的性能。

短期模型策略模仿GIG网络的互连通性作为IP协议，它的许多性能通过IP协议数据的延迟、丢失和网络的有效性来定义。各部分的延迟特性假设有一定的补偿，通常是万分之一级。这种万分之一的延迟是经过许多模拟分析以及通过GIG程序的网络延迟性能特性决定的。而且，这种补偿有一个典型的特征就是会形成网络拥塞现象，尤其是无线宽带需求网络更是如此。

对每一个GIG传输网络的发送延迟是由服务层最小的延迟、平均延迟和GIG网络各部分延迟产生的。标准万分之一发送信息会产生数据包的延迟，可能是由于随机的数据包到数据包的变化产生的，而且，当一个数据包产生长延迟时，下一个数据包就会产生短延迟，这样的现象通常与标准的模拟数据包延迟的性能是不一致的，而这些性能的延迟是由许多TCP协议传输部分形成的。PAF延迟模型是把那些具有共同特性组合成端对端延迟模型，通过相互关联的数据包进行延迟，这种延迟模型策略会产生尾部数据包延迟特性。在PAF中，这种通过收集性能特性的模型也就是IP协议模型，与端对端数据包相互关联的完整网络仿真模型相比较。可以表明，这些模型方法产生的结果是由尾部端与端模型信息延迟产生的结果。

通过评估IP模型的准确性，本文用55个终端、宽带需求卫星结构体系应用IP服务质量协议、支持3个真实时间(VoIP，VTC和传感器)和两个数据应用软件(FTP和HTTP)进行模拟仿真E2E性能，卫星雷达接收机是在平均70％的负载下运行的。表2比较了从IP模型到端对端模型E2E信息的传输时间。E2E模型包括所有的数据链层和BoD协议，当IP协议模型单单使用平均和最小的数据包延迟，平均和标准发送数据包延迟都是由E2E模型产生的。结果表明，最理想的协议(正负10％)是500~5 000 KB图像信息传输所用的时间。从5~50 KB指挥控制信息结果表明，最理想的协议也就达到80％。然而，在这个体系中，IP模型理想结果可超过90％。假如PAF最终的目标是验证该体系结构性能的不足之处，那么准确性在当前层就显得非常必要了。

2.3 性能评价工具结构

PAF已经证实，大量的GIG使用事例是由一系列GIG分层设计和性能参数组成。性能参数通过自动程序产生，并且对使用事例进行分析评估。PAF开发研制一种交互式性能评估工具的目的也是如此。PET的建立在传输分发方面远远超过GIG模型、仿真群体也远远大于GIG系统工程群体。PET利用图形使用界面能够分析单一GIG使用事例或者许多GIG使用事例。同时，PET也能使新的使用人员添加到GIG群体中，网络或应用程序软件就会自动产生新的使用事例。PET包括GIG分层的性能，允许使用人员能分析评估各层性能对E2E性能的影响。各层性能包括的参数：网络的延迟、数据包的丢失、节点的有效性、服务器的反应/处理时间等。

PET包括大量的数据库信息延迟性能，是通过OPENT基础上的IP模型产生的。数据信息库包括E2E信息传输时间性能，作为网络入口/出口、信息的尺寸大小、服务层、E2E延迟、E2E数据包丢失和最小连接带宽等功能，而且，数据库也包括标准TCP协议性能和提高代理服务器性能的TCP协议。基于TCP的PEP(Performance Enhancement Proxies)是由许多DoD战术网络作为一种改进的无缝连接手段，它的使用是为了避免在IP协议端口出现拥塞现象。基于ECN(Explicit Congestion Notification)的TCP PEP方法是由基于HAIPE核心网络构成的，提供给GIG路由器以此来提高ECN的整体性能。其他TCP协议性能改进的方法要通过未来PET的升级进行分析评估。

PET工具包括处理后的特征输出，用来验证对每个GIG服务/应用在最小性能需求方面的不足性。同时也包括产生于NCOE JIC的目标应用性能阈值、服务器需求的程序信息/应用的速度以及信息产业标准性能阈值。PET把每个使用情况与指定的阈值进行比较后，允许使用人员把任何使性能降低的一些情况排除出去。

PAF建立PET能满足很多需求，软件对于GIG使用人员、开发研制人员和操纵群体都是有效的。GIG终端使用人员能利用此工具来评估E2E性能对于终端使用人员的任务需求。GIG每层开发研制人员在传输和服务两方面能使用此工具来衡量每层以及整体体系性能相对于E2E性能的灵敏性。当前，此工具支持CONUS和全球固定中心服务结构以及基于网络中心结构的内部和外部体系。

2.4 团队工作性能结构

团队工作性能团队(Performance Working Group,PWG)是在2006年春成立的一个机构，用来对PAF体系进行提炼和更新。这个团队与传输、服务、下属组织开发研制机构是一致的。它包括来自DISA的成员、联合成员、JFCOM、SPAWAR、国防需求、技术、后勤局、海军研究实验室的人员。PWG每月召开一次会议，主要是评论网络和任务模型的策略，提炼GIG使用事例。对GIG运行假设情况达成一致意见，研究对于GIG每层性能的策略，评估GIG的E2E性能结果。PWG成员也定期与NCID成员召开会议用来确定PAF模型与NCID需求之间的一致性。

PWG由四个下属群组成：任务模型、网络模型、软件工程的使用开发、应用软件的定义。PWG形成的任务模型用来确认联合使命的地区区域、任务线路、任务特征的有效性以及设计恰当的任务模型策略，使得信息传输队列与网络模型相一致。信息传输的特征是从体系结构中形成的，它反应结构文件的大小和运行内容。任务线路包括确认和绘制对于PAF使用类型与应用/服务的任务信息的需求。而且，网络模型的下属组织的形成用来确认短期和长期模型和仿真策略，以此来预测GIG端对端应用软件的性能。NM(Network Modeling)下属组织用来评论内在的GIG网络模型和以及选取的IP模型作为评估E2E性能的短期方法。作为PAF的一部分，NW定义的策略是为了定义GIG传输层的性能和性能参数，而这些参数都是每个GIG传输层必须取得的。

计算机辅助软件工程开发费用组织的组成是用来评估那些使用情形的准确性和完整性。UCD(Use Case Development)从属群确认附加的使用者的类型和网络连接路径。而且，UCD下属组织也确认新的GIG服务和服务体系结构，这部分包括相对于每层服务确认的端口节点、服务体系结构、应用软件协议和信息特征。

3 结 语

建设与实现全球信息栅格是美军实现信息优势、知识优势甚至决策优势的关键。深入研究全球信息栅格性能评估体系结构的建设，不仅对我军信息化建设具有极其重大的意义，而且会大大推进我国新军事变革的进程。

参考文献

［1］CRD Executive Agent.Global Information Grid Capstone Requirements Document ［R］.Washington:DoD Policy and Projects Division,2004:5-6.

［2］DoD Information Officer.Guidance and Policy Memo-randum No.4-8460:Department of Defense Global Information Grid Networks［R］.Washington:DoD,2003:5-9.

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［8］CAR Laboratory Tests Tactical Impact Using Information Dissemination［J］.Signal,2000:23-25.

［9］Network Centric Warfare.Department of Defense Report to Congress,2001.

作者简介

张培珍 男，1974年出生，博士。研究方向为信息作战。

杨根源 男，1965年出生，博士，教授，博士生导师。研究方向为信息作战。

马 良 男，1982年出生，博士。研究方向为海军战术。

王宗虎 男，1974年出生，硕士。研究方向为信息作战。