一种带宽受限环境下的海战场栅格服务自适应描述方法*

李 明

(武汉市江夏区藏龙北路1号 武汉 430205)



一种带宽受限环境下的海战场栅格服务自适应描述方法*

李 明

(武汉市江夏区藏龙北路1号 武汉 430205)

针对海战场带宽受限环境下可能存在的通信质量不稳、信息传输不同步等问题,论文提出了一种带宽受限环境下的海战场栅格服务自适应描述方法。定义了带宽受限的分级方法,设计了衡量服务描述文件的指标参数:重要性等级、实时性等级和修正参数,并以此计算形成服务综合性重要参数。在此基础上,根据带宽分级以及综合性重要参数对服务描述文件的格式、更新方法和更新频率进行自适应简化,给出了具体的简化算法及应用实例。在Exata环境下的仿真实验结果表明,该方法能有效降低带宽受限环境下栅格节点的接入时间及服务响应时间,具备较好的可行性及可操作性。

带宽受限; 海战场栅格; 服务描述; 自适应

Class Number TN915.02

1 引言

海战场栅格网络融合了多种异构通信方式,具有通信资源受限、网络不稳定、拓扑不断变化等典型特征,造成了栅格网络服务供给能力的短板效应[1]。海战场栅格网络由于带宽受限往往存在着传输效率不高、通信质量不稳、信息更新不同步等问题[2],从而降低了海战场的全局通信效率,影响了军事信息系统的决策优势。研究带宽受限情况下的海战场栅格服务支撑技术,分析海战场带宽受限的主要特点及其约束条件,探索带宽受限情况下栅格网络的服务描述文件优化及通信资源整合机制逐渐成为近年来的研究热点[3～5]。文献[6]针对海战场带宽受限的无线网络,提出了一种分布式资源分配算法,通过定义异构网络的效用函数,将带宽分配问题转化为一个带有线形约束条件的凸优化问题,文献[7]针对多种作战场景提出了一种基于效用的动态带宽分配算法,有效地降低了终端节点的接入失败率。文献[8]提出了一种基于分布式博弈理论的自适应带宽分配方法,通过分配带宽资源给不同的应用以最大化网络的效用函数,并通过证明达到纳什均衡点。文献[9]提供了一种通用的服务描述算法,将通信资源有效分配给请求资源的服务,并在异构网络下提供可观的服务Qos等级。

上述文献多从带宽分配优化技术以及服务描述文件的Qos方面来考虑提高服务传输质量,没有充分考虑在限定带宽提条件下如何有效的均衡传输资源的占用率及服务描述的完备性与重要性,尤其是网络拓扑变化后如何动态的调整服务描述文件以满足实际需求等问题。本文从服务描述文件的综合重要性计算以及描述文件的更新算法两方面,提出了一种带宽受限环境下的海战场栅格服务自适应描述方法,定义了带宽受限的分级方法,并根据带宽分级进行服务描述文件的自适应简化,能有效提高带宽受限环境下服务的接入时间及响应时间,在恶劣的海战场电磁环境中保证通信质量,为通信请求提供透明的、优化的、经全局统筹的服务实现技术基础,保障海上一体化信息系统的传输质量及通信效率。

2 带宽受限条件下的服务自适应描述方法

带宽受限条件下的海战场信息栅格网络中,如果使用统一而详尽的服务描述文件,尽管充分保证了描述的完备性和选择的最优化,但是详尽的服务描述文件会占用更多的存储资源和传输资源,在带宽不稳定、带宽受限等复杂的战场环境中,并不一定能够发挥出应有的效果,可能会因为带宽不足导致传输失败、信息不同步等隐患[10]。因此需要根据实际海战场的带宽情况设计一种描述文件的自适应方法。

根据带宽情况进行分级,不同分级使用不同详细程度的服务描述文件,从而尽可能确保带宽受限条件下的通信畅通、指挥协调,在牺牲一定描述完备性的情况下,保障作战任务的顺利实施。

2.1 带宽受限的分级方法

在海战场栅格网络可能存在带宽受限问题的情况下,要保障通信畅通和指挥协调,需要在带宽受限时,牺牲一部分非重要信息的描述完备性来保障任务的正常进行。

根据带宽情况对栅格网络状态进行分级,在不同分级下采用不同详细程度的服务描述文件,尽可能保障任务的正常进行[11]。

1) 流畅级

当带宽大于等于4M时,定义栅格网络为流畅级,此时采用最完备的服务描述文件,并在每次更新时详细比对服务描述文件的一致性。

2) 普通级

当带宽介于512k与4M之间时,定义栅格网络为平台级,此时采用完备的服务描述文件,但不在每次更新时详细比对服务描述文件的一致性,固定一段时间比对一次描述文件的一致性。

3) 受限级

当带宽小于512k时,定义栅格网络为受限级,此时采用简化版本的服务描述文件,使用简单的报文实现描述文件的更新工作,很长时间进行一次文件一致性的比照流程。

2.2 根据带宽受限分级进行服务描述文件的自适应方法

根据带宽受限分级对服务描述文件的格式、更新方法和更新频率进行自适应设定。本文主要从服务文件的描述详细程度以及更新机制两方面来进行带宽受限的服务自适应描述。

1) 根据带宽情况采用不同详细程度的服务描述文件,以在带宽受限时使用较为简洁的服务描述文件,简洁版本的服务描述文件包含了所有完成作战任务所必须的基本信息,而省略了一些不容易发生变动或对局部任务的执行没有影响的描述信息。使用简洁版本的服务描述文件将确保在带宽受限条件下服务描述文件的正常维护与更新。

2) 根据带宽情况采用不同的服务描述文件更新机制,确保服务描述文件的更新与同步尽可能不受带宽的影响。更新机制主要涵盖两个要素——更新方法和同步周期;更新方法可以采用单条数据更新或全表同步的形式,前者在描述文件更新时,只对产生变化的数据进行数据更新;后者则对整个描述文件进行比对和同步。显然前者的数据更新量较小但后者更能保证描述文件的一致性。综合考虑两种方法的优缺点,在带宽受限的情况下采用单条数据更新但固定时间进行全表同步的方式。

2.2.1 服务描述文件的简化方法

根据带宽受限分级对服务描述文件的格式、更新方法和更新频率进行自适应设定,产生简化的服务描述文件版本,以便在带宽受限的条件下能够不影响服务效能。

服务描述文件包含了对服务进行描述的各类信息,对服务描述文件进行简化需要遵循不影响服务描述文件正常功能的原则,因此需要对服务描述文件中包含的各类参数信息按照一定规则进行分类,然后根据分类确定简化的原则和方法。

服务描述文件中的信息可以按照重要性和实时性这两个维度进行分类:

1) 服务描述信息的重要性——依据作战任务的不同定义服务描述信息的重要性,相对而言较为重要的服务描述信息应该保留在简化后的版本中。

2) 服务描述信息的实时性——与重要性不同,实时性主要表现服务描述信息对实时更新的要求程度,实时性越高的属性通常在任务执行过程中经常变化,而实时性较低的属性可能在整个任务过程中处于惰性状态,几乎不发生变化。

本报告中将综合考量服务描述信息的重要性与实时性参数来实现服务描述文件的简化工作,通过算法对服务描述信息的重要性与实时性进行综合考量,以求简化方法的规范性与一致性。

将重要性等级划分为三个等级:

1) 重要等级3——重要性最高,通常为唯一性标识等信息,缺少重要等级3的信息通常无法识别服务描述文件。

2) 重要等级2——重要性较高,通常直接与作战使命的达成能力相关,缺少重要等级2的信息会影响作战使命的正常运作。

3) 重要等级1——重要性较低,虽然与作战使命相关,但是并不会对作战任务的执行造成直接的影响。

将实时性等级划分为三个等级:

1) 实时等级2——实时性最强,表明服务描述信息会非常频繁发生改变,例如服务的状态信息和实时的服务能力信息等。

2) 实时等级1——具有一定的实时性,可能在作战任务的执行过程中会发生一些变动,例如服务能力的统计信息,如成功率等。

3) 实时等级0——几乎对实时性没有要求,在作战任务的执行过程中呈惰性状态,例如服务的UID标识、服务的固有状态信息等。

除了上述的重要性参数和实时性参数外,额外加入一个修正参数,修正参数将根据某些服务的实际情况,对综合重要性提供微调的接口。

综上所述,本报告中通过重要性等级、实时性等级和修正参数这三个变量来获得服务描述信息的综合重要性参数,公式:

综合重要性参数= 重要性等级*(实时性等级+修正参数)

2.2.2 服务描述文件标准简化方法的应用范例

采用XML Schem方式描述雷达探测服务标准文件如图1所示。其中,雷达类别包括:警戒式雷达、跟踪雷达、攻击雷达、导航雷达等;雷达的状态包括:雷达系统状态、雷达高压、天线转速、天线工作方式、对空通道航迹状态、对海通道航迹状态、跟踪状态、跟踪目标数量等,雷达类别与雷达状态使用XML Schema中的自定义数据类型的。根据上节中提出的综合性重要参数计算方法,设计雷达服务参数计算表如表1所示。

表1 雷达服务参数计算表

图1 雷达探测服务文件描述

表1中包括了雷达服务描述文件中的所有信息,并且对每项信息设定了重要性等级、实时性等级和修正参数,最终获得了综合重要性参数。

在这个表述文件中,服务UID为服务的唯一性标识,所以重要性等级为3,服务部署参数和雷达状态信息对于作战任务会产生重大影响,因此重要性等级为2,其他描述信息的重要性等级均为1。从实时性方面来看,服务UID是永远不会发生变化的,因此为0,同理,大部分的服务能力元素都是雷达的预设理想状态,是不会发生变化的。而请求时间、执行时间这些代表服务实时能力信息会经常发生变化因此为2,而误差率成功率等统计属性则较少发生变化,因此为1。在修正参数方面,服务UID给了1的修正参数,因为虽然服务UID完全不具备实时性,但是不可以在简化版本中略去该项。而服务部署情况则给了-2的修正参数,原因是虽然该项拥有较高的实时性和重要性,但是由于在上级的各类描述文件中必然包含了该服务的部署情况,属于冗余描述,可以略去该项。

将综合重要性参数大于等于1的服务描述信息进行筛选,得到普通级网络状态下的服务描述信息,如表2所示。

表2 普通级网格状态服务描述信息

将综合重要性参数大于等于2的服务描述信息进行筛选,得到受限级网络状态下的服务描述信息,如表3所示。

表3 受限级网格状态服务描述信息

2.3 带宽受限条件下的服务描述文件更新方法

根据上述研究思路,在带宽受限条件下,服务描述文件不仅仅要进行精简,同时需要根据带宽条件选择不同的描述文件更新方式。

服务描述文件以XML文件形式存在,因此可以采用两种更新方式[12]:

1) 单元素更新法:使用更新指令“元素ID+修改后元素赋值”的形式,对描述文件中的单元素进行更新,这种方法占用系统资源极少,但是长时间不进行全表比对容易因网络延迟等种种客观原因导致不同位置存储的描述文件之间存在偏差,因此需要全表比对进行辅助。

2) 全表更新法:在服务描述文件发生变动时,对所有存储有该服务描述文件的节点上的描述文件进行全表更新,这种方式占用网络资源较多,但是相对安全性更好。同样全表更新法也需要定时进行全表比对。

根据不同网络状态的条件,确定更新方式与比对时间间隔如表4所示。

表4 不同网络状态下的服务描述文件维护机制

3 实验部分

3.1 带宽受限条件下的场景搭建

本文采用网络仿真软件Exata对海战场栅格网络进行可视化建模,仿真栅格网络内网络单元之间的通信方式及通信质量,并实时显示栅格网络内各网络单元的地理位置及运动状态。通过战场仿真工具vrforce设置相应的剧情,并将剧情和Exata中仿真的网络结构进行联动,通过驱动剧情运行,来测试网络的性能及相关参数。

本文搭建的带宽受限的典型作战场景网络结构如图2所示。

图2 带宽受限的典型作战场景网络结构图

1) 网络单元14、8、3、12以及13等岸基节点构成一个有线通信网络,其通信方式由传统的以太网来模拟并能提供高速数据传输。

2) 网络单元1和2之间的通信通过无线链路来实现,用无线传感器网络来模拟它们之间的数据传输网络,通过无线网络的配置来设置带宽,模拟带宽受限的无线网络环境1。

3) 网络单元5、6、7以及网络单元4通过无线链路与网络单元14进行通信,通过无线局域网来模拟其数据通信,通过无线网络的配置来设置带宽,模拟带宽受限的无线网络环境2。

4) 所有的网络单元组成一个带宽受限的异构网络环境。

3.2 实验结果及分析

3.2.1 带宽受限条件下的节点接入时间测试

图3 带宽受限条件下的节点接入时间测试

采用服务器虚拟100个固定节点,用Exata工具虚拟20个移动节点,模拟带宽环境为10M。其中固定节点包含的服务平均数量为17个,移动节点包含的服务平均数量为6个。在有限带宽下进行节点注册接入测试,新接入的节点中包含的服务数量为10～25个不等。测试结果如图3所示,其中:横坐标代表接入的新节点序号,纵坐标代表节点接入所花费的时间(以秒来统计)。从图3中可以看出,采用服务自适应描述算法前,在包含120个节点的栅格网络拓扑动态变化环境中,新注册的节点接入时间基本在40s内(最大为32.17s)。采用服务自适应描述算法后,在同样环境下进行节点注册时间测试,新注册节点的接入时间基本在15s内(最大为13.35s),接入时间减少了近半。

3.2.2 带宽受限条件下的服务响应时间测试

在上述同样环境下,选取100个固定节点,模拟带宽环境为1M,进行服务响应时间测试。选取栅格资源管理服务、发现服务、注册服务、节点注册服务、节点索引服务、节点监控服务、共享服务、流程编排服务、权限管理服务、集成服务等核心服务进行压力测试。测试结果如图4所示,其中:横坐标对应选取的服务名称,纵坐标代表服务响应所花费的时间(以秒来统计)。从图4中可以看出,采用服务自适应描述算法前,服务响应时间基本在9s内(最大为8.52s);采用服务自适应描述算法后,服务响应时间基本在4s内(最大为3.76s),比采用改进算法之前平均响应时间均有缩短。

图4 带宽受限条件下的服务响应时间测试

4 结语

本文提出了一种带宽受限环境下的服务自适应描述方法,为海战场栅格带宽受限条件下的通信网络提高传输效率及通信质量。采用提出的服务描述文件简化方法,将服务描述文件参数进行分类定义,计算服务的综合性重要参数。当带宽条件允许时,尽可能多的保留综合性重要程度高的参数,使得服务描述文件更完备,以确保带宽受限条件下的通信畅通、指挥协调。反之,当带宽条件有限时,舍弃部分综合性重要程度低的参数,保障作战任务的顺利实施。仿真实验结果表明,所提算法能有效提高带宽受限环境下异构网络中节点的接入时间及服务平均响应时间。服务描述文件涉及的参数较多,参数分类时级别定义太粗将会导致算法起不到应有的简化效果,而级别定义太细又会对带宽资源的占用率达不到明显的减少效果,如何合理地进行服务描述文件分类将是本文下一步要考虑的问题。

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An Adaptive Description Method for Sea Battlefield Grid Services under the Bandwidth Constrained Environment

LI Ming

(No.1 Canglong North Road, Jiangxia District, Wuhan 430205)

Aiming at the problem that the instability of the communication quality and the information transmission is not synchronized in the bandwidth constrained environment of the sea battlefield, this paper presents a method of adaptive description of the sea battlefield grid services under the bandwidth constrained environment. The classification method of bandwidth constrained is defined, and the index parameters of the service description file are designed, such as the importance level, the real-time level and the correction parameters. On this basis, the format of service description files, update method and update frequency is simplified adaptively according to which, the specific simplified algorithm and application examples is given. Simulation experiments in Exata show that this method can effectively reduce the access time and service response time of grid nodes in the bandwidth constrained environment, and have good feasibility and operability.

bandwidth constrained, sea battlefield grid, service description, adaptive

2015年6月2日,

2015年7月28日

李明,男,高级工程师,研究方向:船载指挥系统。

TN915.02

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.009