信息系统中作战资源虚拟化应用技术研究

杜思良 倪明 张鹏

1.中国电子科技集团公司第二十八研究所江苏南京210007

虚拟化作为云计算的关键技术已逐渐渗透到各商业领域的云服务应用中[1],随着军事云的快速发展,新一代作战信息系统中虚拟化技术也越来越得到重视,但相关应用更多停留在构建云基础设施[2],通常包括计算虚拟化(虚拟机和容器),存储虚拟化和网络虚拟化等方面[3−5].随着现代战争中广域联合、高效协同、快速共享等需求越来越强烈,如何有效整合战场上的作战资源,更好发挥其效能是作战指挥信息系统研制与建设有待提升的关键问题,在此背景下,作战资源虚拟化概念应运而生,成为近期大家关注的热点之一.

目前,对作战资源虚拟化应用的实现方法研究较少,虽然相关学者对云制造中制造资源虚拟化应用的研究起步较早,提出了一些设备资源分类、描述、封装、管理的方法[6−9],但由于作战资源与制造资源在物理特征、使用方式、环境条件、协作要求等方面差别较大,其研究成果不能直接应用于军事信息系统中.本文基于传统虚拟化技术实现原理和方法[3−5],结合军事作战信息系统应用需求,以传感、武器等典型兵力兵器资源为例,提出其典型作战资源虚拟化应用架构和实现流程,着重介绍其应用过程中的实现方法,并结合应用案例分析作战资源虚拟化给信息系统带来的应用效果,为新一代网络化作战信息系统能力提升提供技术支持.

1 基本概念

虚拟化技术是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行,通过软件的方法重新定义划分信息技术资源,实现资源的动态分配、灵活调度和跨域共享,从而提高资源的利用率,使资源真正成为计算基础设施,可以满足各种应用灵活多变的需求[3].资源虚拟化是有选择地抽取资源描述模型的关键要素,抽象化资源特性使其成为逻辑资源.

作战资源虚拟化作为虚拟化技术的一种延伸,将战场上物理资源转化为可统一管理的逻辑化作战资源,实现战场资源解耦、灵活扩展与网络化组织,形成一个有机体–作战资源池,使得所有作战资源不仅可以“分散资源集中使用”,还能做到“集中资源分散服务”[10].

传统作战资源是指战场上实际存在且能够对作战产生影响的物理实体,通常包括各类人员兵力、传感器、武器平台、后勤物资、设施设备等.随着信息化作战的发展,数据、模型、技能、服务等新兴作战资源越来越受到指挥员的关注.无论是传统还是新兴资源均有明显的基本特性:

1) 离散性: 作战资源通常是离散地分布在战场环境中;

2)异构性: 同类或不同类作战资源的技术参数、工作原理、功能性能等属性不尽相同;

3)动态性: 作战资源的自身状态、隶属关系、作战能力等属性会随着战场上时间、环境等因素的变化而实时动态更新;

4) 结构性: 每一个作战资源通常不是孤立存在的,与其他作战资源之间可能保持着约束、层次、协同、网络连接等结构关系[7].

2 技术架构与实现流程

2.1 技术架构

作战资源虚拟化应用的核心理念是打破物理资源实体与编配部署、功能应用之间的紧密耦合关系,形成统一认知的规范化服务能力,借助网络化军事云平台,完成面向任务的资源统一组织运用,实现“全网作战资源灵活感知,全网作战资源按需使用”,提升作战资源利用率和时效性.技术实现架构如图1所示,主要包括物理资源接口适配、虚拟资源池、资源管理和虚拟资源应用4 个功能层.

2.2 应用流程

作战资源虚拟化应用是指通过接口适配获取战场上各类物理资源实体的属性信息,进行逻辑分类、属性建模、映射抽取,封装成各种虚拟资源服务注册发布,形成虚拟资源池,并在网络化系统中为服务使用者调用的过程[10],技术实现流程如图2所示.

应用流程可划分两个主要子过程,一是将物理资源通过虚拟化过程形成离散分布、逻辑一体的作战资源池,并按照策略生成资源目录展现给各级用户;二是各级用户在作战任务驱动下,选择访问目录中的本地或远程部署的资源服务,并获得资源服务执行的结果.

3 实现方法

结合作战资源虚拟化实现的过程,本文选择其中几个关键步骤的技术实现方法进行介绍.

3.1 作战资源逻辑属性建模

作战过程中战场上广域分布着数量众多、种类繁杂、形态各异的物理资源,为完成作战任务发挥着各自的作用,为了对作战资源统一组织运用,需要对其属性进行逻辑分类建模.建模过程是指使用计算机可读的语言对作战资源进行抽象和描述,并屏蔽作战资源的异构性,是资源服务封装与应用的基础[11].逻辑模型与物理实体不是一一对应的,单个物理实体可以抽取出多种逻辑模型,如:某型飞机具备侦察能力、火力打击能力、机动运输能力等,而多种物理实体也可以共用相同的逻辑模型.从指挥员使用的角度了解资源的当前状态和能力尤其重要,图3对资源状态和能力给出属性描述模型.

图1 作战资源虚拟化技术架构

图2 作战资源虚拟化实现与应用流程示意图

图3 作战资源逻辑属性描述模型示意图

逻辑属性描述模型中属性的层次、分类、要素划分方式不尽相同,目前还没有通用的标准对信息系统研制进行规范,但对于比较复杂的资源属性(如能力资源)应该遵循一定的原则,若资源层次分类划分过粗,描述的要素项就会较多,则资源优化重组和精准配置困难;而资源划分过细,则又增加调度和管理的成本.笔者认为:资源分类层次以两到三层为宜,如空中侦察能力,地面打击能力等;要素项划分则依据要素集描述内容的数据量为准则,考虑资源组合使用和战术级窄带传输环境因素[12],每类作战资源描述内容长度应介于几十到几百字节之间.具体标准的制定需要军事人员和科研人员基于作战指挥过程中资源使用需求和习惯,并考虑技术实现因素共同完成.

3.2 物理资源接口适配

物理资源接口适配重点实现从软件系统、硬件设备、数据库等物理实体中按照作战资源逻辑属性模型监控、采集、解析数据,形成物理属性集,为资源服务抽取、封装提供信息源,此外还包括把资源访问过程中用户发出控制指令传递给物理实体,执行远程控制操作等.接口适配功能关系如图4所示.

信息装备的物理资源适配接口形态主要包括3类: 软件接口是最主要的使用方式,通过与部署在装备上的信息系统软件进行数据交换,实现信息采集和装备控制;数据库接口作为软件接口的补充,主要是查询静态信息,如基本属性、指标参数、历史资料等; 硬件接口主要针对现役装备或系统软件无法支撑信息获取或控制的情况,直接从硬件设备中感知数据,实现起来相对比较复杂,通常需要对装备进行改装,增加通信模块和监控代理功能,连接设备的端口,接入并解析设备的原始数据,如采集装备的实时位置、速度、运行状态、燃油余量数据,以及控制设备开关机等.

图4 物理资源接口适配功能关系图

3.3 虚拟资源服务封装管理

虚拟资源服务封装是对获取到的物理资源属性采用特定的映射抽取协议和访问方式为资源服务组件或组合提供访问接口和绑定,以软件服务的形态在云环境中供其他组件或应用模块访问,如图5所示.结合军事信息系统中服务化应用的方式,服务封装可分为接口远程调用和事务处理驱动两种类型.

接口远程调用类型适用于访问方式固定、关系明确、结果可预期,不过多需要人为干预的情形,如:兵力状态服务,毁伤能力计算服务等.资源服务封装就是将物理属性按照抽取策略映射到逻辑属性描述模型中的实现过程,每个资源服务按照功能可封装为若干个接口,每个接口可由多个操作方法组成,每个操作方法均包含输入和输出参数.使用方需显式地调用某一具体操作,并对必要的参数赋值.接口调用可以是单向,也可是双向的.接口是一对一的调用,若对多个资源服务的相同接口进行调用须分别调用[13].

事务处理驱动类型适用于作战资源间耦合性较低,没有直接调用关系,通常服务的执行比较复杂,需要与其他实体进行交互、协同,如:空中目标侦察服务,地面火力打击服务等.资源服务封装除了按照逻辑属性描述模型抽取外,还可以基于资源实体原系统功能增加消息传递方式封装.资源服务的访问者可以不知道服务执行者对该事务具体的处理方法[13]和结果形态.通常由资源服务访问者通过消息向服务执行者传递事务的条件、要求等信息[12],服务执行者接收到消息后分别采取行动或实施处理操作,复杂情况下,两者之间还需进行多轮的信息交换或人工干预.事务处理驱动可以是一对多的访问,多个执行者之间可以分别或协同执行同一个事务.

图5 虚拟资源服务封装访问示意图

虚拟资源服务的统一管理除了常规的注册、发布、监控、订阅等,还可以对服务进行编排,根据作战任务、系统级别、使用权限等不同,可对有关联的资源服务进行组合,形成大粒度的虚拟资源[14−15].以服务目录的形式展现给用户,每个用户根据权限和策略生成不同的目录,并利用数据同步机制实现资源目录的实时更新维护,从而实现全网资源的按需感知.由于现实中编配给各作战力量的现役装备存在技术架构、体制不同,以及作战过程通信连接不能栅格化覆盖,这些都对虚拟资源服务的灵活访问造成限制.若针对这些作战资源重新改造必然成本巨大,可以考虑增加服务访问代理,尽可能保证原系统的自治性,通过在装备本地部署或网络可达的装备上级节点部署,实现资源服务的中转访问.

4 应用案例与效果

传统方式作战装备和云环境下虚拟作战资源组织运用的对比如图6所示.以作战过程中发现目标后请求火力支援,并评估打击毁伤效果的作战行动为例,简要分析其作战资源的组织运用方法,并总结作战资源虚拟化技术带来的优势.

传统方式下作战力量和资源隶属关系以树状形式呈现,并按此形成指挥关系.主要行动过程包括:作战分队3 获取到所属侦察装备探测的敌重要目标后,需要请求上级单位协调打击力量进行火力支援,部队X 则需要搜集下属打击力量的当前状态和任务,经过计划决策后向分队1 下达打击目标和打击任务,分队1 根据任务组织武器1 实施火力打击,打击结束后再向上级申请打击效果侦察,由部队X 组织联合侦察,并根据侦察结果进行打击毁伤效果评估,最后将评估结果通知所属力量和武器.

云环境下作战力量和虚拟作战资源按照作战任务连接到任务网中,以环状或星状呈现,并形成扁平化作战资源使用关系.任一作战力量可以使用隶属于不同作战单元下的装备,访问虚拟资源池中的任一资源服务.主要行动过程包括: 作战分队3 订阅得到侦察装备探测的敌重要目标后,检索任务网内打击、侦察力量的位置、状态、能力等,对比决策后访问对应火力打击资源和侦察、评估资源服务,实施火力打击和毁伤侦察与效果评估任务,结果通过云环境全网共享.

结合上述作战行动中资源使用方式的对比分析,作战资源虚拟化技术的应用可以在未来信息化作战中取得明显的提升效果:

1)通过实物装备与作战力量、指挥关系解耦,可以减少指挥层级,增强资源调整、重组及相互协同的灵活性[16];

2) 通过全面监视广域分布的作战装备状态和任务饱和度,提高战场资源整体使用效率,降低建设成本;

图6 两种作战资源运用方式对比示意图

3)通过规范、开放物理资源适配接口,灵活接入多个任务网,可更好地提升装备性能、优化装备型谱、充分挖掘和发挥单体装备潜能与作用,支持承担更多任务;

4)通过资源服务的分布式部署、处理和动态组合、随时随需统一管控,多手段获取信息和执行任务,提升体系多手段容灾抗毁能力;

5)通过作战装备的属性数字化封装、能力直接访问,可以更快更全面地获取、发布、共享信息,敏捷精准地进行智能化决策、高效行动,提升系统自动化水平和体系的快速反应能力.

5 结论

作战资源虚拟化技术研究尚处在起步阶段,其广泛实际应用尚有不少距离和困难.当前,在对技术本身深入研究的同时,还需各方面共同努力,有重点地采取切实有效的措施来创造应用的条件: 一是加快军队作战指挥方式方法变革与创新,减少指挥层次,使指挥趋于扁平,弱化条令条例限制,从法规上实现作战资源解耦; 二是加强作战资源虚拟化应用标准研究与制定,用以规范、优化装备的对外接口设计和功能研制,为作战资源的统一组织运用奠定技术基础; 三是加快提升战术环境下通信性能和栅格化网络设施建设,真正实现全域覆盖、高速通信、随遇接入、快速共享,建成支撑作战资源虚拟化运行的军事云环境.