舰艇公共计算环境验证评估方法研究∗

侯 婕 邓建辉 薛 亮

（海军研究院 北京 100063）

1 引言

随着信息技术的快速发展，单纯依靠增加计算机、存储设备、显控台等设备已经无法满足作战能力的需要，急需对舰艇信息基础设施的体系架构进行重新设计。借鉴国外开放式体系架构［1～2］和全舰计算环境［3］的设计思路，采用开放式体系架构，建立舰艇公共计算环境，实现基础与应用的分离、硬件与软件的分离、显控与处理的分离，提升自顶向下的设计能力以及动态集成能力，能够大幅提高舰艇信息化装备技术水平和作战能力。

本文总结了舰艇公共计算环境发展现状，提出了一套针对舰艇公共计算环境的验证指标体系、验证环境和验证流程，探讨了其中的关键技术。

2 舰艇公共计算环境现状

2.1 开放式体系结构

随着21世纪海上力量设想的提出，美国海军发现已有的舰艇战术数据处理系统、先进作战指挥系统、宙斯盾系统等舰艇电子信息装备在设计上已不能满足作战能力的需要。开放式体系结构应运而生，作为舰艇各类作战系统共同技术架构，将软件开发、设计及集成与硬件平台进行解耦，系统按照开放式体系结构重新设计，提高武器平台的先进性、可重用性以及通用性。美军开放体系架构层次划分如图1所示。

图1 美国海军开放式体系结构层次关系图

美军的开放式体系架构具有以下特点：一是数据、代码等进行模块化设计；二是软件可重用；三是支持联合作战应用的互操作；四是可进行安全的信息交换；五是减少全寿命周期费用；六是充分的竞争与合作。涉及到的关键技术主要包括：基于开放接口的系统集成技术，业务数据模型及数据发布订阅技术，公共计算基础设施技术，构件化、服务化的软件开发技术，面向作战的公共应用开发技术，多安全等级的信息访问与控制技术，全寿命周期健康状态管理技术等。

开放式体系结构设计已广泛用于美海军航母、两栖攻击舰、核潜艇等舰艇作战系统中。

2.2 DDG1000全舰计算环境

美军将全舰计算环境（TSCE）作为开放式体系结构的最高级形态，在DDG1000驱逐舰中研制了全舰计算环境［4］，作为作战系统公共信息基础设施，并在福特级航母、LCS近海战斗舰等新型主战舰艇中推广应用［5］。全舰计算环境与先进舰炮系统、双波段雷达、综合水下战系统、先进垂发系统、红外模型等共同构成了美军DDG1000驱逐舰的十大关键技术，标志着美军开放式体系结构达到了最高级别，即全舰计算级。采用了全舰计算环境，美海军作战系统从各传感器、武器系统的拼装集成转变为基于公共信息基础设施的开放集成，体系架构发生了根本性变革［6］。探测感知、指挥控制等应用在统一的公共信息基础设施之上构建，实现了公共资源的充分共享、业务应用的灵活部署、武器通道动态组配，同时支持舰艇作战系统的快速换装，从而快速形成新的作战能力，从而大幅提升舰艇作战系统整体信息处理能力、数据共享能力、灵活配置能力、冗余抗毁能力。

2.3 综合海上网络和企业服务

在美军信息化建设从C4ISR、全球信息栅格（GIG）到联合信息环境（JIE）的演变下，美海军舰艇装备提出推进综合海上网络和企业服务（CANES）［7］。CANES是采用开放式体系架构的战术网络基础设施，主要由通用计算环境、基于SOA的海上核心服务、跨域解决方案组成［8］。2016年提出的2016海军网络环境战略（NNE2016）［8］，目的就是将传统的烟囱式结构网络转化为公共服务环境，集成计算、存储、网络，实现信息的共享，提升整体的互操作性，增强经济可承受性和部队快速适应能力。

2.4 美军SOSA及MOSA

美国空军开放式任务系统（OMS）融合SOA服务架构与通用指挥控制，推出未来机载能力环境（FACE）架构，将通信和中间件标准化［9］。

在美国防部模块化开放式系统架构（MOSA）的牵引下，美不同军种间相关嵌入式任务平台的开放架构逐步统一到传感器开放系统体系结构（SO⁃SA）联盟。SOSA采用现有开放标准中最合适标准，用于设计、构建和部署美国军事电子系统的硬件、软件和固件等。旨在提高装备之间的互操作性，提升快速重组和适应能力，降低舰船全寿命周期费用。

2.5 我国发展现状

随着武器装备技术的不断发展，各个典型应用的功能性能需求逐步增强，信息类型也更加丰富，信息处理需求也飞速增加，原有专用计算设备性能受限，仅仅从叠加计算机、存储器、显控台已经无法解决问题。我国正在将传统各分系统设备“专机专用”［7］模式调整为“公共服务”模式，系统设计集成模式也从“自底向上”调整为“自顶向下”模式，采用开放式体系架构，实现基础和应用、软硬件分离、处理和显示分离，逻辑上形成独立的“计算中心”“数据中心”和“指控中心”，支撑上层应用的设计与集成，形成资源共用共享的能力，统筹规划各类资源，最终实现对资源的有效聚合、合理分配以及动态调度［11］。

3 验证环境

应用公共计算环境是作战系统架构的大变革。在部署应用之前，应对公共计算环境进行功能、性能、适配性、稳定性等测试验证，释放应用风险。公共计算环境验证环境主要配合完成相应的测试验证工作，获得自主可控公共计算环境相关能力的量化数据，解决软硬件适配优化问题，为应用系统集成支撑提供参考和指导。验证对象包括计算、存储、交换、适配等单元，以及配套软件。

3.1 验证环境

验证环境由典型应用、测试工具集、仿真配试、分析评估等四个子环境组成。

验证环境的体系结构如图2所示。

图2 公共计算环境验证环境组成图

1）公共计算环境

从逻辑划分上看，公共计算环境包括了硬件设备层、系统软件层和基础支撑服务层。硬件设备层由计算单元、存储单元、交换单元、管理单元、安全单元和机柜单元，以及由基本单元组合而成的计算设备、存储设备、交换设备、安全设备和适配设备组成；系统软件层由操作系统、网络协议、数据库管理软件和驱动等软件组成；基础支撑服务层由计算存储支撑服务、数据支撑服务、软件支撑服务、人机交互支撑服务、安全管理支持服务和运维管理支持服务组成。

2）测试工具集子环境

包括了计算网络存储性能、数据传输支持、虚拟机容错性能、虚拟机迁移性能、数据分发、系统集成容量、系统实时性和系统六性等测试软件和测试程序。

3）仿真配试子环境

由想定编辑及运行软件、配试模拟软件等组成。

4）分析评估子环境

包括了试验数据采集软件、数据存储管理软件、数据建模分析软件、数据可视化软件、试验评估和报告生产软件等。

5）典型应用子环境

涵盖了典型信息系统应用软件。

3.2 验证指标体系

验证指标体系包括高性能计算支持、软件服务化支持、数据服务支持、系统集成适配支持等。其中，高性能计算支持包括高性能处理、计算资源管理等；软件服务化支持包括构件开发支持、服务运行支撑能力、服务管理能力；数据服务支持包括数据应用支持、人机交互服务支持、核心数据服务支持等；系统集成适配支持包括服务适配和接口适配。验证指标体系如图3所示。

图3 公共计算环境验证指标体系图

该验证指标体系共包含三级指标，二级指标是对一级指标的细化，三级指标是对二级指标的进一步细化。在第三级指标中，既涉及到一些功能的指标，也涉及到一些性能的指标。在功能指标方面，验证指标体系由下而上实现了从数据资源到服务、系统集成的全覆盖；在性能指标方面，涉及到了网络性能、计算性能、实时性能等方面。其中，实时服务响应时间的计算方式较为复杂，实时系统多采用中断实现多任务间调度，在进行可调度性分析时，实时任务的最差响应时间计算中必须包含中断开销。对于中断，我们将其看作是一个高优先级的任务。实时任务的最差响应时间为

3.3 验证流程

验证流程包括试验入场检查、硬件功能性能试验、软件功能性能试验、系统功能性能试验、全系统联动试验部分。

1）试验入场检查：检查系统样机试验所需的配试设备、仪器仪表等准备就绪情况；检查系统样机各设备状态是否满足试验要求，主要包括设备完整性、完好性。检查系统设备接地性能及与电源对地绝缘性能。

2）硬件功能性能试验：包括计算机柜集成试验、存储机柜集成试验、数据交换机柜集成试验、适配机柜集成试验，以及硬件设备集成试验。

3）软件功能性能试验：包括资源虚拟化能力试验、资源调度管理能力试验、软件服务化支撑试验、数据服务化支撑试验、人机交互能力支撑试验、系统适配和安全服务支撑能力试验。

4）系统功能性能试验：综合处理能力试验、资源动态调配支持能力试验、计算资源抗毁重组能力试验、构件化集成与管理支持能力试验、数据一体化集成与按需共享支撑能力试验、软件重构支持能力试验等。

5）全系统联动试验：基于上述系统级功能性能试验，在统一的仿真驱动下，以完整的用例，对系统运行进行试验，并针对该用例的运行情况，所有参试设备，连续运行24h，检查系统工作稳定性。

4 验证评估关键技术

验证评估过程中，需突破数据采集分析、容错能力评价、综合效能评估等方面的关键技术。

1）自动测试与分布式数据采集技术

常规测试大多依靠人工进行，针对具体应用往往缺少自动化测试的工具。测试集成度低、试验结果不直观等因素导致测试工作效率低下。为改进试验验证流程、提高试验效率、保证产品质量，需基于具体使用需求，快速建立自动化的测试控制方法和分布式试验数据采集系统，使得公共计算环境测试试验能更精确、更迅速地发现问题，更好地为公共计算环境集成验证服务。

2）基于故障模拟注入的公共计算环境容错性能测试技术

充分发挥国产软硬件平台的优势，深入研究国产硬件平台相关寄存器接口，国产软件平台内核源码、驱动源码和编译器的实现及工作方式，设计针对公共计算环境的故障注入方案，结合健康监测和数据恢复等技术实现公共计算服务系统的故障检测及容错恢复时间的标准量化。

3）基于层次化指标体系的公共计算环境舰载典型应用支撑能力评估技术

结合在舰艇中的实际应用情况和能力需求，充分考虑计算能力、通信能力、存储能力等通用能力，以及环境适应性、实时性、容错性等因素，利用相关性分析、主客观分析等方法确定各方面能力的权重，通过对性能力指标进行加权平均计算，得出公共计算环境综合效能，最终为舰载应用选型提供参考和依据。

5 结语

公共计算环境是作战系统的重要装备，基于云计算、SOA、CDS等先进技术［12］，将计算、存储、显控等资源整合形成公共“资源池”，将分散的战术业务数据进行整合形成公共数据资源，实现资源共用，统筹规划作战系统各类资源，对提升作战系统的综合作战效能力，支撑未来基于信息系统的体系作战能力的形成具有举足轻重的作用。本文提出的验证评估环境、指标体系和评估流程，为科学评估公共计算环境对舰载典型应用的支撑能力起到关键作用。