基于微服务的网电空间体系仿真框架设计

付长军,刘海娟,李艳斌,张红旗

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

0 引言

随着电磁装备和通信网络技术的飞速发展,给探测感知、通信传输、信息交互、信息安全带来了革命性变化。军事层面,网电空间已成为继陆、海、空、天之后又一新的作战领域[1-2];工业层面,发展了工业互联网、智能制造等新兴领域;社会层面,车联网、互联网、物联网、大数据等新兴事物给经济与文化带来了深远影响[3-4]。为了分析、评估、预测和引导相关的影响,普遍采用的解决方案是开展网电空间体系仿真[5-7]。

网电空间涉及大量装备、不同平台类型、信息系统、电磁交互与作用机理等内容,需要多个仿真系统联合才能更好地解决相关应用问题[8-10]。网电空间体系仿真是综合运用各类仿真推演结果,面向最终应用开展的仿真工作,需要具备以下特征:分布式计算能力,快速推演能力,人工智能博弈接入能力,快速部署和自动重启能力,装备级仿真系统接入能力,红蓝对抗能力,人在环仿真推演能力,多分支推演能力,综合态势展示与可视化挖掘分析能力,支持装备论证、编配方案筛选、新体制验证等应用。虽然各类体系仿真系统与具体业务紧密相关,但是底层逻辑、仿真焦点和框架具有通用性,有必要采用统一的框架进行体系仿真系统的开发。

本文通过综合分析网信空间的业务需求,对模型谱系的交互关系,从模拟计算、综合应用、技术架构、微服务管理平台几个维度设计提出了一种基于微服务的网电空间仿真框架,进而给出了一种变步长的仿真推进机制,基于该框架构建的体系仿真系统能够具备上述需求。

1 网电空间体系仿真相关技术探讨

1.1 体系仿真框架

为应对复杂环境下多平台、多系统、多组织结构的联合仿真,国外体系仿真技术经历了分布式交互仿真、聚合级仿真协议、高层体系结构、训练与试验使能体系结构和SPEEDES 等架构标准[10-11]。基于这些标准按照先独立开发后互联集成的技术路线,开展了多模拟器、实物与半实物的协同仿真以及靶场的一体化建设。国内仿真发展趋势主要集中在HLA与TENA 两个平台应用上[11-12]。此类技术过多地强调时空一致性,额外增加了很多开销,给仿真系统的实用性和可操作性带来了诸多不便。国内已有学者针对具体需求,提出采用一体化的多层级架构实现不同层级的模型体系集成运行,进而降低建模难度,提高多仿真系统的协同效率[13]。

1.2 微服务架构

网电空间体系仿真中涉及的平台种类繁多、模型复杂,需要采用分布式架构来避免系统集成规模的限制。同时要求在对模型的改进完善过程中,减少对整个仿真系统的影响,这就需要仿真模型具有相对独立性、模型接口具有相对稳定性。

微服务架构通过分解巨大应用为多个服务方法解决复杂性问题,每个微服务简单灵活,可以通过不同技术来实现,可以独立部署,不再需要一个庞大的服务器来支撑,可实现分布式架构[14-15]。服务之间松耦合,内部高内聚,每个模型微服务可进行独立扩展。通过将仿真计算服务、综合应用模块封装成一个个微服务的方法,有助于解决网电空间体系仿真模型的独立性、仿真系统的复杂性和可扩展性需求。

1.3 典型网电空间体系仿真业务分析

网电空间的主要作用机理:① 通过电磁传播,形成了跨视距传输能力,通过信息交互,将位于不同物理空间上的两个节点紧密结合在一起;② 雷达光电等探测手段,一方面对目标形成侦察获取能力,另一方面也让网电系统装备成为了观测目标;③ 通过信息系统实现了大量信息的交互与共享,为不同受众带来全新的体验和应用;④ 电子干扰、毁伤以及环境的影响,给网电空间的运用带来了极大的灵活性和不确定性。这些已经完全超出了人的思考范围,最好的方式就是利用体系仿真。

相应地,网电空间体系仿真的重点应该覆盖以上几个方面,比较典型的网电空间体系仿真模型谱系如图1所示[16-17]。通信网络模型完成通信链路以及传输组网的功能级仿真。电子干扰类模型完成雷达干扰、光学干扰和通信干扰三方面的模拟。传感器模型包括光学侦察、雷达探测、电子侦察的模拟。平台类模型主要模拟平台的目标特性、搭载能力以及机动特性。毁伤类模型一般包括物理毁伤、电子毁伤以及消耗。环境模型主要模拟雨雪雾等自然环境因素以及遮挡/地貌等地理环境因素对电磁的影响方式。信息系统模型包括信息产生、信息传输、信息处理以及信息应用等全周期的模拟。

图1 网电空间体系仿真模型谱系Fig.1 Simulation model architecture for cyber-electromagnetic space

2 基于微服务的网电空间体系仿真框架

基于微服务的网电空间体系仿真框架包括逻辑架构、技术架构、综合应用、微服务管理平台4个维度,如图2所示。

图2 基于微服务的网电空间体系仿真框架Fig.2 Simulation framework for micro-service based cyber-electromagnetic space

2.1 模拟计算维

面向网电空间体系仿真中的模拟计算采用三层架构设计,包括基础数据处理层、系统装备模拟层和业务方案模拟层。基础数据处理层提供了开展体系仿真所需的最底层或最小单元计算服务,包括空间坐标更新、相对位置更新、信息处理过程模拟、信息产生模拟、链路计算、场强分布、通视分析、威力范围、电磁传播等。该层的计算服务复杂多任务逻辑和大规模高密集的数据计算,CPU善于处理多任务逻辑,而GPU善于大规模高密集数据计算的特性,需要采用CPU与GPU混合异构计算架构。

系统装备模拟层主要是在基础数据处理层的仿真计算数据基础上模拟信息流、通信网络、系统装备业务,其中信息流模拟侧重于信息从产生、分发与传输、融合处理及应用的环路模拟和需求满足度计算;通信网络模拟侧重于接入分发、传输路由、网络承载等业务的模拟,在传输路由的计算上需要采用分层分簇的计算策略提高仿真效率;系统装备业务模拟侧重于单个系统装备执行相关指令时的业务流程模拟,如雷达探测过程中的警戒、搜索、锁定、跟踪等具体环节。

任务级模拟层主要针对不同任务,包括作业方案、保障方案、训练方案中的具体任务执行与响应情况进行模拟,主要依赖于系统装备模拟层的模拟计算数据。

2.2 技术架构维

为构建开放统一的网电体系仿真框架,需要综合利用知识图谱、数据中台、技术中台、业务中台、规则引擎、仿真引擎6种手段。

对各类体系仿真业务模块化,并通过能力标准接口提供服务,形成业务中台,便于不同前台直接调用,为网电空间体系仿真的综合应用系统开发提供可复用的系列化产品。

利用技术中台,提供统一的模型开发架构和集成调用方式,按照服务化、异步化、配置化、插件化、数据化方式进行开发支撑,有助于体系仿真模型体系构建和灵活运用。

利用数据中台整合推演数据、装备数据、想定数据、评估数据等,形成统一数据资产管理能力,提供统一的数据共享方式,便于模型开发与业务,有助于深入挖掘数据,盘活资产价值。网电空间体系仿真数据中台、技术中台以及业务中台的构建也将大大降低未来的运维管理。利用知识图谱对平台的搭载关系、编组关系、自身属性、业务组织关系进行统一管理,为开展业务模拟和综合应用提供知识化支撑能力。标准规范主要对模型的交互、其他仿真系统的接入、实物/半实物提供统一的接口。仿真引擎采用基于时间和事件双重推进机制,以便于实现体系仿真的逼真度和快速推进。规则引擎则将体系仿真中的易变逻辑与业务逻辑解耦,为系统装备模型中业务逻辑构建提供更强的灵活性。

2.3 综合应用维

网电空间体系仿真主要应用包括:形成从大系统协同设计到仿真验证和试验评估的闭环,支撑网电空间系统装备建设方总体类项目的规划、立项论证、研制、试验验证和验收工作,支撑系统装备提供商形成“以体系带系统、以系统带装备”的发展格局,引领专业技术发展并支撑重大项目的实施。因此,综合应用系统构建应提供以下几方面的功能。

综合态势展示对网电空间的各个要素充分展现,便于开展演示验证和可视化挖掘分析。

效能评估分析面向应用需求,综合地形、编成、气候、电磁环境、机动性等多个要素基于体系仿真推演数据开展效能评估。

网电平行系统构建提供在线推演、离线分析、虚实互动等工具,能够与真实系统构成平行系统,为实际运行提供预测、指导和借鉴。

网电系统装备论证提供各类系统装备的参数和能力编辑功能,能够综合成本、功能指标满足度等因素,支持网电系统装备的科学论证。

网电系统装备组织运用方式探索提供不同场景下,面向不同任务时网电空间系统装备的导调控制功能,辅助用户发现在不同场景下的网电系统装备组织运用新模式。

网电系统新体制验证基于新体制的性能和业务特点,开展体系仿真,验证新体制在不同场景下的适用性和贡献度。

网电系统装配方案优选提供多种系统编配方案编辑功能,结合具体应用场景对需求的满足度进行衡量,从而辅助使用者确定出最优的编配方案。

2.4 微服务管理平台

采用微服务技术,构建微服务管理平台,主要包括微服务框架、服务注册中心、服务配置中心、服务监控中心和服务网关等[18]。在微服务框架构设上,现阶段使用最多的微服务架构为阿里的Dubbo和Spring开源的SpringCloud。服务注册中心和服务配置中心,采用与微服务架构自然搭配的工具。服务监控方面,现阶段主流的日志监控平台是ELK(即Elasticsearch、Logstash以及Kibana),具备简单易用且系统稳定的特点。在应用性能监控上,主要对应用服务之间的依赖关系、调用关系、调用响应时间、调用次数、调用链关系等指标进行监控,可采用Skywalking作为应用性能管理工具。服务网关方面,主要提供路由转发和过滤器功能,客户端访问请求到达服务网关时,服务网关进行权限验证后再转发到具体的微服务上。

在网电空间体系仿真过程中,服务实例数量庞大,对服务治理的要求高。为此,可利用容器服务提供的“语言无关性”微服务治理能力,结合微服务的管理和伸缩能力,在编排模版中以声明的方式指定,或者在容器服务控制台中可视化地指定[18-19]。从而有效地管理单个服务和服务集群,准确地配置单个服务的使用内存和CPU限制。通过将微服务与容器技术相结合应用到网电空间体系仿真系统,系统具有的优势包括:标准化开发运维环境,服务有效监控、自动重启,灵活配置服务所需资源,有效避免由于环境不同、服务依赖缺失、错误和冲突等情况导致的服务无法启动、分布式运行、负载动态均衡等。

3 基于变步长的体系仿真运行机制

由于网电空间体系仿真关注的焦点是信息,对时序的要求低,将影响信息的要素模拟出来即可。通过分析可知,在网电空间体系仿真中影响仿真结果的事件主要是:进入或离开能力范围、信息产生或消失、信息传输完成、目标消失或出现。鉴于此,在仿真的每个步长中,如果保守策略上述事件都不发生时,就可以大步长推进,不会影响到体系仿真的逼真度。

鉴于以上推论,本文提出了一种基于二分的变步长推进策略假设用单个最小的仿真步长为ΔT、最大的仿真步长为2NΔT的时间间隔去计算,当前的更新步长为2jΔT,步骤如下:

① 记离散仿真次数为i=0。

② 给定当前推演时刻为Ti,令标志位k=0,j=N。

③ 如果k=0,计算所有移动平台的空间坐标为P(Ti+2jΔT);如果k>0,则增量更新移动平台的空间目标。

④ 计算数据处理层中信息传输、信息产生、信息处理、消失等模拟函数,如果k>0,则采用增量更新的方式。

⑤ 判断是否有新的事件产生,如果没有,将当前推演时刻设定为Ti=Ti+2jΔT,将移动平台坐标更新到数据库,令k=max(0,k-1);如果有,新事件转至下一步,否返回步骤②。

⑥ 如果有新的事件发生,则令j=j-1。如果j>0,记k=k+1并转到步骤③;否则执行下面步骤,说明已经是最小步长,令k=k-1,并将平台坐标增量更新到数据库。

⑦ 向仿真引擎推送仿真事件,执行响应的事件处理函数。

⑧ 置j=N-k,Ti=Ti+ΔT返回步骤③。

4 结束语

网电空间体系仿真是衔接网电系统装备仿真和网电系统应用场景的桥梁,是构建平行网电空间的必由之路,如何设计实用性的体系仿真框架是体系仿真系统构建的前提。本文充分结合当前微服务架构的优势以及网电空间业务特点,提出了一种基于微服务的网电空间体系仿真框架,给出了变步长的推进机制,用于实现快速仿真推演。基于该理念设计实现了一套面向网电空间战场的体系仿真软件,从实施过程上看,该框架易于实现、二次开发难度低、设计与开发管理清晰、模块的可重用性好。实施的关键在于如何平衡微服务颗粒度的划分,如果粒度过细,则各服务之间的交互代价较大,会影响仿真效率;反之,会影响开发复用及维护难度。微服务设计与划分工作需要与网电空间的模型交互机制紧密结合。