基于服務(wù)總線的艦載指控系統(tǒng)集成方法研究＊

（海軍裝備部 北京 100841）

1 引言

艦載指控系統(tǒng)從誕生以來(lái)先后經(jīng)歷了獨(dú)立式、集中式、分開(kāi)式和分布式四個(gè)發(fā)展階段［1］，并隨著信息技術(shù)與作戰(zhàn)方式的不斷發(fā)展，正逐步發(fā)展為支持“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”的全分布式的綜合指控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)艦載指控系統(tǒng)相比，新型艦載指控系統(tǒng)不但要具有作為獨(dú)立平臺(tái)單獨(dú)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)能力，還要能夠進(jìn)行編隊(duì)、護(hù)航等多兵種協(xié)同作戰(zhàn)，這就要求指控系統(tǒng)具備動(dòng)態(tài)可配置、可重用、可功能互操作等特性［2～3］，對(duì)艦載指控系統(tǒng)的集成能力和水平提出了更高的要求。本文分析服務(wù)總線的體系構(gòu)架和實(shí)時(shí)服務(wù)總線的模型，探討了如何在艦載指控領(lǐng)域?qū)嵤┗诜?wù)總線的業(yè)務(wù)集成方法。

2 服務(wù)總線

2.1 服務(wù)總線體系構(gòu)架概述

服務(wù)總線是面向服務(wù)構(gòu)架的基礎(chǔ)設(shè)施和實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，充當(dāng)連接和集成各種實(shí)時(shí)／非實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)消息總線，實(shí)施了必要抽象層將定義服務(wù)的消息轉(zhuǎn)化成可供業(yè)務(wù)構(gòu)件處理的數(shù)據(jù)。其實(shí)質(zhì)是服務(wù)間的連接框架，核心功能包括了消息機(jī)制、消息轉(zhuǎn)換、消息路由和服務(wù)容器四部分［4～5］，如圖1所示。

圖1 服務(wù)總線組成結(jié)構(gòu)圖

1）消息機(jī)制

消息機(jī)制提供管理計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)制，屏蔽分布環(huán)境復(fù)雜性和異構(gòu)性，為應(yīng)用程序提供透明的通信服務(wù)。服務(wù)總線的消息機(jī)制采用通信通道抽象服務(wù)之間的消息通信，可支持兩種通信模式：多對(duì)多的發(fā)布／訂閱和點(diǎn)到點(diǎn)的請(qǐng)求／響應(yīng)的消息模式。

發(fā)布／訂閱是異步消息傳遞模式，發(fā)布者發(fā)布的消息可傳遞給多個(gè)訂閱者。在發(fā)布／訂閱模式中，首先訂閱者將訂閱信息發(fā)布到服務(wù)總線，發(fā)布者在發(fā)布消息后，服務(wù)總線將消息轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)訂閱者。發(fā)布／訂閱方式一般通過(guò)主題樹(shù)實(shí)現(xiàn)。主題樹(shù)以消息發(fā)布者為根接點(diǎn)，父子結(jié)點(diǎn)之間表示了一種發(fā)布／訂閱關(guān)系。每個(gè)父結(jié)點(diǎn)將消息發(fā)布給其子結(jié)點(diǎn)，每個(gè)子結(jié)點(diǎn)可以選擇接受或拒絕來(lái)自父結(jié)點(diǎn)的所有消息。

請(qǐng)求／響應(yīng)模式是服務(wù)提出請(qǐng)求，其它服務(wù)響應(yīng)的模式，每個(gè)消息僅傳遞給一個(gè)消費(fèi)者。它可以是同步也可以是異步的。同步方式中，請(qǐng)求方等待響應(yīng)以進(jìn)行后續(xù)操作；異步方式中，請(qǐng)求方無(wú)需等待響應(yīng)消息。請(qǐng)求／回復(fù)模式可以有單向／雙向兩種消息通道。單向通道只傳遞請(qǐng)求或響應(yīng)消息。雙向通道中一個(gè)通道可同時(shí)傳遞請(qǐng)求和響應(yīng)消息。請(qǐng)求／響應(yīng)一般通過(guò)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。每個(gè)服務(wù)都可建立其請(qǐng)求和響應(yīng)隊(duì)列。

2）消息轉(zhuǎn)換

連接在總線上的服務(wù)種類很多，可能采用不同的消息協(xié)議，其對(duì)于信息的需求也不同，例如兩個(gè)通訊的服務(wù)A 采用時(shí)間格式是“YYYY-MM-DD”，而B(niǎo)采用“MM-DD-YYYY”。因此需要對(duì)消息進(jìn)行轉(zhuǎn)換。消息轉(zhuǎn)換包括消息通信協(xié)議的橋接和消息內(nèi)容轉(zhuǎn)換。協(xié)議橋接實(shí)現(xiàn)不能直接通訊的協(xié)議之間消息的傳遞，內(nèi)容轉(zhuǎn)換支持對(duì)不同消息內(nèi)容的轉(zhuǎn)換。

3）消息路由

消息路由是分析服務(wù)傳遞的步驟，建立傳遞線路和規(guī)則，并逐步傳遞消息的過(guò)程。ESB可根據(jù)消息內(nèi)容將其由提供者傳遞到接受者。消息路由主要包括路由線路和路由規(guī)則兩個(gè)部分。

路由線路描述了服務(wù)將要發(fā)送的地址和路由規(guī)則，包含在消息的元數(shù)據(jù)中。它分為不帶分支判定的簡(jiǎn)單消息線路和包括分支、判定、條件等執(zhí)行過(guò)程的復(fù)雜消息線路。簡(jiǎn)單消息線路上的各個(gè)服務(wù)結(jié)點(diǎn)順序執(zhí)行；復(fù)雜處理過(guò)程在復(fù)雜的路由中，需要支持流程分離、流程聚合以及復(fù)雜分支判定等多種處理機(jī)制。

路由規(guī)則多采用分布式的管理方式，即規(guī)則分散在各個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，由該節(jié)點(diǎn)的服務(wù)容器管理。路由規(guī)則定義了消息傳遞和路由線路的選擇策略，例如需要滿足的前提條件、路由時(shí)間延遲要求、可允許的失敗連接的次數(shù)等。

4）服務(wù)容器

服務(wù)容器是將各種類型的軟件組件或應(yīng)用，封裝成可支持標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議（如JMS、JBI、JCA、SOAP等）的服務(wù)，并抽象成一個(gè)端點(diǎn)，連接到總線上的組件。服務(wù)容器既可以封裝用戶應(yīng)用軟件，也可以封裝服務(wù)總線的基礎(chǔ)服務(wù)［6］。

通過(guò)服務(wù)容器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件的局部管理和全局管理相結(jié)合的方式。局部管理是服務(wù)容器對(duì)其所封裝的軟件的管理，包括生命周期管理、連接管理等。服務(wù)容器屏蔽了軟件的異構(gòu)性，使得總線的基礎(chǔ)服務(wù)對(duì)每個(gè)特定的服務(wù)軟件透明。

2.2 現(xiàn)有服務(wù)總線模型及其存在的問(wèn)題

Java業(yè)務(wù)集成（Java business integration，JBI）是JCP 制定的Java 平臺(tái)的ESB 標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)規(guī)范［7］。JBI中定義了兩種組件：綁定組件（Binding Components，BC）和 服 務(wù) 引 擎（Service Engine，SE）。綁定組件用于根據(jù)特定協(xié)議和傳輸器發(fā)送和接收消息，如HTTP／Web Service、JMS、FTP等。服務(wù)引擎實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，編排整合各種服務(wù)。綁定組件把消息在特定協(xié)議的格式和規(guī)格化格式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使JBI系統(tǒng)只需處理規(guī)格化消息，從而把JBI系統(tǒng)與特定協(xié)議分離［8～9］。

JBI給出了服務(wù)總線系統(tǒng)的接口和交互標(biāo)準(zhǔn)，但并沒(méi)有給出具體的實(shí)現(xiàn)方法，特別是如何應(yīng)付高并發(fā)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求。一些基于JBI的服務(wù)總線系統(tǒng)采用部署集群的方式應(yīng)對(duì)高并發(fā)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，但由于接入總線的外部Web Service服務(wù)本身的處理能力有限，即便再多集群，對(duì)該服務(wù)的調(diào)用仍然是多種業(yè)務(wù)流對(duì)有限資源的競(jìng)爭(zhēng)使用。這種實(shí)現(xiàn)方式?jīng)]有考慮到不同類型的業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)效性的要求，當(dāng)系統(tǒng)重載總線發(fā)生業(yè)務(wù)擁塞時(shí)，所有的服務(wù)都處于等待狀態(tài)，系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量迅速下降。

2.3 實(shí)時(shí)服務(wù)總線模型

實(shí)時(shí)服務(wù)總線作為一個(gè)集中式數(shù)據(jù)和服務(wù)交換平臺(tái)，需要處理大量的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)業(yè)務(wù)的執(zhí)行時(shí)間有明確的時(shí)間約束。實(shí)時(shí)服務(wù)總線應(yīng)具備實(shí)時(shí)調(diào)度能力，盡可能地保證每個(gè)任務(wù)滿足它們的時(shí)間約束。一方面對(duì)外部請(qǐng)求做出及時(shí)響應(yīng)，另一方面縮短系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)資源利用率［10］。

為了使服務(wù)總線系統(tǒng)能夠處理實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，對(duì)JBI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)，采用優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)策略，按照業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的高低動(dòng)態(tài)分配各類業(yè)務(wù)流的帶寬。擴(kuò)展JBI的標(biāo)準(zhǔn)化消息路由組件，增加下列三個(gè)組件，如表1所示。

表1 三種不同級(jí)別業(yè)務(wù)類型

1）流量整形漏桶組件

該組件位于服務(wù)提供者組件和消息路由組件之間，采用漏桶算法（Leaky Bucket，LB）對(duì)業(yè)務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行流量過(guò)濾和整形。如圖2所示，業(yè)務(wù)請(qǐng)求先被輸入一個(gè)緩沖隊(duì)列中，漏桶流控組件根據(jù)系統(tǒng)分配給該業(yè)務(wù)的流量帶寬將業(yè)務(wù)消息放入輸出緩沖隊(duì)列中供消息路由組件分發(fā)。如果業(yè)務(wù)請(qǐng)求因?yàn)閾砣抨?duì)超過(guò)有效時(shí)間，漏桶流控組件直接返回超時(shí)錯(cuò)誤消息給綁定組件。

2）流量?jī)?yōu)先級(jí)調(diào)度組件

該組件位于服務(wù)消費(fèi)者組件或服務(wù)引擎組件和消息路由組件之間。如圖2所示，該組件為每一個(gè)業(yè)務(wù)流建立一個(gè)傳輸隊(duì)列，消息路由將不同的業(yè)務(wù)流消息放入相應(yīng)傳輸隊(duì)列中。調(diào)度組件使用加權(quán)公平隊(duì)列算法（Weighted Fair Queuing，WFO），以分配給該業(yè)務(wù)的帶寬作為權(quán)重調(diào)度各業(yè)務(wù)流，將消息路由至其它服務(wù)消費(fèi)者組件或服務(wù)引擎組件。WFQ和LB算法共同作用保證總線上各業(yè)務(wù)流量的穩(wěn)定。

3）消息路由組件

該組件定時(shí)與流量整形漏桶組件通信，實(shí)時(shí)獲取并記錄各業(yè)務(wù)輸入流量、業(yè)務(wù)超時(shí)和丟棄情況。當(dāng)服務(wù)提供者組件發(fā)生流量擁塞時(shí)，該組件能根據(jù)總線當(dāng)前流量情況動(dòng)態(tài)調(diào)整分配各業(yè)務(wù)流帶寬。

圖2 實(shí)時(shí)服務(wù)總線消息處理

3 面向服務(wù)的艦載指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)艦載指控系統(tǒng)的功能需求及對(duì)其軟件體系結(jié)構(gòu)分析，本文構(gòu)建了“以服務(wù)為核心”的多層次模型；并以縱向和橫向分層表達(dá)方式將艦載指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)劃分為：橫向包括了對(duì)象層、構(gòu)件層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、表示層等五層，以及縱向包括了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、服務(wù)集成支撐、基礎(chǔ)公共服務(wù)、并行和高可用容錯(cuò)處理框架四部分。該結(jié)構(gòu)基于SOA 的開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，充分體現(xiàn)了面向服務(wù)的“松耦合”、“即插即用”、“靈活組裝”和“柔性重組”等特點(diǎn)，能有效提高艦載指控系統(tǒng)的技術(shù)適應(yīng)能力、擴(kuò)展能力、升級(jí)適裝、互操作能力。

圖3 服務(wù)化的艦載指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

1）對(duì)象層

對(duì)象是面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言中基本組織單元，也是構(gòu)件的組成元素，具有封裝、繼承、多態(tài)等特性。當(dāng)前主流的面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言包括了C／C＋＋和JAVA，面向?qū)ο缶幊淌钱?dāng)前成熟的編程方法，可快速搭建構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)。

2）構(gòu)件層

構(gòu)件代表了業(yè)務(wù)服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口暴露業(yè)務(wù)服務(wù)，是艦載指控系統(tǒng)軟件的部署和配置的基本單元。它與具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)相關(guān)，當(dāng)前主要的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)包括了CCM，SCA，OSGi等。

3）服務(wù)層

服務(wù)層是指艦載指控系統(tǒng)服務(wù)集，是艦載指控業(yè)務(wù)邏輯的基本封裝單元。服務(wù)接口描述定義了服務(wù)提供者與使用者間的契約，當(dāng)前服務(wù)接口描述方式包括了WSDL，CORBA IDL等方式。

4）流程層

業(yè)務(wù)服務(wù)層把組合服務(wù)層的各種服務(wù)，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)及作戰(zhàn)流程，按照站位進(jìn)行打包、配置和封裝，以供最終作戰(zhàn)用戶使用。該層對(duì)應(yīng)于指控顯控臺(tái)、武器顯控臺(tái)、情報(bào)顯控臺(tái)等設(shè)備上的軟件功能。

5）表示層

按照“軟硬件分離、數(shù)據(jù)與應(yīng)用分離、顯示與處理分離”的原則，表示層提供標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)操控界面，將需要展現(xiàn)的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給操作使用人員。根據(jù)使用需求不同劃分為通用操控界面與實(shí)時(shí)操控界面。通用操控界面為所有非實(shí)時(shí)需求的作戰(zhàn)設(shè)備提供人機(jī)操控與數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)解析與控制業(yè)務(wù)層傳送XML數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理分離。

6）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是服務(wù)化體系結(jié)構(gòu)中各層軟件所涉及的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的集合，包括了對(duì)象層的C／C＋＋、構(gòu)件層的SCA、CCM 和OSGi、服務(wù)層的WSDL和CORBA IDL、流程層的BPEL 以及界面層的Portal Form 等。

7）服務(wù)集成支撐

服務(wù)集成支撐提供服務(wù)運(yùn)行時(shí)的支撐庫(kù)和工具，包括了服務(wù)總線和應(yīng)用服務(wù)器等內(nèi)容。其中服務(wù)總線面向服務(wù)構(gòu)架的基礎(chǔ)設(shè)施和實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，充當(dāng)連接和集成各種實(shí)時(shí)／非實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)消息總線，實(shí)施了必要抽象層將定義服務(wù)的消息轉(zhuǎn)化成可供業(yè)務(wù)構(gòu)件處理的數(shù)據(jù)，核心功能包括了消息實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用、服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)等。應(yīng)用服務(wù)器是應(yīng)用服務(wù)配置部署和加載的服務(wù)器，是服務(wù)構(gòu)件模型的具體實(shí)施。

8）基礎(chǔ)公共服務(wù)

基礎(chǔ)公共服務(wù)是指開(kāi)發(fā)、集成、管理和監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)公共服務(wù)。

9）并行和高可用框架

基于消息傳遞的并行框架支持，通過(guò)帶郵箱的任務(wù)實(shí)現(xiàn)高度并行，消除了對(duì)線程、共享內(nèi)存和鎖機(jī)制等影響并行操作的依賴。

4 基于服務(wù)總線的艦載指控系統(tǒng)集成實(shí)施方法

基于服務(wù)總線的艦載指控應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)集成過(guò)程如圖4所示，包括了應(yīng)用開(kāi)發(fā)、集成、部署、運(yùn)行和監(jiān)控等五個(gè)過(guò)程，對(duì)應(yīng)了五類系統(tǒng)用戶角色：系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員、系統(tǒng)集成人員、系統(tǒng)部署人員、系統(tǒng)管理人員和系統(tǒng)操作用戶。主要的開(kāi)發(fā)步驟如下：

圖4 艦艇指控系統(tǒng)服務(wù)化軟件開(kāi)發(fā)及部署圖

1）應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員利用構(gòu)件開(kāi)發(fā)工具環(huán)境進(jìn)行單個(gè)應(yīng)用服務(wù)構(gòu)件的開(kāi)發(fā)，生成消息、服務(wù)和構(gòu)件的描述文件；

2）應(yīng)用系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成人員利用構(gòu)件集成工具環(huán)境根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)功能對(duì)多個(gè)構(gòu)件進(jìn)行集成，包括應(yīng)用功能組裝、作戰(zhàn)業(yè)務(wù)流程管理和應(yīng)用重組容錯(cuò)等，生成構(gòu)件應(yīng)用組裝描述文件、流程定義文件、重組配置描述文件等；

3）應(yīng)用系統(tǒng)部署

系統(tǒng)部署人員根據(jù)應(yīng)用集成的配置文件，將構(gòu)件化應(yīng)用系統(tǒng)從構(gòu)件庫(kù)中下載、安裝和配置到最終的物理臺(tái)位；

4）應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行

根據(jù)各個(gè)作戰(zhàn)臺(tái)位的節(jié)點(diǎn)的部署配置信息，啟動(dòng)構(gòu)件化應(yīng)用系統(tǒng)各個(gè)子功能系統(tǒng)，使作戰(zhàn)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；系統(tǒng)操作用戶是構(gòu)件化作戰(zhàn)應(yīng)用系統(tǒng)的最終操作使用人員；

5）應(yīng)用系統(tǒng)監(jiān)控跟蹤

系統(tǒng)管理人員利用應(yīng)用系統(tǒng)跟蹤監(jiān)控軟件對(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)的信息流和控制流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄存儲(chǔ)，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控與評(píng)價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)艦載指控系統(tǒng)所面臨的易于實(shí)現(xiàn)與集成的實(shí)際作戰(zhàn)需求，構(gòu)建了“以服務(wù)為核心”的多層次體系結(jié)構(gòu)模型，并在此基礎(chǔ)上提出了工程實(shí)施方法及技術(shù)解決方案。研究成果對(duì)實(shí)現(xiàn)具備即插即用、柔性重組、良好的互操作的服務(wù)化艦載指控系統(tǒng)，具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。

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