基于服務的炮兵通信網(wǎng)絡資源管理研究*

季 青，楊 揚，孟 坤，王 磊

（1.北京科技大學計算機與通信工程學院，北京 100083；2.北京特種機電技術研究所，北京 100012；3.北京信息科技大學，北京 100084）

基于服務的炮兵通信網(wǎng)絡資源管理研究*

季 青1，2，楊 揚1，孟 坤3，王 磊3

（1.北京科技大學計算機與通信工程學院，北京 100083；2.北京特種機電技術研究所，北京 100012；3.北京信息科技大學，北京 100084）

在分析炮兵通信網(wǎng)絡資源現(xiàn)狀及資源管理需求基礎上，從網(wǎng)絡資源池的構(gòu)建與管理、網(wǎng)絡資源的組件與封裝、資源池內(nèi)的組件組合與調(diào)度3個方面提出了基于服務的炮兵通信網(wǎng)絡資源管理方法，此方法實現(xiàn)了網(wǎng)絡資源的“縱向扁平化、橫向一體化”管理，使資源管理與網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)指揮結(jié)構(gòu)松耦合，便于網(wǎng)絡資源柔性擴展以及彈性服務的提供，為聯(lián)合作戰(zhàn)條件下，面向多軍兵種資源融合與信息共享的統(tǒng)一通信服務實施提供技術借鑒與支撐。

炮兵通信網(wǎng)絡，資源管理，服務

0 引言

1999年9月，美國國防部提出的全球信息柵格系統(tǒng)（Global Information Grid，GIG）強調(diào)網(wǎng)絡基礎資源對上層應用的支持作用，要求通信網(wǎng)絡具有資源（帶寬、頻率、協(xié)議等）的動態(tài)感知功能，能夠有效地調(diào)配組合戰(zhàn)場各類資源使部隊的作戰(zhàn)能力得以最大的發(fā)揮［1］。我軍在“十二五”規(guī)劃建設中，也提出了以聯(lián)合作戰(zhàn)指揮應用為主線，以衛(wèi)星、無線電臺、光纜為通信手段，以各軍兵種指揮專網(wǎng)、軍事綜合信息網(wǎng)為業(yè)務網(wǎng)系，建設天空地一體化、需求寬帶化、功能軟件化的信息基礎柵格化網(wǎng)絡。作為承載全軍各類信息應用的基礎傳輸平臺，我軍信息基礎柵格化網(wǎng)絡在對網(wǎng)絡資源的管理與控制上，具備基于策略的業(yè)務控制和資源調(diào)度能力，能夠根據(jù)任務需要快速部署、調(diào)配網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡運行狀態(tài)、網(wǎng)絡資源、用戶行為和各類業(yè)務的可知、可控、可管和按需服務［2］。

可以看出，未來軍事信息網(wǎng)絡將在柵格（Grid）技術的支撐下，具有無縫連接、按需服務和資源共享等特性，在資源管理上從傳統(tǒng)的專用網(wǎng)絡分布式向一體化協(xié)同與共享轉(zhuǎn)變。因此，為了最大化網(wǎng)絡效能，必須實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的全局管理與控制，支持網(wǎng)絡資源的柔性擴展。

1 炮兵通信網(wǎng)絡資源現(xiàn)狀分析

網(wǎng)絡資源從廣義上指網(wǎng)絡的物理資源和邏輯資源按需求組合為上層的業(yè)務提供網(wǎng)絡服務的實體或能力［3］。在不同的層面呈現(xiàn)出不同的形態(tài)：從物理角度看，炮兵通信網(wǎng)絡資源主要包括配備在各類指揮車上的網(wǎng)絡通信控制器、無線電臺以及戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備等，這些網(wǎng)絡硬件設備是提供網(wǎng)絡服務能力的根本，支撐網(wǎng)絡的各類協(xié)議與應用。從邏輯角度看，是各通信子網(wǎng)的頻率、頻率間隔、時隙、帶寬、速率、功率、協(xié)議、拓撲結(jié)構(gòu)、信道方式以及各類端口號等。根據(jù)組網(wǎng)方式的不同，按照通信設備所采用的不同信道傳輸體制，分為超短波電臺網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)電臺、短波電臺網(wǎng)、指揮所無線局域網(wǎng)等。依據(jù)承擔的作戰(zhàn)任務不同，分為炮兵指控專網(wǎng)、偵察情報網(wǎng)、后裝保障網(wǎng)等。按照指揮關系分為對上子網(wǎng)、本級子網(wǎng)、對下子網(wǎng)、友鄰子網(wǎng)等，各類子網(wǎng)相互融合組成炮兵指揮通信網(wǎng)絡。在具體的作戰(zhàn)應用中，各子網(wǎng)的資源互為交叉使用，在每個子網(wǎng)內(nèi)部按照網(wǎng)管中心預先配置好網(wǎng)絡頻率（帶寬）、速率、時隙和固定的標準與協(xié)議進行通信。在跨子網(wǎng)傳輸時，一是通過在不同的層級設置相應的轉(zhuǎn)換接口或網(wǎng)關控制器等中間件設備，實現(xiàn)資源的轉(zhuǎn)換；或是通過設置不同的表網(wǎng)號、端口號進行點對點的數(shù)據(jù)傳輸。

因此，在聯(lián)合作戰(zhàn)多網(wǎng)融合的柵格化發(fā)展趨勢下，炮兵通信網(wǎng)絡是一個多種傳輸手段、多型號、多體制通信裝備并存的網(wǎng)絡集成，網(wǎng)絡環(huán)境與網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜易變，網(wǎng)絡資源以窄帶資源為主且資源具有異構(gòu)性、地域分布性、管理多重性以及動態(tài)擴展性等特征。

2 炮兵通信網(wǎng)絡資源管理需求

目前，炮兵通信網(wǎng)絡現(xiàn)用的基于傳統(tǒng)的與指揮關系緊耦合的逐級資源管理方法很難適應未來天、空、地一體化、全域化的網(wǎng)絡資源綜合管理與保障需求。柵格化網(wǎng)絡發(fā)展趨勢下，炮兵通信網(wǎng)絡資源管理需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）聯(lián)合作戰(zhàn)條件下，網(wǎng)絡資源一體化協(xié)同共享需求

在一體化聯(lián)合作戰(zhàn)條件下，炮兵部隊與其他軍兵種間的協(xié)同內(nèi)容增加，作戰(zhàn)任務種類增多，指揮控制方式由預先計劃控制為主向近實時動態(tài)調(diào)控為主轉(zhuǎn)變。為更好地滿足未來戰(zhàn)爭對指揮速度的要求，發(fā)揮作戰(zhàn)的整體效能優(yōu)勢，炮兵部隊需要確立網(wǎng)絡一體化的指揮方式，利用網(wǎng)絡將分散在不同地域的各級指揮中心、武器系統(tǒng)、作戰(zhàn)單位等信息源連接起來，形成網(wǎng)絡化的作戰(zhàn)體系，指揮員負責對分布在不同空間位置的各種類型的部隊或武器系統(tǒng)實施一體化“無縫隙”的指揮，戰(zhàn)場的指揮權相對集中到聯(lián)合作戰(zhàn)指揮中心，隨著指揮結(jié)構(gòu)由“樹狀縱長型”向“網(wǎng)狀扁平型”轉(zhuǎn)變，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)也由分層結(jié)構(gòu)逐步向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)展，各類作戰(zhàn)單元之間信息與資源聯(lián)系更加緊密，要求網(wǎng)絡資源管理由分布式向一體化協(xié)同共享發(fā)展。

（2）炮兵機動作戰(zhàn)環(huán)境下，動態(tài)網(wǎng)絡資源調(diào)度實時性需求

炮兵在實施機動作戰(zhàn)時其通信網(wǎng)絡具備動態(tài)特性的同時，還要求具有實時高效的信息傳輸與處理能力。一是在作戰(zhàn)單元間傳輸目標信息時，為了讓所有作戰(zhàn)單元形成一致的綜合態(tài)勢，必須保證目標信息傳輸具有很強的實時性。二是在與其他兵種協(xié)同作戰(zhàn)時，信息的傳遞必須滿足強實時性，這樣才能使得各個作戰(zhàn)迅速作出反應，達到有效的協(xié)同。三是未來戰(zhàn)場態(tài)勢的瞬息萬變，其作戰(zhàn)指揮和部隊行動都將是實時或近實時的，即實時指揮、實時保障等。另外，各類網(wǎng)絡節(jié)點配置的無線電臺容量決定了網(wǎng)絡帶寬具有有限性，這一切都要求通過提高網(wǎng)絡資源的配置手段或利用網(wǎng)絡資源管理技術來提高網(wǎng)絡運行效率，滿足炮兵部隊作戰(zhàn)信息的實時化傳輸需求。

（3）柵格網(wǎng)絡發(fā)展趨勢下，資源動態(tài)感知與柔性擴展需求

柵格化信息網(wǎng)絡發(fā)展趨勢下，要求不同技術體制、不同格式標準的軍兵種異構(gòu)網(wǎng)絡融合發(fā)展，指揮、控制、通信、計算機、情報、偵察等各領域資源通過設備的兼容、資源的整合實現(xiàn)多維空間資源的按需調(diào)度與柔性共享。炮兵通信網(wǎng)絡資源在新的作戰(zhàn)任務下達前，按照約定對網(wǎng)絡成員數(shù)量、傳輸流量、頻率帶寬、時隙分配等參數(shù)進行設置，如果一旦為某個用戶分配了時隙資源，無論該用戶是否留在網(wǎng)內(nèi)，其他用戶都不能使用其網(wǎng)絡帶寬，新用戶需要臨時入網(wǎng)，如果沒有事先分配到資源，也不能與網(wǎng)內(nèi)其他用戶進行網(wǎng)內(nèi)信息交互與共享，造成了網(wǎng)絡資源的浪費。另外，如果戰(zhàn)場環(huán)境發(fā)生改變，網(wǎng)絡規(guī)模和用戶數(shù)量發(fā)生變化或網(wǎng)絡進行重組時，網(wǎng)絡資源不能感知網(wǎng)絡環(huán)境與需求的變化進行自適應重組，制約了作戰(zhàn)平臺之間的信息共享能力與水平。

（4）“彈性服務”要求下，按需通信服務質(zhì)量保障需求

目前，炮兵通信網(wǎng)絡的各層只考慮到本層的QOS保障，例如：網(wǎng)絡層只考慮本層的路由協(xié)議是否使網(wǎng)絡的性能達到戰(zhàn)技術指標要求，雖然針對具體業(yè)務需求可以做到局部服務質(zhì)量的最優(yōu)，但各層的網(wǎng)絡資源是獨立的，沒有從網(wǎng)絡跨層資源融合的角度來提高網(wǎng)絡整體的QOS。未來的信息化戰(zhàn)場，信息流動性增強，信息種類逐漸增多，不同類型的信息提出了不同的服務質(zhì)量QoS要求，傳統(tǒng)的單一炮兵指揮專用網(wǎng)絡和單一的指揮控制業(yè)務承載雖然可以針對具體業(yè)務做到局部服務質(zhì)量的最優(yōu)，但無法適應柵格化網(wǎng)絡融合趨勢所帶來的各種問題。柵格化網(wǎng)絡“按需服務”特點，一方面要求網(wǎng)絡資源在各個層次向外提供各種服務，另一方面，為減少傳輸過程中網(wǎng)絡服務資源的冗余，要求網(wǎng)絡所提供的服務需根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境與任務的變化進行實時調(diào)整。因此，炮兵通信網(wǎng)絡要實時掌握資源動態(tài)變化情況，統(tǒng)一優(yōu)化底層網(wǎng)絡通信資源，根據(jù)不同業(yè)務的服務質(zhì)量要求組合相應的資源，提供彈性服務并按需滿足服務質(zhì)量要求。

3 基于服務的網(wǎng)絡資源管理方法

隨著云計算“一切皆服務”核心理念的提出，硬件即服務、軟件即服務、平臺即服務［4］三大服務類型被廣泛研究與應用，本文將底層的網(wǎng)絡資源封裝成服務模塊的形式提供給上層應用，通過對網(wǎng)絡資源的“服務化”，使網(wǎng)絡資源與基礎設施松耦合，便于網(wǎng)絡資源的柔性擴展。

基于服務的網(wǎng)絡資源管理方法首先將炮兵指揮通信網(wǎng)絡的各類通信子網(wǎng)網(wǎng)絡資源通過虛擬化映射等手段統(tǒng)一匯聚融合在一體化資源池中，將資源的管理流程由樹狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為扁平化結(jié)構(gòu)，通過對資源池里的資源進行全局控制與管理，實現(xiàn)資源的透明化管理。資源管理模式如圖1所示。

3.1 資源池的資源分類與管理

資源池匯聚了不同的軟件資源、硬件資源和邏輯資源（見圖2），基于服務的網(wǎng)絡資源管理本質(zhì)上就是對一體化網(wǎng)絡資源池中已經(jīng)封裝成通信服務模塊的通信組件進行管理與調(diào)度，以滿足不同的業(yè)務需求。因此，在對網(wǎng)絡類別、軟件、硬件資源分類的基礎上，還需將炮兵指揮網(wǎng)絡協(xié)議棧的各層邏輯資源進行由下至上的逐層分類，比如在物理層根據(jù)信息傳輸方式（超短波、短波、高速數(shù)據(jù)臺等）進行分類，其次在鏈路層在同一傳輸方式下根據(jù)信道接入手段（如：CSMA、HDLC）和信道劃分方法（如：TDMA）進行分類，在網(wǎng)絡層根據(jù)相同的網(wǎng)絡協(xié)議進行分類，考慮到炮兵部隊作戰(zhàn)指揮間指揮關系、指揮流程條件約束，通過對不同級別的業(yè)務需求設置不同資源使用權限來實施對資源池內(nèi)部資源的調(diào)度與控制。

圖1 基于服務的資源管理模式

圖2 基于服務的資源池資源管理示意圖

3.2 網(wǎng)絡資源的組件封裝

基于服務的網(wǎng)絡資源管理關鍵就是將網(wǎng)絡底層的資源抽象虛擬后，封裝成服務模塊的形式提供給上層的應用［5］，如下頁圖3所示。

首先，將炮兵指揮通信網(wǎng)絡各子網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)向物理層、鏈路層和網(wǎng)絡層進行邏輯結(jié)構(gòu)映射，不同控制域內(nèi)的資源需進行接口與協(xié)議或中間件技術轉(zhuǎn)換；其次，對將各子網(wǎng)資源進行聚類與融合，如：物理層進行硬件設備的共享，鏈路層進行信道的共享，網(wǎng)絡層進行網(wǎng)絡控制的共享，通過切片、聚合等技術實現(xiàn)資源的組件封裝，將網(wǎng)絡資源封裝成通信服務組件（模塊），最后根據(jù)業(yè)務的具體需求實現(xiàn)服務組件資源的組合調(diào)度，來滿足上層業(yè)務的需要。

圖3 基于網(wǎng)絡資源的組件封裝

3.3 資源池內(nèi)組件組合調(diào)度

炮兵部隊作戰(zhàn)特點要求各作戰(zhàn)單元間通過有效協(xié)同和快速反擊的作戰(zhàn)能力，實現(xiàn)實時或近實時的作戰(zhàn)指揮，要求通信網(wǎng)絡具有實時高效的傳輸能力。因此，炮兵網(wǎng)絡資源調(diào)度的目標是將應用層所提出的任務分配到合適的底層網(wǎng)絡資源上，使得在滿足需求的前提下，完成任務時間盡量小且資源利用率盡量高。

由于炮兵網(wǎng)絡帶寬資源有限（窄帶資源），如果某一時刻的業(yè)務量較大或者前一時刻網(wǎng)絡業(yè)務由于延時處理而當前時刻業(yè)務已經(jīng)到達時，這時業(yè)務對網(wǎng)絡資源的需求超出了網(wǎng)絡運行的能力則會引起網(wǎng)絡時延增加、吞吐量下降甚至是網(wǎng)絡的擁塞，也就是說導致重要的業(yè)務請求對應的通信資源（組件）不能及時快速地封裝組合。

炮兵動態(tài)網(wǎng)絡網(wǎng)內(nèi)所傳信息以話音、報文、圖形為主，信息的格式、信息量大小和信息流向受指揮關系、指揮命令等條件約束，報文格式具有規(guī)范性、報文內(nèi)容具有一定周期性和相關性，且業(yè)務請求具有時變性的特點，這些都為面向縮小網(wǎng)絡響應時間提供了一定的可行性。考慮到炮兵業(yè)務之間的關聯(lián)性且此關聯(lián)性滿足概率分布，可以通過此刻業(yè)務推斷出下一時刻到達業(yè)務的概率來提前對有優(yōu)先級要求業(yè)務所需要的網(wǎng)絡資源進行預先封裝組合，實現(xiàn)不同業(yè)務需求與資源使用之間優(yōu)先匹配以減少網(wǎng)絡響應時間。網(wǎng)絡業(yè)務需求與組件資源組合優(yōu)先匹配調(diào)度如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡組件資源組合調(diào)度示意圖

4 結(jié)束語

本文借鑒云計算的資源池技術、組件封裝技術、組件服務組合技術，提出了基于服務的炮兵通信網(wǎng)絡資源管理方法，本方法使底層網(wǎng)絡資源對上層應用透明，便于指揮員在實現(xiàn)作戰(zhàn)指揮時對權限內(nèi)網(wǎng)絡資源的整體控制與調(diào)度管理，縮短了作戰(zhàn)指揮流程與作戰(zhàn)行動反應時間，為一體化聯(lián)合條件下，炮兵部隊與友鄰兵種部協(xié)同作戰(zhàn)的信息交互與共享提供高效快速的網(wǎng)絡資源保障。

［1］匡興化，吳彤.信息柵格技術及其發(fā)展［J］.國防科技，2014（1）：20-23.

［2］田永春，張永廣.移動柵格網(wǎng)中跨層資源管理方法研究［J］.通信技術，2012（4）:25-28.

［3］李冰.云計算環(huán)境下動態(tài)資源管理關鍵技術研究［D］.北京：北京郵電大學，2012.

［4］陳全，鄧倩尼.云計算及其關鍵技術［J］.計算機應用，2009，29（9）：:262-2567.

［5］唐紅.云制造環(huán)境下的軟件資源服務化封裝技術研究［D］.北京：北京交通大學，2014.

Research of Artillery Communication Network Resources Management Based on Service

JI Qing1，2，YANG Yang1，MENG Kun3，WANG Lei3
（1.School of Computer and Communication Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；
2.Beijing Institute of Special Electromechanical Technology，Beijing 100012，China；3.Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100084，China）

In this paper，a novel artillery communications network resources management method is proposed which focused on constructing and managing network resource pool，compositing and packaging network resources and scheduling all components in the resource pool.The method successfully achieve the goal of"longitudinal management comes to flat，horizontal management comes to integration"，and it makes a combination of resource management，network structure and operation commanding with a loose coupling structure.The most important，it not only facilitates the expansion of network resource and supplies with flexible services，but also provides the technology support and reference value for multi-arms resource fusion as well as the information sharing in the Joint operations.

artillery communications network，resources management，service

TJ30；TN91

A

1002-0640（2015）06-0148-04

2014-04-19

2014-06-07

軍內(nèi)科研項目

季 青（1978- ），女，江蘇淮安人，博士。研究方向：云計算、網(wǎng)絡資源調(diào)度。