基于微服務(wù)的網(wǎng)電空間體系仿真框架設(shè)計(jì)

付長軍,劉海娟,李艷斌,張紅旗

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著電磁裝備和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,給探測感知、通信傳輸、信息交互、信息安全帶來了革命性變化。軍事層面,網(wǎng)電空間已成為繼陸、海、空、天之后又一新的作戰(zhàn)領(lǐng)域[1-2];工業(yè)層面,發(fā)展了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造等新興領(lǐng)域;社會(huì)層面,車聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興事物給經(jīng)濟(jì)與文化帶來了深遠(yuǎn)影響[3-4]。為了分析、評估、預(yù)測和引導(dǎo)相關(guān)的影響,普遍采用的解決方案是開展網(wǎng)電空間體系仿真[5-7]。

網(wǎng)電空間涉及大量裝備、不同平臺(tái)類型、信息系統(tǒng)、電磁交互與作用機(jī)理等內(nèi)容,需要多個(gè)仿真系統(tǒng)聯(lián)合才能更好地解決相關(guān)應(yīng)用問題[8-10]。網(wǎng)電空間體系仿真是綜合運(yùn)用各類仿真推演結(jié)果,面向最終應(yīng)用開展的仿真工作,需要具備以下特征:分布式計(jì)算能力,快速推演能力,人工智能博弈接入能力,快速部署和自動(dòng)重啟能力,裝備級(jí)仿真系統(tǒng)接入能力,紅藍(lán)對抗能力,人在環(huán)仿真推演能力,多分支推演能力,綜合態(tài)勢展示與可視化挖掘分析能力,支持裝備論證、編配方案篩選、新體制驗(yàn)證等應(yīng)用。雖然各類體系仿真系統(tǒng)與具體業(yè)務(wù)緊密相關(guān),但是底層邏輯、仿真焦點(diǎn)和框架具有通用性,有必要采用統(tǒng)一的框架進(jìn)行體系仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

本文通過綜合分析網(wǎng)信空間的業(yè)務(wù)需求,對模型譜系的交互關(guān)系,從模擬計(jì)算、綜合應(yīng)用、技術(shù)架構(gòu)、微服務(wù)管理平臺(tái)幾個(gè)維度設(shè)計(jì)提出了一種基于微服務(wù)的網(wǎng)電空間仿真框架,進(jìn)而給出了一種變步長的仿真推進(jìn)機(jī)制,基于該框架構(gòu)建的體系仿真系統(tǒng)能夠具備上述需求。

1 網(wǎng)電空間體系仿真相關(guān)技術(shù)探討

1.1 體系仿真框架

為應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境下多平臺(tái)、多系統(tǒng)、多組織結(jié)構(gòu)的聯(lián)合仿真,國外體系仿真技術(shù)經(jīng)歷了分布式交互仿真、聚合級(jí)仿真協(xié)議、高層體系結(jié)構(gòu)、訓(xùn)練與試驗(yàn)使能體系結(jié)構(gòu)和SPEEDES 等架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[10-11]?；谶@些標(biāo)準(zhǔn)按照先獨(dú)立開發(fā)后互聯(lián)集成的技術(shù)路線,開展了多模擬器、實(shí)物與半實(shí)物的協(xié)同仿真以及靶場的一體化建設(shè)。國內(nèi)仿真發(fā)展趨勢主要集中在HLA與TENA 兩個(gè)平臺(tái)應(yīng)用上[11-12]。此類技術(shù)過多地強(qiáng)調(diào)時(shí)空一致性,額外增加了很多開銷,給仿真系統(tǒng)的實(shí)用性和可操作性帶來了諸多不便。國內(nèi)已有學(xué)者針對具體需求,提出采用一體化的多層級(jí)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)的模型體系集成運(yùn)行,進(jìn)而降低建模難度,提高多仿真系統(tǒng)的協(xié)同效率[13]。

1.2 微服務(wù)架構(gòu)

網(wǎng)電空間體系仿真中涉及的平臺(tái)種類繁多、模型復(fù)雜,需要采用分布式架構(gòu)來避免系統(tǒng)集成規(guī)模的限制。同時(shí)要求在對模型的改進(jìn)完善過程中,減少對整個(gè)仿真系統(tǒng)的影響,這就需要仿真模型具有相對獨(dú)立性、模型接口具有相對穩(wěn)定性。

微服務(wù)架構(gòu)通過分解巨大應(yīng)用為多個(gè)服務(wù)方法解決復(fù)雜性問題,每個(gè)微服務(wù)簡單靈活,可以通過不同技術(shù)來實(shí)現(xiàn),可以獨(dú)立部署,不再需要一個(gè)龐大的服務(wù)器來支撐,可實(shí)現(xiàn)分布式架構(gòu)[14-15]。服務(wù)之間松耦合,內(nèi)部高內(nèi)聚,每個(gè)模型微服務(wù)可進(jìn)行獨(dú)立擴(kuò)展。通過將仿真計(jì)算服務(wù)、綜合應(yīng)用模塊封裝成一個(gè)個(gè)微服務(wù)的方法,有助于解決網(wǎng)電空間體系仿真模型的獨(dú)立性、仿真系統(tǒng)的復(fù)雜性和可擴(kuò)展性需求。

1.3 典型網(wǎng)電空間體系仿真業(yè)務(wù)分析

網(wǎng)電空間的主要作用機(jī)理:① 通過電磁傳播,形成了跨視距傳輸能力,通過信息交互,將位于不同物理空間上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)緊密結(jié)合在一起;② 雷達(dá)光電等探測手段,一方面對目標(biāo)形成偵察獲取能力,另一方面也讓網(wǎng)電系統(tǒng)裝備成為了觀測目標(biāo);③ 通過信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大量信息的交互與共享,為不同受眾帶來全新的體驗(yàn)和應(yīng)用;④ 電子干擾、毀傷以及環(huán)境的影響,給網(wǎng)電空間的運(yùn)用帶來了極大的靈活性和不確定性。這些已經(jīng)完全超出了人的思考范圍,最好的方式就是利用體系仿真。

相應(yīng)地,網(wǎng)電空間體系仿真的重點(diǎn)應(yīng)該覆蓋以上幾個(gè)方面,比較典型的網(wǎng)電空間體系仿真模型譜系如圖1所示[16-17]。通信網(wǎng)絡(luò)模型完成通信鏈路以及傳輸組網(wǎng)的功能級(jí)仿真。電子干擾類模型完成雷達(dá)干擾、光學(xué)干擾和通信干擾三方面的模擬。傳感器模型包括光學(xué)偵察、雷達(dá)探測、電子偵察的模擬。平臺(tái)類模型主要模擬平臺(tái)的目標(biāo)特性、搭載能力以及機(jī)動(dòng)特性。毀傷類模型一般包括物理毀傷、電子毀傷以及消耗。環(huán)境模型主要模擬雨雪霧等自然環(huán)境因素以及遮擋/地貌等地理環(huán)境因素對電磁的影響方式。信息系統(tǒng)模型包括信息產(chǎn)生、信息傳輸、信息處理以及信息應(yīng)用等全周期的模擬。

圖1 網(wǎng)電空間體系仿真模型譜系Fig.1 Simulation model architecture for cyber-electromagnetic space

2 基于微服務(wù)的網(wǎng)電空間體系仿真框架

基于微服務(wù)的網(wǎng)電空間體系仿真框架包括邏輯架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、綜合應(yīng)用、微服務(wù)管理平臺(tái)4個(gè)維度,如圖2所示。

圖2 基于微服務(wù)的網(wǎng)電空間體系仿真框架Fig.2 Simulation framework for micro-service based cyber-electromagnetic space

2.1 模擬計(jì)算維

面向網(wǎng)電空間體系仿真中的模擬計(jì)算采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì),包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理層、系統(tǒng)裝備模擬層和業(yè)務(wù)方案模擬層。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理層提供了開展體系仿真所需的最底層或最小單元計(jì)算服務(wù),包括空間坐標(biāo)更新、相對位置更新、信息處理過程模擬、信息產(chǎn)生模擬、鏈路計(jì)算、場強(qiáng)分布、通視分析、威力范圍、電磁傳播等。該層的計(jì)算服務(wù)復(fù)雜多任務(wù)邏輯和大規(guī)模高密集的數(shù)據(jù)計(jì)算,CPU善于處理多任務(wù)邏輯,而GPU善于大規(guī)模高密集數(shù)據(jù)計(jì)算的特性,需要采用CPU與GPU混合異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)。

系統(tǒng)裝備模擬層主要是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理層的仿真計(jì)算數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上模擬信息流、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)裝備業(yè)務(wù),其中信息流模擬側(cè)重于信息從產(chǎn)生、分發(fā)與傳輸、融合處理及應(yīng)用的環(huán)路模擬和需求滿足度計(jì)算;通信網(wǎng)絡(luò)模擬側(cè)重于接入分發(fā)、傳輸路由、網(wǎng)絡(luò)承載等業(yè)務(wù)的模擬,在傳輸路由的計(jì)算上需要采用分層分簇的計(jì)算策略提高仿真效率;系統(tǒng)裝備業(yè)務(wù)模擬側(cè)重于單個(gè)系統(tǒng)裝備執(zhí)行相關(guān)指令時(shí)的業(yè)務(wù)流程模擬,如雷達(dá)探測過程中的警戒、搜索、鎖定、跟蹤等具體環(huán)節(jié)。

任務(wù)級(jí)模擬層主要針對不同任務(wù),包括作業(yè)方案、保障方案、訓(xùn)練方案中的具體任務(wù)執(zhí)行與響應(yīng)情況進(jìn)行模擬,主要依賴于系統(tǒng)裝備模擬層的模擬計(jì)算數(shù)據(jù)。

2.2 技術(shù)架構(gòu)維

為構(gòu)建開放統(tǒng)一的網(wǎng)電體系仿真框架,需要綜合利用知識(shí)圖譜、數(shù)據(jù)中臺(tái)、技術(shù)中臺(tái)、業(yè)務(wù)中臺(tái)、規(guī)則引擎、仿真引擎6種手段。

對各類體系仿真業(yè)務(wù)模塊化,并通過能力標(biāo)準(zhǔn)接口提供服務(wù),形成業(yè)務(wù)中臺(tái),便于不同前臺(tái)直接調(diào)用,為網(wǎng)電空間體系仿真的綜合應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)提供可復(fù)用的系列化產(chǎn)品。

利用技術(shù)中臺(tái),提供統(tǒng)一的模型開發(fā)架構(gòu)和集成調(diào)用方式,按照服務(wù)化、異步化、配置化、插件化、數(shù)據(jù)化方式進(jìn)行開發(fā)支撐,有助于體系仿真模型體系構(gòu)建和靈活運(yùn)用。

利用數(shù)據(jù)中臺(tái)整合推演數(shù)據(jù)、裝備數(shù)據(jù)、想定數(shù)據(jù)、評估數(shù)據(jù)等,形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理能力,提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享方式,便于模型開發(fā)與業(yè)務(wù),有助于深入挖掘數(shù)據(jù),盤活資產(chǎn)價(jià)值。網(wǎng)電空間體系仿真數(shù)據(jù)中臺(tái)、技術(shù)中臺(tái)以及業(yè)務(wù)中臺(tái)的構(gòu)建也將大大降低未來的運(yùn)維管理。利用知識(shí)圖譜對平臺(tái)的搭載關(guān)系、編組關(guān)系、自身屬性、業(yè)務(wù)組織關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)一管理,為開展業(yè)務(wù)模擬和綜合應(yīng)用提供知識(shí)化支撐能力。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要對模型的交互、其他仿真系統(tǒng)的接入、實(shí)物/半實(shí)物提供統(tǒng)一的接口。仿真引擎采用基于時(shí)間和事件雙重推進(jìn)機(jī)制,以便于實(shí)現(xiàn)體系仿真的逼真度和快速推進(jìn)。規(guī)則引擎則將體系仿真中的易變邏輯與業(yè)務(wù)邏輯解耦,為系統(tǒng)裝備模型中業(yè)務(wù)邏輯構(gòu)建提供更強(qiáng)的靈活性。

2.3 綜合應(yīng)用維

網(wǎng)電空間體系仿真主要應(yīng)用包括:形成從大系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)到仿真驗(yàn)證和試驗(yàn)評估的閉環(huán),支撐網(wǎng)電空間系統(tǒng)裝備建設(shè)方總體類項(xiàng)目的規(guī)劃、立項(xiàng)論證、研制、試驗(yàn)驗(yàn)證和驗(yàn)收工作,支撐系統(tǒng)裝備提供商形成“以體系帶系統(tǒng)、以系統(tǒng)帶裝備”的發(fā)展格局,引領(lǐng)專業(yè)技術(shù)發(fā)展并支撐重大項(xiàng)目的實(shí)施。因此,綜合應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)提供以下幾方面的功能。

綜合態(tài)勢展示對網(wǎng)電空間的各個(gè)要素充分展現(xiàn),便于開展演示驗(yàn)證和可視化挖掘分析。

效能評估分析面向應(yīng)用需求,綜合地形、編成、氣候、電磁環(huán)境、機(jī)動(dòng)性等多個(gè)要素基于體系仿真推演數(shù)據(jù)開展效能評估。

網(wǎng)電平行系統(tǒng)構(gòu)建提供在線推演、離線分析、虛實(shí)互動(dòng)等工具,能夠與真實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成平行系統(tǒng),為實(shí)際運(yùn)行提供預(yù)測、指導(dǎo)和借鑒。

網(wǎng)電系統(tǒng)裝備論證提供各類系統(tǒng)裝備的參數(shù)和能力編輯功能,能夠綜合成本、功能指標(biāo)滿足度等因素,支持網(wǎng)電系統(tǒng)裝備的科學(xué)論證。

網(wǎng)電系統(tǒng)裝備組織運(yùn)用方式探索提供不同場景下,面向不同任務(wù)時(shí)網(wǎng)電空間系統(tǒng)裝備的導(dǎo)調(diào)控制功能,輔助用戶發(fā)現(xiàn)在不同場景下的網(wǎng)電系統(tǒng)裝備組織運(yùn)用新模式。

網(wǎng)電系統(tǒng)新體制驗(yàn)證基于新體制的性能和業(yè)務(wù)特點(diǎn),開展體系仿真,驗(yàn)證新體制在不同場景下的適用性和貢獻(xiàn)度。

網(wǎng)電系統(tǒng)裝配方案優(yōu)選提供多種系統(tǒng)編配方案編輯功能,結(jié)合具體應(yīng)用場景對需求的滿足度進(jìn)行衡量,從而輔助使用者確定出最優(yōu)的編配方案。

2.4 微服務(wù)管理平臺(tái)

采用微服務(wù)技術(shù),構(gòu)建微服務(wù)管理平臺(tái),主要包括微服務(wù)框架、服務(wù)注冊中心、服務(wù)配置中心、服務(wù)監(jiān)控中心和服務(wù)網(wǎng)關(guān)等[18]。在微服務(wù)框架構(gòu)設(shè)上,現(xiàn)階段使用最多的微服務(wù)架構(gòu)為阿里的Dubbo和Spring開源的SpringCloud。服務(wù)注冊中心和服務(wù)配置中心,采用與微服務(wù)架構(gòu)自然搭配的工具。服務(wù)監(jiān)控方面,現(xiàn)階段主流的日志監(jiān)控平臺(tái)是ELK(即Elasticsearch、Logstash以及Kibana),具備簡單易用且系統(tǒng)穩(wěn)定的特點(diǎn)。在應(yīng)用性能監(jiān)控上,主要對應(yīng)用服務(wù)之間的依賴關(guān)系、調(diào)用關(guān)系、調(diào)用響應(yīng)時(shí)間、調(diào)用次數(shù)、調(diào)用鏈關(guān)系等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控,可采用Skywalking作為應(yīng)用性能管理工具。服務(wù)網(wǎng)關(guān)方面,主要提供路由轉(zhuǎn)發(fā)和過濾器功能,客戶端訪問請求到達(dá)服務(wù)網(wǎng)關(guān)時(shí),服務(wù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證后再轉(zhuǎn)發(fā)到具體的微服務(wù)上。

在網(wǎng)電空間體系仿真過程中,服務(wù)實(shí)例數(shù)量龐大,對服務(wù)治理的要求高。為此,可利用容器服務(wù)提供的“語言無關(guān)性”微服務(wù)治理能力,結(jié)合微服務(wù)的管理和伸縮能力,在編排模版中以聲明的方式指定,或者在容器服務(wù)控制臺(tái)中可視化地指定[18-19]。從而有效地管理單個(gè)服務(wù)和服務(wù)集群,準(zhǔn)確地配置單個(gè)服務(wù)的使用內(nèi)存和CPU限制。通過將微服務(wù)與容器技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到網(wǎng)電空間體系仿真系統(tǒng),系統(tǒng)具有的優(yōu)勢包括:標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)運(yùn)維環(huán)境,服務(wù)有效監(jiān)控、自動(dòng)重啟,靈活配置服務(wù)所需資源,有效避免由于環(huán)境不同、服務(wù)依賴缺失、錯(cuò)誤和沖突等情況導(dǎo)致的服務(wù)無法啟動(dòng)、分布式運(yùn)行、負(fù)載動(dòng)態(tài)均衡等。

3 基于變步長的體系仿真運(yùn)行機(jī)制

由于網(wǎng)電空間體系仿真關(guān)注的焦點(diǎn)是信息,對時(shí)序的要求低,將影響信息的要素模擬出來即可。通過分析可知,在網(wǎng)電空間體系仿真中影響仿真結(jié)果的事件主要是:進(jìn)入或離開能力范圍、信息產(chǎn)生或消失、信息傳輸完成、目標(biāo)消失或出現(xiàn)。鑒于此,在仿真的每個(gè)步長中,如果保守策略上述事件都不發(fā)生時(shí),就可以大步長推進(jìn),不會(huì)影響到體系仿真的逼真度。

鑒于以上推論,本文提出了一種基于二分的變步長推進(jìn)策略假設(shè)用單個(gè)最小的仿真步長為ΔT、最大的仿真步長為2NΔT的時(shí)間間隔去計(jì)算,當(dāng)前的更新步長為2jΔT,步驟如下:

① 記離散仿真次數(shù)為i=0。

② 給定當(dāng)前推演時(shí)刻為Ti,令標(biāo)志位k=0,j=N。

③ 如果k=0,計(jì)算所有移動(dòng)平臺(tái)的空間坐標(biāo)為P(Ti+2jΔT);如果k>0,則增量更新移動(dòng)平臺(tái)的空間目標(biāo)。

④ 計(jì)算數(shù)據(jù)處理層中信息傳輸、信息產(chǎn)生、信息處理、消失等模擬函數(shù),如果k>0,則采用增量更新的方式。

⑤ 判斷是否有新的事件產(chǎn)生,如果沒有,將當(dāng)前推演時(shí)刻設(shè)定為Ti=Ti+2jΔT,將移動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)更新到數(shù)據(jù)庫,令k=max(0,k-1);如果有,新事件轉(zhuǎn)至下一步,否返回步驟②。

⑥ 如果有新的事件發(fā)生,則令j=j-1。如果j>0,記k=k+1并轉(zhuǎn)到步驟③;否則執(zhí)行下面步驟,說明已經(jīng)是最小步長,令k=k-1,并將平臺(tái)坐標(biāo)增量更新到數(shù)據(jù)庫。

⑦ 向仿真引擎推送仿真事件,執(zhí)行響應(yīng)的事件處理函數(shù)。

⑧ 置j=N-k,Ti=Ti+ΔT返回步驟③。

4 結(jié)束語

網(wǎng)電空間體系仿真是銜接網(wǎng)電系統(tǒng)裝備仿真和網(wǎng)電系統(tǒng)應(yīng)用場景的橋梁,是構(gòu)建平行網(wǎng)電空間的必由之路,如何設(shè)計(jì)實(shí)用性的體系仿真框架是體系仿真系統(tǒng)構(gòu)建的前提。本文充分結(jié)合當(dāng)前微服務(wù)架構(gòu)的優(yōu)勢以及網(wǎng)電空間業(yè)務(wù)特點(diǎn),提出了一種基于微服務(wù)的網(wǎng)電空間體系仿真框架,給出了變步長的推進(jìn)機(jī)制,用于實(shí)現(xiàn)快速仿真推演?；谠摾砟钤O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套面向網(wǎng)電空間戰(zhàn)場的體系仿真軟件,從實(shí)施過程上看,該框架易于實(shí)現(xiàn)、二次開發(fā)難度低、設(shè)計(jì)與開發(fā)管理清晰、模塊的可重用性好。實(shí)施的關(guān)鍵在于如何平衡微服務(wù)顆粒度的劃分,如果粒度過細(xì),則各服務(wù)之間的交互代價(jià)較大,會(huì)影響仿真效率;反之,會(huì)影響開發(fā)復(fù)用及維護(hù)難度。微服務(wù)設(shè)計(jì)與劃分工作需要與網(wǎng)電空間的模型交互機(jī)制緊密結(jié)合。