杨 光

（91404部队91分队 秦皇岛 066001）

1 引言

现代化的海军作战要求在不同平台之间实现连通性，这些平台之间的链路支持指挥控制、作战管理、通用作战图和战术图象的分发、传感器数据分发、对时敏目标和其它目标的跟踪和打击、以及其它众多的C4ISR功能。

但是，通信带宽容量在战略、战役和战术级别都受到严重制约和挑战，特别是战术级带宽需要扩展才能满足未来作战的信息需求。由于通信带宽容量的限制，很大程度上降低了信息共享以及系统间互操作的能力，限制了关键信息向指挥系统和武器系统的传输，阻碍了作战空间中时敏作战行动，因此如何有效融合现有的各通信带宽的信息节点以及如何有效地对各个节点服务进行有效集成是我们仍然需要解决的首要课题。本文从研究美海军发展现状出发，探讨在带宽受限条件下如何进行服务的集成和服务的调用技术。

2 美军现状

高效的通信是美国海军的根本性需求，为了满足这个需求，美国海军通过建设部队网“FORCEnet”来实现21世纪海上力量构想（包括海上打击、海上盾牌以及海上基地）。同时高效的通信是可组合和可适应C4ISR系统关键要素之一。未来海军部队网和全球信息栅格体系结构为联合部队通信能力的转型提供了前景。美国海军也面临从当前跨传统和商用链路的有限带宽环境向未来转型通信体系结构设想的基于IP协议的无限带宽环境过渡。

从历史发展看，在1994年，美国海军已经装备了国际海事卫星天线，采用单一或多个64kHz信道进行话音和数据传输。这仍然是当今小型水面战舰的主要通信方式。到1996年时其大型舰艇已经具备1.5M/s通信能力，它们使用C波段和超高频频谱进行通信。从1996年到2000年，美国海军的“21世纪信息技术”（IT－21）计划不仅给所有服役舰艇带来了带宽、计算机和网络，使得海军舰队拥有英特网协议（IP）通信能力。后来全球广播系统问世，它工作在极高频（EHF），具有广域覆盖和点波束覆盖特点；如果装备合适的天线和终端，即使最小的舰艇也能以高达20Mbit/s的速率接收信息。美国海军针对不同的通信链路，应用了卫星数据链、陆地视距数据链和超视距数据链。到2005年时，其X波段卫星通信达到62Mb，Ka波段达到96Mb/s，极高频波段到达50Mb/s。现在正在发展最高到1300Mb/s的卫星通信技术［1］。

在这种军事通信能力的条件下，为了适应网络化中心作战，美国国防部提出了基于高带宽可靠网络基础设施的网络中心企业服务（NCES）以及基于有限带宽的Ad Hoc网的系统通用操作环境之系统（SOSCOE）两大项目［2］。其中，NCES强调：1）提供的能力是基于服务的；2）对以计算为中心起杠杆作用；3）强调无缝访问共享空间；4）战略决策。

而SOSCOE是基于战术域的，它强调：1）无中心化的实时和近实时安全应用；2）基于无线网络的服务质量管理；3）在GIG环境下为维持无缝通信提供广泛的代理应用。

SOSCOE提供了一套基于商业和开源软件的标准的接口，为美国未来作战系统战术域提供基础设施，从而为以网络为中心的作战指挥提供支撑（FCS是一个跨兵种服务的联合网络系统中的系统，提供了支持网络中心战的战术域架构。）而NCES提供了基于GIG的全球信息栅格的基础服务设施。

图1 SOSCOE和NCES的关系［2］

美军的SOSCOE是一种基于服务的架构，把高性能和Web Services服务融进了一个框架，从详细的操作中隔离了用户和其他服务。在架构的底层采用了统一的接口封装了分布式对象服务和Web Services服务。利用分布式对象服务来保证实时的Ad Hoc网络通讯和信息的实时性。其服务架构层次如图2所示。

图2 SOSCOE的底层架构

3 未来海战场网络环境的特点

海战场环境的编队通信网络组成是一种高度近似于移动自组织网络（Mobile Ad hoc Networks，简称MANET或自组网）的网络［3］。它是由一组带有无线通信收发装置的移动节点组成的多跳临时性无中心网络，可以在任何时刻、任何地点快速构建起一个移动通信网络，网络中的每个节点可以自由移动、地位相同。

未来海战场网络通信的特点是：

1）战场分作战区域，每个区域内可以独立通信，区域间也可互联。

我终于明白了，为什么莫言先生念念不忘山东高密东北乡那一片片高粱，为什么福克纳写的故事都发生在约克纳帕塔法这个地方，为什么贾樟柯电影里的人物都说着山西话。我也隐约明白了，西楚霸王项羽，临终前为何说无颜见江东父老。

2）信息时敏度高，通信网络应满足时延要求。

3）编队通信应能随作战任务变化快速重组。

4）通信网络应该支持网络资源管理和信息传输管理。

5）通信带宽受数据链通信技术发展的限制，以及对带宽的需求愈来愈高。

我国目前数据链的发展比起西方军事强国还存在巨大的差距，通信能力在很大程度上受到了限制，带宽受限成为了服务化指挥控制发展的瓶颈，在很大程度上制约了指挥控制系统对战场资源的有效访问和管理。

4 带宽受限条件下指挥控制服务化的策略

4.1 构建海战场企业服务总线

企业服务总线（Enterprise Service Bus，ESB）［4］是面向服务体系架构（Service—oriented Architecture，SOA）［5］中最重要的基础设施［6］，凭借其动态、可靠的消息传输、消息转换能力来有效解决企业业务集成（Enterprise Application Integration，EAI）中大量存在的系统环境异构、通信协议差异、编程语言差异等异构问题。ESB作为SOA架构的信息传输平台，通过标准的适配器连接异构环境中的服务，实现集成系统之间的互操作功能。

企业服务总线的核心功能归纳为消息机制、消息转换、基于内容的路由和服务容器四个部分［7］；在服务请求者和提供者之间传递数据及对这些数据进行转换的能力；支持发现、路由、匹配和选择的能力；支持服务间的动态交互，解耦服务请求者和服务提供者等。

海战场C4ISR电子信息系统企业服务总线，能够把海战场作战资源和信息能够有效的组织和管理起来，是海战作战平台节点网络化后高度抽象的结果。超级节点服务器是海战场C4ISR的ESB的控制中心，它将物理分散的指挥节点和各种服务进行统一集中注册管理，支持全局服务统一监控、部署和发布。它由节点管理、全局消息路由、全局服务目录、全局服务管理和通信适配器等核心服务组件组成。节点服务器是具体的执行机构，自主地安装部署、运行、管理并监控运行于其中的各种适配器、服务等组件，并对节点内的信息交互方式进行管理和监控，节点服务器部署的是节点内的服务，是一个相对独立的自治的ESB环境。节点服务器和超级节点服务器没有本质区别，只是相关核心服务是否激活为区别标准，通过动态配置，它们之间可以互相转化。

节点服务器和超级节点服务器可以部署如图3所示。

图3 海战场节点服务器的部署示意

4.2 建立适合海战场战术需要的通信总线

通信总线是规范数据模型、公共指令集和消息设施的一个综合体，其可使不同的系统通过一组公共的接口进行通信，它能够隔离信息传输和业务应用，将指挥控制系统的功能从纷繁负载的通信管理负担中分离出来。使海战场海军战术编队的通信能够动态配置组合，适应战术编队随任务的变化。通信总线通过各种适配服务和消息翻译服务将海战场各种异构的通信协议进行适配，解释翻译成总线内部的共用基础协议，使协议在通信总线内部无缝传输。

图4 海战场通信总线架构

海战场战术编队是随任务变化而动态改变的。例如普通的战术编队是在任务执行前而组合，舰艇的数量随任务的不同而变化，舰艇间通信方式和通信转接方式也是随作战方案而不同。这时作战指挥系统就应该能够动态调整服务信息传输的路由。我们采用了通信连接矩阵模型来构造战术编队的通信路由，并可以随战术编队候选通信方式而动态改变路由策略。当编队从事新的任务，根据任务的通信方案，指控系统管理人员可以根据当前的通信方案编辑通信连接图，企业服务总线根据连接图可以重新生成通信路由，指控系统不需要做任何改变，即能实现新的通信拓扑改变和任务组合。

4.3 建立适合海战场环境的服务调用模型和策略

海战场的众多服务根据服务的使用方式来分，可以分成请求回复型和发布订阅型。其中，请求回复型服务是最主要的服务使用方式，发布订阅型主要集中在数据服务，如：态势信息数据的订阅分发、监控数据的实时订阅分发。请求回复是消费者主动发送服务请求，服务提供者根据请求进行计算返回服务内容；而订阅分发型的服务则是消费者直接向服务提供者订阅所需的数据，服务提供者一旦有数据就即时向消费者发布，减少了消费者每次主动请求数据的调用过程，极大提高了消费者数据获取的效率。

对于请求回复型的请求，为了解决服务质量和服务访问的实时性和并发性问题，我们改进了阶段事件驱动模型（Staged Event—Driven Architecture，SEDA）服务调用控制方法。SEDA是加州大学伯克利分校研究的一套优秀的高性能互联网服务器架构模型［8］。其设计目标是：支持大规模并发处理、简化系统开发、支持处理监测、支持系统资源管理。其核心思想是把一个请求处理过程分成几个阶段（Stage），对于消耗不同资源的每个阶段，其使用不同的数量的线程来处理，每个阶段可以独立进行开发，阶段之间使用事件驱动的异步通信模式［8］。如图7所示。

图5 阶段事件驱动模型（SEDA）

改进后，在服务调用的前端，有统一的服务调用接口，根据调用请求的优先级分配到不同优先级的服务请求队列。由控制器根据消息队列优先级情况对处理线程池的线程统一调度。服务请求中赋予服务时间约束，超时的未完成服务返回错误，并从请求队列中删除，而保证其他服务的正常进行。如图8所示。

图6 改进的SEDA模型

海战场信息包含了大量实时和非实时数据，面临带宽有限的非TCP/IP协议无线通信和高带宽的有线通信平台并存的环境，采用的策略是：

1）将高并发服务调用尽力部署在同一个服务节点，因为在同一节点内，可直接采用SOAP Over JMS协议调用服务，以减少跨节点服务调用，提高调用效率。对于节点外服务调用，采用2）的方式；

2）采用改进的 SEDA（Staged event-driven architecture）架构，利用优先级策略，将业务请求放置到不同优先级缓冲队列，优先级高的请求先处理，对相同优先级队列里的请求采用先到先服务及尽力工作的服务策略［9］；

3）对服务请求增加时间约束，尽可能保证业务执行时间满足时间约束，对超出时间约束的服务请求直接返回错误，保证服务调用的效率；

4）采用基于拥塞控制的路由机制，能够根据总线当前流量调整业务流带宽［10～12］；

5）利用服务代号方法和信息压缩方法精简服务调用信息，使无线环境服务请求的数据量达到相对较小，减少无线数据链通信带宽使用量。

在请求回复型服务中，对于基于TCP/IP协议的宽带服务可以直接使用web服务的调用方式，而对于带宽受限的无线环境采用异步消息方式实现跨平台服务调用。在每个ESB节点服务器上通过采用“双代理”的方式实现对本地服务和外部服务的调用。双代理指的是在同一节点上的“服务请求代理”和“服务调用代理”。服务请求代理主要处理本地节点上层应用发送的服务请求，它将服务请求根据服务目录进行分析，根据服务的地址和带宽细分成本地请求和远程请求，本地请求基于web服务的方式直接调用，远程请求代理则将本地调用请求消息化，并由ESB路由到所需服务所在节点，由该节点服务调用代理接收并负责将服务请求消息转换，使其与所请求的服务调用绑定，经过服务计算将结果返回，服务调用代理主要职能就是响应远程节点发送的异步消息服务请求，采用改进SEDA模型策略来处理请求。

5 结语

本文从美海军通信发展现状、未来海战场通信特点几个方面分析了海战场作战指挥服务化需求和通信发展的矛盾，提出了一种在带宽受限条件下海战场指挥控制服务化的一个初步策略和思路，由于篇幅所限，不能过细地从技术层面上做进一步的深入分析。海战场指挥控制服务化是一个复杂的课题，本文仅从带宽受限的角度探讨服务化的方法和技术，在服务安全、服务质量保证等方面还需要做进一步的研究。