基于pubsub网络化态势信息分发机制研究

基于pubsub网络化态势信息分发机制研究

0态势信息单一运作模式随着高新技术条件下信息技术的发展和武器装备的进步，战争形式从机械化转向信息，作战模式也从平台中心战争转变为网络中心战争。建立在信息栅格上的网络化战争,是信息化战争的一种基本形态,也是信息时代军队转型的一种具体化形式。战争形态和作战模式的转变,促使整个战场空间的态势信息分发方式的变化。在平台中心战中,态势信息沿着指控流进行收集、处理,再进行逐级逐层分发,其分发方法要求同步连接,耦合度高;而在网络中心战中,态势信息分发过程与指控流解耦,把分散部署在战场空间中的各类传感器、决策系统以及打击系统等实体连接成一个大型的网络体系,由该网络体系根据作战空间中各个作战单元(包括传感器节点、指控节点,火力打击节点)对态势信息的定制需求,为各单元提供态势信息个性化服务。1当前信息披露和需求1.1带态势信息单一热控制器在平台中心战的作战模式下,侦查和打击能力归于单一的作战平台,这个平台可以是地面部队、坦克、飞机、水下或者水面潜艇等,在行动过程中,各作战平台各自获取战场态势信息,然后指挥火力系统进行作战任务,各作战平台之间信息交互能力非常有限,所以也没有所谓的态势信息分发。网络中心战概念的出现,并不是对平台中心战的全部否定,而是由平台中心战逐步继承、发展、演化过来的。现在正处于平台中心战向网络中心战发展的过程中,是一种带有一体化指挥的平台中心战时期。在带有一体化指挥的平台中心战的作战模式下,战场的态势信息是由作战空间中的各传感器节点收集、预处理、逐级上传,上传至上层指挥所的态势信息分发中心进行综合处理和融合后,然后随着作战命令,由上层指挥所通过指控系统分发给下层作战单元的。指挥控制方式是任务层层分解,态势信息逐级分发,限于通信系统等方面的原因,底层部队所需的态势信息大都需要通过上层的态势信息分发中心逐级进行分发,如图1所示。这种带有态势信息分发中心的态势信息分发方式,在以往和现今的作战准备和作战过程中,发挥了巨大的作用。总结起来,有以下两个优点。1)建立态势信息分发中心,为作战空间的各作战单元提供态势信息服务。态势信息分发中心根据各作战单元所需的态势信息轮廓,为各作战单元提供态势信息的个性化分发服务,较好地满足各作战单元对态势信息的需求,而且态势信息分发过程中路由简单。2)态势信息集中式的处理、存储和分发,有利于作战高层对整个作战空间全局态势的掌控,可以根据战场态势的变化,灵活地做出调整。随着认识的深入,人们也开始认识到这种带态势信息分发中心的信息分发方法的不足之处,总结起来,有以下4点。1)态势信息分发中心的重要性,使得态势信息分发中心成了众矢之的。各作战单元参加作战时都依赖它的态势信息的支持,所以态势信息分发中心必然成为敌方重点攻击的目标,一旦态势信息分发中心遭受攻击受到破坏,整个的作战体系将陷入瘫痪,将会严重影响各作战单元的作战能力的发挥。2)全部的态势信息都要经过态势信息分发中心进行处理、存储和分发,态势信息分发中心很有可能因为任务超出它的负荷,而陷入性能瓶颈,造成单点失效。随着战场的日趋复杂,参加联合作战的作战单元不断增加,战场态势信息量呈指数级增长;随着作战节奏的不断加快,各作战单元领受任务的不停变化,各作战单元所需的态势信息也需要不断地变化。这些都对态势信息分发中心的信息处理能力、信息存储能力和信息分发能力提出了很高的要求。3)态势信息在分发过程中与指挥控制流紧密耦合,态势信息从指挥控制金字塔的顶端顺着指挥控制链路进行分发,态势信息到达态势信息需求者的时间不可预测,信息的接收也完全被动,难以适应战场环境多变特点。态势信息需求者难以得到想要的精确的态势信息,或接收到大量无用的信息而难以辨认所需态势信息,不利于决策。4)态势信息从态势信息的收集者,逐级上传,到达分发中心,再逐级分发,从态势信息收集者获取态势信息到态势信息需求者获得这些信息时延较大。1.2态势信息单一需求特性网络中心战(NetworkCentricWarfare,NCW)被认为是信息时代的作战样式,是信息时代的挑战和机遇在军事上的反映。网络中心战的作战理念带来了包括信息获取、信息处理、信息分发以及指挥控制的改变。相比于传统的平台中心战和现有的带一体化指挥的平台中心战,网络中心条件下的联合作战对态势信息分发共享提出了更高的要求,对态势信息分发的及时性、准确性、一致性、个性化都有新的更高的要求。1)网络中心条件下,作战空间更为宽广,而要在广域内进行联合作战,态势信息分发变得更为复杂,各作战单元需要更加及时的、准确的态势信息以获得对战场空间的及时和准确掌握,进而确定行动和计划。2)参与网络中心条件下联合作战的作战单元数量更多,各作战单元之间要想达到自同步,一致的态势信息也不可缺少,不一致的态势信息将会导致联合作战难以协同,甚至造成意料不到的诸如误伤等等的后果。3)个性化态势信息是在网络中心条件下作战单元对于态势信息一个更加突出的需求。在传统作战和现有作战中,个性化态势信息的需求是不必要的或是不突出的,个性化态势信息的需求是随着态势信息量的迅速增长而产生的。在未来网络中心战中,战场态势信息的数据量巨大,如何在海量态势面前寻找到需要的态势信息也就显得非常重要,所以个性化态势信息服务尤为迫切。所谓信息优势是指“在能阻止敌方搜集、处理和传输战略信息的同时,确保己方有这种能力,在合适的时间、以合适的形式将合适的信息分发到合适的人手中,并阻止敌方取得同样的优势”。网络中心条件下比较理想的战场态势信息分发应该具有以下7个特点。1)态势信息分发的参与者可以作为态势信息生产者,同时也作为态势信息需求者参与态势信息的分发。态势信息生产者与态势信息需求者之间的通信是一对多和多对多的,而多对多实质上可以通过一对多来实现。2)态势信息分发的参与者数量众多,有多个态势信息生产者与多个态势信息需求者,物理上表现为各级各类作战单元。3)态势信息需求者往往不太关心态势信息从哪里来,而只关心得到的态势信息是否满足其需求,并且,其兴趣偏好是随着时间、任务的不同而动态变化的。态势信息生产者往往不太关心态势信息发给谁,它只是关注于分发的过程与可靠性、连接性。4)态势信息需求者对历史数据的敏感度往往不及其提出兴趣之后产生的战场态势信息,但是作为信息分发来说,又必须支持对历史数据的检索查询、分发获取。5)网络化作战参与者处在动态之中。多个参与者随时可能会退出,而退出的原因可能是多方面的,如通信中断、网络阻塞、被敌摧毁等等。6)态势信息分发可以是有中心的或是对等的。态势信息分发的特点要求态势分发系统能够提供较好的异步、匿名、一对多通信能力,态势数据的发送要求是松耦合的。7)在作战环境中,态势信息的可靠性是不容忽视的关键因素,在极其动态和恶劣的作战网络环境中,拓扑连接和节点的失败是不可避免的,因而需要一种有效的机制,能够快速从错误中恢复。网络化条件下态势信息分发共享所要达成的目标就是使各个作战单元对其广域作战环境的态势实时近实时地、一致地进行感知,在合适的时间,把合适的态势信息分发给合适的作战单元。2事件的发布/力量匹配发布/订阅通信范型作为一种异步通信机制,在时间、空间和控制流3个方面都提供了完全的解耦特性,同时还具有匿名通信和一对多通信等特性,近年来得到了工业界和学术界的普遍关注,已经成为研究的热点。一个典型的发布/订阅(Publish/Subscribe,简称Pub/Sub或者P/S)系统可以抽象表示为一个三元组<P,B,S>,其中:P=P1,P2,…,Pn表示n个信息产生者,也称为发布者;S=S1,S2,…,Sm表示m个信息消费者,也称为订阅者,发布者和订阅者统称为客户(Client);B=B1,B2,…,Bk,表示一组k个代理,发布者和订阅者接入到某个代理上,代理上运行了一个分布式的通知服务;客户端通过代理网络中的任意代理接入P/S系统,该代理成为客户端的接入代理。事件代理组成网络G={B,L},L是应用层链接集合,G向系统客户端提供了面向广域网络的通知服务。发布/订阅系统模型如图2所示。图2显示了发布/订阅系统的典型交互,订阅者首先通过Subscribe原语向通知服务提交自己的兴趣。有事件产生时,发布者将产生的事件发送给通知服务。通知服务对事件与订阅者的兴趣进行匹配,如果事件匹配订阅者的兴趣,则将事件发送给(即“推”给)匹配的订阅者。当订阅者不再想接收事件时,通过Unsubscribe原语来取消它的兴趣。发布/订阅通信范型在空间、时间和控制流3个方面的解耦能力如下所述。1事件的代理与相关者通信双方无需知道对方的地址,发布者通过事件代理发布事件,订阅者从事件代理获得感兴趣的事件,彼此之间没有直接的联系。简单地说,发布者不需要知道多少订阅者参与交互,订阅者也不需要知道多少发布者参与交互。如图3所示。2没有连接的事件时交互双方不需要同时活跃的参与交互过程,在订阅者没有连接时发布者也可以发布事件,反过来,在事件的原始发布者断连时订阅者仍然可能会得到通知,如图4所示。3发布者和下理性的独立流程发布者和订阅者在对信息的交互中,并不需要做控制上的同步,事件的传送并不在通信双方的控制之下。具体地说,当生产事件时,发布者自身将不会被阻塞,订阅者在执行某些并发的行为时仍然可以得到关于某些事件发布的通知。简而言之,事件的生产和消费并不发生在发布者和订阅者的主控流程里,允许各参与者相互独立地工作。如图5所示。发布/订阅通信范型的这些特点使得它非常适合于大规模的、以信息交换为中心的、动态性强的应用系统,已成功地用于新闻订阅、博客搜索、数控总线通信、P2P网络、战场情况感知等应用领域。3态势信息网络视频监控架构Pub/Sub通信范型具有匿名通信、一对多通信等特征,并且在时间、空间和控制流上完全解耦,很适合于进行网络化条件下态势信息的分发共享。用Pub/Sub来进行态势信息分发,就是按态势信息订阅来进行分发。态势信息根据一定的方法、准则、条件,从态势信息拥有者到达态势信息的需求者。这里的方法、准则、条件就是一个订阅或多个订阅的集合。而订阅是对态势信息用户所需要或感兴趣的信息做一个规约,Pub/Sub系统根据各作战单元的轮廓偏好(User’sProfile)将适当的态势信息分发给该作战单元。态势信息Pub/Sub要在综合分析态势信息用户的权限级别和时效性、安全性、带宽等方面的特征要求的基础上,根据态势信息的用户(作战单元)的定制要求和约束来确定分发给态势信息用户(作战单元)的态势信息的内容、格式以及数据转换方式。如图6所示,态势信息Pub/Sub的态势信息交互的逻辑图。图6中,态势信息的发布者P1,P2,…,Pn,它们是态势信息的产生者,可以是各类传感器节点(包括各种雷达,卫星,预警机等);态势信息分发中心,主要由各层各级指控节点组成,它们之间互联互通,成为一个巨大的网络体系,主要负责态势信息的处理,存储和分发;态势信息的订阅者S1,S2,…,Sm,它们是态势信息用户,可以是各类火力打击节点,指控节点或是传感器节点。在一个Pub/Sub态势信息分发系统中,一些节点既是态势信息的发布者,又是态势信息的订阅者,图中表明的只是发布/订阅的逻辑关系。随着作战模式由平台中心战向网络中心战转变,作战指挥体系从“树状层次型”向“扁平网状型”过渡。基于Pub/Sub态势信息分发方式也在发生着变化。在带有一体化指挥的平台中心战时期,其态势信息分发系统的网络拓扑近似一种集中式Pub/Sub,整个系统有一个态势信息分发中心,负责整个作战空间所有态势信息的存储、定制、匹配和分发。随着网络化思想的不断深入,这种集中式态势信息Pub/Sub越来越不适应未来作战对态势信息分发的需求,使其也向网络化方向发展。在网络中心战的作战模式下,连通性的增强,各作战单元的多能化以及对态势信息的处理能力进一步增强,用网络把指挥员、传感器以及武器系统有机连接起来,分布式处理,分布式存储将是网络中心条件下态势信息分发的一种重要特征。各作战单元除了向态势信息分发中心获取所需的态势信息外,还可以通过和它相连的作战节点进行交互来获取所需的态势信息,而且随着网络化的进一步发展,整个作战网络体系的进一步扩大,通过后一种方式来获取所需态势信息将成为一种主流。这种网络化态势信息分发方式,能够加快态势信息的分发速度,提高态势信息分发的灵活性,还使整个态势信息分发体系具有很强鲁棒性和稳定性,见图7。4传统观点和新技术的运用在美军的JBI(JointBattlespaceInfosphere)建设构想中,态势信息分发是一个重要的内容。JBIVersion1.2版本的体系结构就对各种服务式构件组成的战场服务体系结构进行了详细的描述。美军在发展其态势信息管理技术时就充分考虑了发挥网络终端的能力,提出权利赋予边缘(PowertotheEdge)的发展思想,并