一種分布式作戰系統數據采集模型

魏勝杰 謝 偉 秦 克 譚顯春

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

一種分布式作戰系統數據采集模型

魏勝杰 謝 偉 秦 克 譚顯春

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

為實現分布式艦載作戰系統狀態監測，需要研究分布式系統數據采集的一般技術。首先研究分析了分布式系統的特性及常見模型，討論了作戰系統數據采集的技術難點，并在此基礎上，通過結合作戰系統分布式網絡的特點，提出了一個通用的數據采集模型。基于該模型開發的數據采集系統已應用于新型艦載作戰系統上，較好地解決了作戰系統網絡的數據采集分析問題。

分布式系統；艦載作戰系統；數據采集

1 引言

隨著以信息技術為代表的新技術在海軍艦載作戰系統領域的應用，艦載作戰系統的體系結構由早期的以點對點為主轉變為以雙冗余交換式以太網為主，網絡負載越來越大，體系結構越來越復雜。為保證作戰系統網絡的正常運行，須采取有效的手段與措施來監測作戰系統網絡的狀態，這就需要對作戰系統網絡數據進行全面采集。而完成對作戰系統網絡數據的全面采集，也是定性分析作戰系統效能和作戰系統全系統測試的基礎，因此，有必要對分布式作戰系統的數據采集方法進行研究。

早期的作戰系統集成度較低，以分散控制為主，作戰系統各分系統、設備間數據的采集需針對特定通道，通過專門的設備或儀器才能實現，在這種情況下，要實現全系統數據的同步采集不易實現。而隨著計算機及網絡等新技術的廣泛應用，作戰系統各分系統、設備可通過網絡組成一個復雜的分布式系統，使得作戰系統數據的全面實時采集成為可能。

作戰系統技術在國外發展很快，各海軍強國非常重視作戰系統的數據采集。著名的宙斯盾作戰系統中就有專門的分系統——MK1戰備檢測系統（ORTS），由它來完成作戰系統數據檢測和狀態監視等任務［1］。ORTS系統由小型計算機和顯控臺組成，與作戰系統的各主要子系統相連，以獲取作戰系統全系統有關數據，實時監視作戰系統狀態。

德國海軍也裝備了艦艇作戰系統評估和數據錄取系統［2］，其主要功能包括：實時全面收集作戰系統的數據；數據的在線顯示和快速分析以及事后數據評估功能；戰術行動及相關態勢的重演。根據錄取到的數據，該系統還能分析全系統性能的能力（從傳感器到武器），完成全系統間通信數據的錄取，甚至能提取、分析特定子系統內部的數據。該系統已在德海軍的驅逐艦及護衛艦上推廣使用。同時，法國海軍也開始裝備該系統。

2 分布式系統概念與模型

一般而言，一個分散式系統的各組成部件之間存在著緊密合作，就是分布式系統［3］，分布式系統意味著計算的成本或性能取決于數據和控制的通信。常見的分布式系統模型主要包括Schroede模型、George Coulouris模型和Enslow模型等。

Schroede模型［4］分布式系統的主要特征包括：系統包括多處理單元；系統內硬件互連；各處理單元的故障無關并實現狀態共享。

George Coulouris模型［5］認為一個分布式系統就是由一系列通過網絡互聯的節點，各節點通過消息通信并協調其動作。

Enslow模型［6］認為分布式系統可以用硬件、控制、數據這3個維度加以檢驗，并可用下式形象表示：

Enslow模型示意圖如圖1所示。

除上述經典的分布式系統模型外，目前還有一些常用的分布式系統模型，其模型結構如圖2所示。這類分布式系統是包括一系列自治處理單元（PE）的系統，每個PE有各自的物理存儲器空間并且信息傳輸延遲不能忽略不計。在這些PE間有緊密的合作，系統必須支持任意數量的進程和PE的動態擴展。

綜上所述，下一個分布式系統通常由一系列進程（邏輯資源）和一系列的處理單元（物理資源）組成，系統間各進程以一種合作的方式交互，通過消息進行通信，且通信延遲不可忽略。

3 分布式作戰系統數據采集

3.1 數據采集目的

通常，網絡數據的采集目的是為了掌握深層次的網絡信息，了解網絡狀況，監測網絡異常等。概括地講，網絡系統數據采集的目的包括網絡故障偵測和分析、網絡攻擊偵測和分析、網絡應用歷史數據分析、制定網絡配置和擴展計劃。

作戰系統網絡是全艦各武器系統、設備通信的基本架構，是作戰系統發揮其效能的基礎，因此，作戰系統網絡數據的采集，除了要實現上述目標外，更重要的是，通過對數據的在線處理和事后分析，可實時監測作戰系統狀態，定量分析作戰系統試驗效果，最終實現定量分析和全面評估作戰系統能力的目的。

3.2 技術難點

分布式作戰系統網絡數據采集的主要技術難點包括：

1）復雜網絡結構下的穩定抓包技術。

作戰系統網絡體系結構應在商業技術的基礎上，根據實際應用環境改進。目前，普遍采用10／100／1000兆自適應雙冗余網絡。有的網絡體系結構還根據網絡規模采用了“核心交換機＋接入交換機”的網絡結構，體系結構更為復雜。作戰系統數據的錄取必須要能保證數據錄取的全面性和完整性，這樣才能確保事后分析的可信。要完整描述網絡數據“包”，必須具備如下內容：源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、應用協議，因此，記錄的每幀報文至少應包括這些信息。一般情況下，應用采用了“雜收”的模式來記錄網絡報文，但這種方式本質上還是基于中斷的，在大流量網絡下，還是會存在網絡丟包現象，因此必須采取相應的措施以保證數據的可靠錄取。

2）網絡分析。

網絡數據的分析包括：

（1）在線數據解析。主要是對作戰系統應用數據的解析。作戰系統網絡數據分析與通用商業網絡數據分析的一個重要的不同之處在于，前者重點分析應用層的數據，即針對每個分系統 （設備）之間的通信制定的私有通信協議進行分析。因此，必須有一種通用的、與協議無關的數據解析方法來將每幀報文解析為易懂的文本數據或對應的物理。

（2）網絡應用評估。主要針對網絡應用報文的分布、作戰系統信息的分類等情況進行分析，以協助指揮人員掌握網絡應用情況。

（3）網絡安全性評估。主要是利用數據評估網絡的安全特性。

3）數據存儲。

應能保證高速網絡數據的實時、可靠存儲，需要考慮存儲的介質、容量等。在實際應用中，除保證數據在錄取時實時存儲外，還要考慮到諸如斷電等異常情況下數據的存儲。一般采用異步存盤的方式進行數據存儲。

3.3 數據采集模型

對于分布式系統數據采集，許多學者進行了相關研究，如文獻［7-8］提出的相關方法，同時，不少商業公司，如Agilent，Fluke等也推出了眾多網絡協議分析儀等應用工具。但這些方法和儀器等均是立足于工業應用，還不能完全滿足作戰系統網絡環境下數據的采集需要。

作戰系統網絡與一般網絡環境有著較大差別。在網絡結構上，作戰系統網絡更注重網絡的可靠性和容錯性，為此，采用了雙冗余網絡體系，使網絡應用的實時性等要求更高，且在進行網絡數據采集時，其不能對網絡應用環境產生任何干擾。為滿足作戰系統網絡環境下數據采集的需要，針對作戰系統分布式網絡結構特點，給出了作戰系統網絡環境下的一種數據采集模型，如圖3所示。

該模型的基本思想是，將作戰系統網絡中的各實體抽象出來，結合作戰系統的應用需求、數據解析、分析需求及實時性要求，建立一個通用模型。對模型中的主要元素類介紹如下：

1）實體類。

對網絡中的實體進行抽象，可以是路由器、主機等物理設備，也可以是服務和應用軟件等邏輯實體。實體是網絡數據采集的對象，不同的實體具有不同的特性，其數據采集方式也有差異，實體元素則把這些特性統一封裝了起來。

2）協議類。

網絡各實體對象對所使用通信協議的抽象，通信協議是網絡數據采集的重要工具。

3）任務類。

對網絡數據采集處理過程進行抽象。過程對象的屬性包括采集對象、采集使用協議、采集數據處理方式和采集數據保存方式。其中采集對象是實體元素的實例，采集使用協議表明使用的通信協議，采集數據的處理和保存則表明數據所需要的進一步的處理。

4）時間服務類。

對網絡時間進行抽象，時間服務是網絡時間的抽象表示。在分布式系統中，數據采集時，各網絡實體、任務應基于一個全網絡的統一時間。

5）其它元素。

其它對象包括數據采集器、元數據、標準數據等。其中，數據采集器負責采集網絡中各種格式的通信數據，這些數據經過解析規則的處理后生成元數據集；元數據集經過處理規則的處理后成為標準數據集。標準數據已經可以滿足網絡應用的需求，再經過數據發布，標準數據便以文件、報表、數據庫等形式提供給其它應用。

網絡數據的采集可根據相關規則實現［9-10］。根據以上模型，在進行網絡數據采集分析時，重要的是先建立一系列處理規則，這些規則包括數據采集規則、數據解析規則、數據處理規則、數據轉發規則等，然后根據相應的規則實現指定任務。

在作戰系統數據采集過程中，規則的語義描述可類似為：

3.4 應 用

將上述模型應用到某型艦的作戰系統網絡數據采集處理分析系統中，取得了良好的效果。

首先，為滿足作戰系統數據采集的需要，建立了如下規則：

1）確定采集對象，建立采集規則：

Input：采集對象＝所有網絡節點；

Condition：采集協議＝UDP；

Result：采集指定對象使用指定協議進行通信的數據。

2）分析已采集的數據，將數據轉換成有實際意義的數據值：

Input：原始網絡數據；

Condition：數據類型＝作戰系統網絡通信數據；

Result：按作戰系統協議解析原始數據。

3）進一步的處理和數據分發：

Input：標準數據；

Condition：按報文內容（如航跡等）分類；

Result：共享分發數據。

其次，采取了基于硬件的抓包技術和分布式處理技術來保證數據包的完整錄取。在數據采集時，采用了基于FPGA（現場可編程門陣列）技術的板卡來完成數據包的處理、總線邏輯、數據管理等工作，通過板載的大容量SDRAM、SRAM內存應對網絡突發流量，并將獲取的數據包直接拷貝至用戶內存，避免了普通網卡的兩次數據拷貝，不占用CPU資源，提高了處理效率。同時，為提高數據讀寫速率，采用了直接通過底層I／O讀寫數據的方式來提高數據寫盤速率。在處理數據過程中，依據上述確定的規則來實現已捕獲數據的分類、過濾等。

最后，在數據的處理和分發上，主要立足于作戰系統的應用進行數據的處理分析，即將采集到的數據按通信協議要求進行解析，并在此基礎上完成作戰系統目指精度、反映時間等計算分析。

4 結束語

作戰系統是一種復雜的分布式系統，在分析分布式系統特點的基礎上，提出了一種作戰系統數據采集模型，該模型使用戶更容易應對作戰系統數據采集的各種需求。應用本模型，結合模型艦作戰系統網絡結構的特點，已成功開發出分布式作戰系統網絡數據采集及處理系統。該系統能以分布式的方式，對復雜的雙冗余以太網的數據進行實時采集、在線處理及事后的分析重演等，實際情況表明，該系統運行狀態良好，取得了很好的效果。

［1］ 劉占榮.宙斯盾作戰系統結構分析［J］.情報指揮控制系統與仿真技術，2004，26（1）：22－31.

［2］ 張平，譯.武器系統作戰性能評估 ［J］.國外艦船工程，2000（5）：17－20，42.

［3］ 吳杰，著，高傳善，譯.分布式系統設計［M］.北京：機械工業出版社，2001.

［4］ SCHROEDE M.Distributed Systems［M］.ACM Press，Addison－Wesley Publishing Company，1989.

［5］ COULOURIS G.Distriuted system：concepts and design（3rd Edition）［M］.Addison Wesley Publishing Company，2000.

［6］ ENSLOW P H.What is a＂distributed＂data processing system？［J］.IEEE Computers，1978，11（1）：13－21.

［7］ 游雪峰，文玉梅，李平.以太網分布式數據采集同步和實時傳輸研究［J］.儀器儀表學報，2006，27（4）：384－388.

［8］ 張淑英，劉淑芬，包鐵.一種基于機群的分布式數據采集系統［J］.計算機工程2006，32（14）：46－48.

［9］ JENG J J，FLAXER D，KAPOOR S.RuleBAM：a rulebased framework for business activity management［C］// 2004 IEEE International Conference on Services Computing，Sep.15-18，Shanghai，China，2004：262－170.

［10］Ross RG.The business rule approach［M］.Addison Wesley Publishing Company，2003.

A Data Acquisition Model for Distributed Shipboard Combat Systems

Wei Sheng－jie Xie Wei Qin Ke Tan Xian－chun
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

In order to monitor the shipboard combat system，distributed data acquisition technology is studied.We analyze the features and common models of the distributed system of shipboard combat systems as well as technical challenges for data acquisition.Combining with the features of distributed network of combat systems，a common model for data acquisition is presented.Based on this model，a data acquisition system has been developed to integrate with new type of shipboard combat system.The system can satisfactorily fulfill the requirements for data acquisition in the environment of combat system network.

distributed system；shipboard combat system；data acquisition

U674.703.5

A

1673－3185（2011）02－61－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.012

2010-02-22

海軍裝備預研項目（1010108010201）

魏勝杰（1975－），男，碩士，工程師。研究方向：艦載作戰系統設計及相關設備研制。E-mail：wei701401@gmail.com謝 偉（1969－），男，研究員，博士生導師。研究方向：艦載信息系統優化。E-mail：xiewei@public.wh.hb.cn