一種帶寬受限環境下的海戰場柵格服務自適應描述方法*

李 明

(武漢市江夏區藏龍北路1號 武漢 430205)

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一種帶寬受限環境下的海戰場柵格服務自適應描述方法*

李 明

(武漢市江夏區藏龍北路1號 武漢 430205)

針對海戰場帶寬受限環境下可能存在的通信質量不穩、信息傳輸不同步等問題,論文提出了一種帶寬受限環境下的海戰場柵格服務自適應描述方法。定義了帶寬受限的分級方法,設計了衡量服務描述文件的指標參數:重要性等級、實時性等級和修正參數,并以此計算形成服務綜合性重要參數。在此基礎上,根據帶寬分級以及綜合性重要參數對服務描述文件的格式、更新方法和更新頻率進行自適應簡化,給出了具體的簡化算法及應用實例。在Exata環境下的仿真實驗結果表明,該方法能有效降低帶寬受限環境下柵格節點的接入時間及服務響應時間,具備較好的可行性及可操作性。

帶寬受限; 海戰場柵格; 服務描述; 自適應

Class Number TN915.02

1 引言

海戰場柵格網絡融合了多種異構通信方式,具有通信資源受限、網絡不穩定、拓撲不斷變化等典型特征,造成了柵格網絡服務供給能力的短板效應[1]。海戰場柵格網絡由于帶寬受限往往存在著傳輸效率不高、通信質量不穩、信息更新不同步等問題[2],從而降低了海戰場的全局通信效率,影響了軍事信息系統的決策優勢。研究帶寬受限情況下的海戰場柵格服務支撐技術,分析海戰場帶寬受限的主要特點及其約束條件,探索帶寬受限情況下柵格網絡的服務描述文件優化及通信資源整合機制逐漸成為近年來的研究熱點[3～5]。文獻[6]針對海戰場帶寬受限的無線網絡,提出了一種分布式資源分配算法,通過定義異構網絡的效用函數,將帶寬分配問題轉化為一個帶有線形約束條件的凸優化問題,文獻[7]針對多種作戰場景提出了一種基于效用的動態帶寬分配算法,有效地降低了終端節點的接入失敗率。文獻[8]提出了一種基于分布式博弈理論的自適應帶寬分配方法,通過分配帶寬資源給不同的應用以最大化網絡的效用函數,并通過證明達到納什均衡點。文獻[9]提供了一種通用的服務描述算法,將通信資源有效分配給請求資源的服務,并在異構網絡下提供可觀的服務Qos等級。

上述文獻多從帶寬分配優化技術以及服務描述文件的Qos方面來考慮提高服務傳輸質量,沒有充分考慮在限定帶寬提條件下如何有效的均衡傳輸資源的占用率及服務描述的完備性與重要性,尤其是網絡拓撲變化后如何動態的調整服務描述文件以滿足實際需求等問題。本文從服務描述文件的綜合重要性計算以及描述文件的更新算法兩方面,提出了一種帶寬受限環境下的海戰場柵格服務自適應描述方法,定義了帶寬受限的分級方法,并根據帶寬分級進行服務描述文件的自適應簡化,能有效提高帶寬受限環境下服務的接入時間及響應時間,在惡劣的海戰場電磁環境中保證通信質量,為通信請求提供透明的、優化的、經全局統籌的服務實現技術基礎,保障海上一體化信息系統的傳輸質量及通信效率。

2 帶寬受限條件下的服務自適應描述方法

帶寬受限條件下的海戰場信息柵格網絡中,如果使用統一而詳盡的服務描述文件,盡管充分保證了描述的完備性和選擇的最優化,但是詳盡的服務描述文件會占用更多的存儲資源和傳輸資源,在帶寬不穩定、帶寬受限等復雜的戰場環境中,并不一定能夠發揮出應有的效果,可能會因為帶寬不足導致傳輸失敗、信息不同步等隱患[10]。因此需要根據實際海戰場的帶寬情況設計一種描述文件的自適應方法。

根據帶寬情況進行分級,不同分級使用不同詳細程度的服務描述文件,從而盡可能確保帶寬受限條件下的通信暢通、指揮協調,在犧牲一定描述完備性的情況下,保障作戰任務的順利實施。

2.1 帶寬受限的分級方法

在海戰場柵格網絡可能存在帶寬受限問題的情況下,要保障通信暢通和指揮協調,需要在帶寬受限時,犧牲一部分非重要信息的描述完備性來保障任務的正常進行。

根據帶寬情況對柵格網絡狀態進行分級,在不同分級下采用不同詳細程度的服務描述文件,盡可能保障任務的正常進行[11]。

1) 流暢級

當帶寬大于等于4M時,定義柵格網絡為流暢級,此時采用最完備的服務描述文件,并在每次更新時詳細比對服務描述文件的一致性。

2) 普通級

當帶寬介于512k與4M之間時,定義柵格網絡為平臺級,此時采用完備的服務描述文件,但不在每次更新時詳細比對服務描述文件的一致性,固定一段時間比對一次描述文件的一致性。

3) 受限級

當帶寬小于512k時,定義柵格網絡為受限級,此時采用簡化版本的服務描述文件,使用簡單的報文實現描述文件的更新工作,很長時間進行一次文件一致性的比照流程。

2.2 根據帶寬受限分級進行服務描述文件的自適應方法

根據帶寬受限分級對服務描述文件的格式、更新方法和更新頻率進行自適應設定。本文主要從服務文件的描述詳細程度以及更新機制兩方面來進行帶寬受限的服務自適應描述。

1) 根據帶寬情況采用不同詳細程度的服務描述文件,以在帶寬受限時使用較為簡潔的服務描述文件,簡潔版本的服務描述文件包含了所有完成作戰任務所必須的基本信息,而省略了一些不容易發生變動或對局部任務的執行沒有影響的描述信息。使用簡潔版本的服務描述文件將確保在帶寬受限條件下服務描述文件的正常維護與更新。

2) 根據帶寬情況采用不同的服務描述文件更新機制,確保服務描述文件的更新與同步盡可能不受帶寬的影響。更新機制主要涵蓋兩個要素——更新方法和同步周期;更新方法可以采用單條數據更新或全表同步的形式,前者在描述文件更新時,只對產生變化的數據進行數據更新;后者則對整個描述文件進行比對和同步。顯然前者的數據更新量較小但后者更能保證描述文件的一致性。綜合考慮兩種方法的優缺點,在帶寬受限的情況下采用單條數據更新但固定時間進行全表同步的方式。

2.2.1 服務描述文件的簡化方法

根據帶寬受限分級對服務描述文件的格式、更新方法和更新頻率進行自適應設定,產生簡化的服務描述文件版本,以便在帶寬受限的條件下能夠不影響服務效能。

服務描述文件包含了對服務進行描述的各類信息,對服務描述文件進行簡化需要遵循不影響服務描述文件正常功能的原則,因此需要對服務描述文件中包含的各類參數信息按照一定規則進行分類,然后根據分類確定簡化的原則和方法。

服務描述文件中的信息可以按照重要性和實時性這兩個維度進行分類:

1) 服務描述信息的重要性——依據作戰任務的不同定義服務描述信息的重要性,相對而言較為重要的服務描述信息應該保留在簡化后的版本中。

2) 服務描述信息的實時性——與重要性不同,實時性主要表現服務描述信息對實時更新的要求程度,實時性越高的屬性通常在任務執行過程中經常變化,而實時性較低的屬性可能在整個任務過程中處于惰性狀態,幾乎不發生變化。

本報告中將綜合考量服務描述信息的重要性與實時性參數來實現服務描述文件的簡化工作,通過算法對服務描述信息的重要性與實時性進行綜合考量,以求簡化方法的規范性與一致性。

將重要性等級劃分為三個等級:

1) 重要等級3——重要性最高,通常為唯一性標識等信息,缺少重要等級3的信息通常無法識別服務描述文件。

2) 重要等級2——重要性較高,通常直接與作戰使命的達成能力相關,缺少重要等級2的信息會影響作戰使命的正常運作。

3) 重要等級1——重要性較低,雖然與作戰使命相關,但是并不會對作戰任務的執行造成直接的影響。

將實時性等級劃分為三個等級:

1) 實時等級2——實時性最強,表明服務描述信息會非常頻繁發生改變,例如服務的狀態信息和實時的服務能力信息等。

2) 實時等級1——具有一定的實時性,可能在作戰任務的執行過程中會發生一些變動,例如服務能力的統計信息,如成功率等。

3) 實時等級0——幾乎對實時性沒有要求,在作戰任務的執行過程中呈惰性狀態,例如服務的UID標識、服務的固有狀態信息等。

除了上述的重要性參數和實時性參數外,額外加入一個修正參數,修正參數將根據某些服務的實際情況,對綜合重要性提供微調的接口。

綜上所述,本報告中通過重要性等級、實時性等級和修正參數這三個變量來獲得服務描述信息的綜合重要性參數,公式:

綜合重要性參數= 重要性等級*(實時性等級+修正參數)

2.2.2 服務描述文件標準簡化方法的應用范例

采用XML Schem方式描述雷達探測服務標準文件如圖1所示。其中,雷達類別包括:警戒式雷達、跟蹤雷達、攻擊雷達、導航雷達等;雷達的狀態包括:雷達系統狀態、雷達高壓、天線轉速、天線工作方式、對空通道航跡狀態、對海通道航跡狀態、跟蹤狀態、跟蹤目標數量等,雷達類別與雷達狀態使用XML Schema中的自定義數據類型的。根據上節中提出的綜合性重要參數計算方法,設計雷達服務參數計算表如表1所示。

表1 雷達服務參數計算表

圖1 雷達探測服務文件描述

表1中包括了雷達服務描述文件中的所有信息,并且對每項信息設定了重要性等級、實時性等級和修正參數,最終獲得了綜合重要性參數。

在這個表述文件中,服務UID為服務的唯一性標識,所以重要性等級為3,服務部署參數和雷達狀態信息對于作戰任務會產生重大影響,因此重要性等級為2,其他描述信息的重要性等級均為1。從實時性方面來看,服務UID是永遠不會發生變化的,因此為0,同理,大部分的服務能力元素都是雷達的預設理想狀態,是不會發生變化的。而請求時間、執行時間這些代表服務實時能力信息會經常發生變化因此為2,而誤差率成功率等統計屬性則較少發生變化,因此為1。在修正參數方面,服務UID給了1的修正參數,因為雖然服務UID完全不具備實時性,但是不可以在簡化版本中略去該項。而服務部署情況則給了-2的修正參數,原因是雖然該項擁有較高的實時性和重要性,但是由于在上級的各類描述文件中必然包含了該服務的部署情況,屬于冗余描述,可以略去該項。

將綜合重要性參數大于等于1的服務描述信息進行篩選,得到普通級網絡狀態下的服務描述信息,如表2所示。

表2 普通級網格狀態服務描述信息

將綜合重要性參數大于等于2的服務描述信息進行篩選,得到受限級網絡狀態下的服務描述信息,如表3所示。

表3 受限級網格狀態服務描述信息

2.3 帶寬受限條件下的服務描述文件更新方法

根據上述研究思路,在帶寬受限條件下,服務描述文件不僅僅要進行精簡,同時需要根據帶寬條件選擇不同的描述文件更新方式。

服務描述文件以XML文件形式存在,因此可以采用兩種更新方式[12]:

1) 單元素更新法:使用更新指令“元素ID+修改后元素賦值”的形式,對描述文件中的單元素進行更新,這種方法占用系統資源極少,但是長時間不進行全表比對容易因網絡延遲等種種客觀原因導致不同位置存儲的描述文件之間存在偏差,因此需要全表比對進行輔助。

2) 全表更新法:在服務描述文件發生變動時,對所有存儲有該服務描述文件的節點上的描述文件進行全表更新,這種方式占用網絡資源較多,但是相對安全性更好。同樣全表更新法也需要定時進行全表比對。

根據不同網絡狀態的條件,確定更新方式與比對時間間隔如表4所示。

表4 不同網絡狀態下的服務描述文件維護機制

3 實驗部分

3.1 帶寬受限條件下的場景搭建

本文采用網絡仿真軟件Exata對海戰場柵格網絡進行可視化建模,仿真柵格網絡內網絡單元之間的通信方式及通信質量,并實時顯示柵格網絡內各網絡單元的地理位置及運動狀態。通過戰場仿真工具vrforce設置相應的劇情,并將劇情和Exata中仿真的網絡結構進行聯動,通過驅動劇情運行,來測試網絡的性能及相關參數。

本文搭建的帶寬受限的典型作戰場景網絡結構如圖2所示。

圖2 帶寬受限的典型作戰場景網絡結構圖

1) 網絡單元14、8、3、12以及13等岸基節點構成一個有線通信網絡,其通信方式由傳統的以太網來模擬并能提供高速數據傳輸。

2) 網絡單元1和2之間的通信通過無線鏈路來實現,用無線傳感器網絡來模擬它們之間的數據傳輸網絡,通過無線網絡的配置來設置帶寬,模擬帶寬受限的無線網絡環境1。

3) 網絡單元5、6、7以及網絡單元4通過無線鏈路與網絡單元14進行通信,通過無線局域網來模擬其數據通信,通過無線網絡的配置來設置帶寬,模擬帶寬受限的無線網絡環境2。

4) 所有的網絡單元組成一個帶寬受限的異構網絡環境。

3.2 實驗結果及分析

3.2.1 帶寬受限條件下的節點接入時間測試

圖3 帶寬受限條件下的節點接入時間測試

采用服務器虛擬100個固定節點,用Exata工具虛擬20個移動節點,模擬帶寬環境為10M。其中固定節點包含的服務平均數量為17個,移動節點包含的服務平均數量為6個。在有限帶寬下進行節點注冊接入測試,新接入的節點中包含的服務數量為10～25個不等。測試結果如圖3所示,其中:橫坐標代表接入的新節點序號,縱坐標代表節點接入所花費的時間(以秒來統計)。從圖3中可以看出,采用服務自適應描述算法前,在包含120個節點的柵格網絡拓撲動態變化環境中,新注冊的節點接入時間基本在40s內(最大為32.17s)。采用服務自適應描述算法后,在同樣環境下進行節點注冊時間測試,新注冊節點的接入時間基本在15s內(最大為13.35s),接入時間減少了近半。

3.2.2 帶寬受限條件下的服務響應時間測試

在上述同樣環境下,選取100個固定節點,模擬帶寬環境為1M,進行服務響應時間測試。選取柵格資源管理服務、發現服務、注冊服務、節點注冊服務、節點索引服務、節點監控服務、共享服務、流程編排服務、權限管理服務、集成服務等核心服務進行壓力測試。測試結果如圖4所示,其中:橫坐標對應選取的服務名稱,縱坐標代表服務響應所花費的時間(以秒來統計)。從圖4中可以看出,采用服務自適應描述算法前,服務響應時間基本在9s內(最大為8.52s);采用服務自適應描述算法后,服務響應時間基本在4s內(最大為3.76s),比采用改進算法之前平均響應時間均有縮短。

圖4 帶寬受限條件下的服務響應時間測試

4 結語

本文提出了一種帶寬受限環境下的服務自適應描述方法,為海戰場柵格帶寬受限條件下的通信網絡提高傳輸效率及通信質量。采用提出的服務描述文件簡化方法,將服務描述文件參數進行分類定義,計算服務的綜合性重要參數。當帶寬條件允許時,盡可能多的保留綜合性重要程度高的參數,使得服務描述文件更完備,以確保帶寬受限條件下的通信暢通、指揮協調。反之,當帶寬條件有限時,舍棄部分綜合性重要程度低的參數,保障作戰任務的順利實施。仿真實驗結果表明,所提算法能有效提高帶寬受限環境下異構網絡中節點的接入時間及服務平均響應時間。服務描述文件涉及的參數較多,參數分類時級別定義太粗將會導致算法起不到應有的簡化效果,而級別定義太細又會對帶寬資源的占用率達不到明顯的減少效果,如何合理地進行服務描述文件分類將是本文下一步要考慮的問題。

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An Adaptive Description Method for Sea Battlefield Grid Services under the Bandwidth Constrained Environment

LI Ming

(No.1 Canglong North Road, Jiangxia District, Wuhan 430205)

Aiming at the problem that the instability of the communication quality and the information transmission is not synchronized in the bandwidth constrained environment of the sea battlefield, this paper presents a method of adaptive description of the sea battlefield grid services under the bandwidth constrained environment. The classification method of bandwidth constrained is defined, and the index parameters of the service description file are designed, such as the importance level, the real-time level and the correction parameters. On this basis, the format of service description files, update method and update frequency is simplified adaptively according to which, the specific simplified algorithm and application examples is given. Simulation experiments in Exata show that this method can effectively reduce the access time and service response time of grid nodes in the bandwidth constrained environment, and have good feasibility and operability.

bandwidth constrained, sea battlefield grid, service description, adaptive

2015年6月2日,

2015年7月28日

李明,男,高級工程師,研究方向:船載指揮系統。

TN915.02

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.009