美軍全艦計算環境質量屬性簡析及啟示*

劉杰生

(武漢市武昌長虹橋37-1號　武漢　430064)

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美軍全艦計算環境質量屬性簡析及啟示*

劉杰生

(武漢市武昌長虹橋37-1號武漢430064)

摘要美軍在構建全艦計算環境基礎設施時提出了多個衡量其構建質量的屬性。論文對幾個主要質量屬性進行了分析，闡述了提高這些質量屬性采取的技術措施和方法，在此基礎上從技術和管理上提出了借鑒的思路和方法。

關鍵詞質量屬性； 啟示； 全艦計算環境基礎設施

Class NumberTN919

1引言

全艦計算環境(Total Ship Computing Environment，TSCE)采用開放式體系架構，將全艦公用的計算、存儲、傳輸、顯控等硬件設備和基礎服務軟件，按照成熟的技術和標準進行有機集成，為艦艇的探測感知、指揮控制、武器交戰、信息保障以及艦艇駕控、安防損管等艦艇業務應用提供公共的信息交換、數據存儲、高性能計算以及人機交互等基礎服務支持，它是美海軍DDG1000驅逐艦十大創新技術之一。美軍認為，TSCE為艦艇電子信息系統裝備的集成方式和組織運行帶來重大變革，在擴展升級、抗毀生存、分散布置、統一標準、開放集成和靈活重構等方面具有明顯的優勢。

為確保TSCE的適用性和耐用性，全面評估全艦計算環境基礎設施(TSCEI)的質量，美軍提出了多個質量屬性指標，本文通過對其中的幾個主要質量屬性及其提高的措施進行分析探討，以得到一些技術和管理上的啟示。

2質量屬性及其提高措施

2.1可修改性

可修改性指修改系統功能的能力，能力強弱決定了系統修改的費用。可修改性主要考慮，一是修改什么，可能的修改一般包括系統功能、容量、平臺、環境等；二是何時修改，誰去實施，可以在編碼、編譯、庫鏈接、配置或執行等各個階段進行修改，開發者、終端用戶和系統管理員都是可能的修改者。TSCEI設計中主要通過以下策略提高可修改性：修改局部化，避免連鎖效應，延遲綁定時間。

1) 修改局部化

為使改變局部化，就得使受修改影響的模塊數最小。為此，一般采用四種方法，即維護語義的一致性、預期期望的變化、使模塊通用化和限制可能的選項。

TSCEI為維護語義一致性，一是按層組織，這樣TSCEI服務間的依賴關系可管理；二是提供公用服務，如應用框架、CORBA和DDS，如需修改只需一次修改公用部分。TSCEI采用與維護語義一致性一樣的方法達到預期期望的變化，組織服務使得服務間的依賴最小且功能具有高度的內聚性，分層就只改變高層而不影響底層。TSCEI盡可能使得它的API通用，同時也提供幾種服務的層，可使得應用既能訪問低層“純”COTS的API也能訪問高層增值API。TSCEI通過制定并使用標準使得COTS產品的選擇符合相應標準的要求，如TSCEI只支持POSIX兼容的操作環境等。

2) 避免連鎖效應

某服務必須修改是由于其他變化并沒有直接影響到它，這就是連鎖效應。服務間有多種不同類型的依賴，如句法類，語義類，序列類，身份類，位置類，服務質量等。為避免連鎖效應，必須對其他服務隱藏某個服務的實現細節、維持當前的接口、限制通信路徑、當有依賴時使用中間媒介。

TSCEI用已定義好的API將其功能組織成服務，服務使用者對服務實現的細節不可見；TSCEI提供對它所有接口的向后兼容能力，當前應用繼續使用舊一點的接口，其他用戶可使用新接口；TSCEI應當減少一個給定服務生產數據的服務消費者，同時減少供一個給定服務消費的數據生產服務者；TSCEI中的中間媒介包括數據句法轉換、服務句法轉換、服務實體及服務查找、資源分配和控制、COTS中間件等。

3) 延遲綁定時間

修改局部化和避免連鎖效應的目的在于減少需要修改的模塊數量。部署時間和允許非開發者修改是另外兩個必須考慮的因素。軟件修改后需要進行測試才能發布到現場使用。如果允許運行時進行綁定，則節省了部署時間，這樣可以同時支持對單獨的模塊進行升級而不會影響依賴該模塊的其余軟件。

TSCEI使用目錄服務和中間件實現運行時注冊，達到動態發現和建立模塊間連接的目的；TSCEI為服務提供XML配置文件和適配文件，達到啟動時配置軟件的目的；在TSCEI的API中運用基類(或接口)以提供方法調用的后綁定功能；通過“插入”服務實現大多數庫支持加載時綁定。

2.2性能

性能屬性指系統分配資源以滿足不同的服務響應需求的能力，它決定了系統功能完成的快速性，性能屬性的目標就是為需要的服務提供快速響應時間、高吞吐量和實時處理的確定性。

根據實時性的不同，TSCEI將應用分為非實時、軟實時、硬實時和極實時四種類型，通常有四組提高性能的策略可采取。

策略組1：資源需求。通過控制資源的需求來控制等待時間和傳輸時間。包括增加算法的計算效率、減少計算負載、管理事件產生速率、控制請求采樣率、限定執行時間、限定隊列長度等。

策略組2：資源仲裁。當有競爭性請求時，根據語義的重要性和緊急程度，采用合理的調度策略，控制搶占和等待時間。

策略組3：資源管理。保證多個資源被有效地使用，以確保需要資源時資源可用，包括引入并發機制、增加數據的局部性、增加可用資源等。

策略組4：環境和設計。包括編程語言、操作系統、軟件設計模式等。

表1舉例給出了幾個策略示例，為實現這些策略，TSCEI提供了一些策略工具，如表2所示。

表1　TSCEI性能策略示例

TSCEI僅僅提供簡單的、分等級的、基于優先級的調度機制，不提供公平性調度。雖然不利于低優先級的應用，但對使命關鍵的應用是有效的，對低優先級的應用不會造成非常嚴重的影響，除非遭受戰損。因此，極實時應用將極少部署到TSCEI的計算環境節點中，這樣當運行平臺處于降級模式時(如戰損)這種方式將受到極大的影響。

2.3透明性

透明性是指計算架構的物理配置對應用是不可見的，透明性高低決定了應用與平臺分離的能力，決定了應用開發的難度和周期。透明意味著功能的分布屬性對應用是隱藏的，也就是說應用似乎運行在一個單處理器平臺之上，應用開發者將主要精力集中于應用的功能性。TSCEI提供透明性，TSCEI在設計體系架構時就考慮了訪問和位置透明性(不會有顯式的通信，應用不關心系統的拓撲)、并發透明性(多個應用可同時訪問共享數據)、復制透明性(復制不關應用)、故障透明性(故障發生對應用透明)、遷移透明性(跨平臺運行)、性能透明性(系統配置對應用透明)、數據存留透明性(數據儲存的存儲設備應用無需知道)、技術透明性和全壽命周期支持(遺留軟件的支持、新的軟件中間件支持)、服務質量約束(不同的服務指派不同的服務質量值)和政策約束(有些服務不對某些用戶開放)等。

表2　TSCEI提供的策略工具

在訪問透明性支持方面，使用IDL定義分布式對象的接口；在位置透明支持方面，使用邏輯名間接引用對象，運行時通過中間件完成邏輯到物理的映射；在并發性支持方面，TSCEI提供服務，通過內建的同步機制，支持多個應用訪問共享數據和對象，如對象狀態分發服務、持續性關系型數據庫服務、內存關系型數據庫服務和元數據框架服務；在復制透明性支持方面，基礎設施資源管理器IRM和軟件管理器SWM控制所有軟件的復制，應用不知道有多少個副本，但應用知道它們是當前的主設備且負責復制它們的狀態給其他副本以便在故障時切換，然而這樣的行為不依賴于副本的多少；在故障透明性方面，TSCEI通過處理異常、管理連接、容錯服務實現支持；在遷移透明性方面，TSCEI軟件管理器SWM控制所有軟件的部署，應用并不知道它們被部署在哪里和為什么部署在某個位置；在性能透明性方面，TSCEI提供了足夠的能力，軟件執行時不會產生對硬件的競爭。當然，在降級運行時可能存在硬件競爭。基礎設施資源管理器IRM會在降級模式時基于使用優先級分配資源，某個應用一旦被允許繼續運行會被分配足夠的資源；在數據存留透明性方面，TSCEI通過數據管理服務軟件包實現支持；在技術透明性和全壽命周期支持方面，TSCEI通過被稱為“窄腰帶”的體系架構予以保證，在該體系結構中，提供這樣一種機制，多個實體可以與多個平臺和傳輸器接口；在服務質量約束方面，IRM和SWM一起協調TSCEI服務和應用的QoS設置；在政策約束方面，IRM和SWM執行資源利用、容錯和其他相關政策。

2.4服務質量

服務質量(QoS)是指系統提供各種服務的能力好壞的度量。TSCEI定義了數據、網絡和處理等三種QoS。數據QoS，TSCEI有大數據，消息數據，流數據和采樣數據四種數據類別，數據QoS涉及數據定時和數據搶占兩個方面；網絡QoS，涉及全部公共互聯設施，包括交換機、路由器、網橋和相關的軟件、固件和網絡管理等，網絡QoS包括網路定時和網絡錯誤；處理QoS，指調度處理資源。TSCEI提供QoS協調，但不提供真正的端對端的QoS。所謂協調，指的是采用COTS產品和硬件提供的各種機制，并在這些機制間進行協調。

TSCEI采用不同的數據庫和數據庫連接支持數據QoS，內存中數據用于快速訪問小量的數據，永久數據庫用于較慢速地訪問大批數據，設置專門數據庫連接和數據賬戶以控制數據QoS；TSCEI采用差異化服務模型和數據分發服務DDS支持網絡QoS，差異化服務模型控制CORBA的原始網絡包的優先級設定，數據分發服務DDS是一種面向消息的中間件，提供幾種控制QoS的方法；TSCEI通過操作環境支持處理QoS，TSCEI中的應用通過軟件制定其處理優先級，操作環境在啟動應用時用該軟件設定進程優先級，而操作環境內部則使用基于優先級的調度機制。

2.5可生存性

可生存性指的是在自然或者人為擾亂之后或期間，系統能夠穩定持續地提供使用服務的能力，是艦船完成使命任務的前提條件。艦船可生存性包括敏感性、脆弱性和可復原性。敏感性，指本艦可能被發現和攻擊的可能性，它是艦船外形、戰術、威脅、環境及軟硬殺傷能力的函數；脆弱性，指本艦能力在一次被攻擊中被損壞的可能性，它是結構、系統隔離和冗余、設備保護的函數；可復原性，指本艦能力被恢復的可能性，它與發生損毀時使資源可用的時間和程度有關。

對敏感性的改善，TSCEI作為艦船作戰系統軟件運行的平臺和基礎設施，它的冗余設計使得系統具有較高的可用性，同時，TSCEI的硬件可部分降低聲學和電磁特征，間接降低熱特征；對脆弱性的改善，首先是設備，設計的數據中心電子模塊集裝箱(EME)物理分區布置，良好接地，交換機之間通過光纖連接，內部線纜被置于管道中并通過濾波器進行保護， EME和空氣過濾系統可降低鹽霧對設備的影響。其次是人為因素，EME提供了物理保護和門鎖，重點保護絕密級以上信息處理，一旦有人非授權訪問某個EME，破壞或對設備關機，系統通過失效轉移來容忍，同時通過數據加密，網絡防火墻，入侵檢測工具等以防止電子黑客。

3啟示

全艦計算環境作為全艦計算、存儲、傳輸、顯控等應用的公共基礎服務平臺并提供基礎服務支持，它的應用既是重大的技術創新，同時也為自身的構建帶來了挑戰，如何構建滿足新一代多使命、長服役期、低全壽命周期費用、精簡人員、自動化的艦艇應用需求的全艦計算環境基礎設施，在設計研究過程中，必須從系統頂層根據系統技術特點和應用需求設計出完整的質量指標體系，并從技術和管理上采取對策措施實現其質量目標。

1) 系統全面分析確定服務需求。服務對象的功能需求和性能質量要求是全艦計算環境基礎設施設計的頂層輸入，既包括全艦計算、存儲、傳輸、顯控等基本的服務需求，也包括全壽命周期內可能的變化需求，同時還要考慮服務對象現場環境及接口等條件。

2) 科學合理確定指標體系。全艦計算環境基礎設施作為全艦計算、存儲、傳輸、顯控等應用的公共基礎服務平臺，其本身的功能、性能要求高，必須科學合理確定其指標體系，以完整衡量其質量水平。這些質量屬性既涉及TSCEI的體系架構、基礎硬件軟件等，也涉及應用軟件開發，既要注重TSCEI本身的質量，更要注重提供服務的質量。在借鑒美軍全艦計算環境基礎設施質量屬性指標的基礎上，其指標體系主要應包括性能，互操作性，可使用性，可測試性，可修改性，可維修性，可生存性、可靠性、透明性，故障管理及服務質量等方面的指標。

3) 突破關鍵技術實現質量目標。全艦計算環境基礎設施技術復雜，創新程度高，指標體系項目多，交叉性強，實現難度大。要對TSCEI進行全面的特性分析研究，確定關鍵重要特性，采取措施突破各項關鍵技術，以實現指標體系確定的質量目標。與此同時，要對服務對象的需求要求和TSCEI內部的構架及數據等進行分析研究，形成規范或標準，要進行技術和管理風險分析，制定相應的風險管控措施，以使質量目標實現可見可控。

4) 充分試驗驗證確保質量合格。要對全艦計算環境基礎設施技術和成果進行充分的試驗驗證，采取數字、半實物或實物仿真方式進行試驗，同時還要在服務使用的環境下運用，并進行獨立的評測，以確保全艦計算環境基礎設施的適用性、正確性、可用性等功能性能質量得到充分的驗證和確認。

4結語

全艦計算環境作為一項重大創新技術在艦艇上的應用，既能優化艦艇信息系統的設計，提高資源的使用效率，變革運行組織方式，提高作戰效能，減少使用人員數量，又能更好地適應技術進步，擴展升級，降低全壽命周期費用，正受到廣泛的重視和關注。構建全艦計算環境基礎設施，既要設計新的技術體制架構，采用新的開發方法，也要提出系統完整的質量屬性指標，同時，研究制定并實施配套的規范或標準，加強質量管理，以確保全艦計算環境滿足服務使用要求。

參 考 文 獻

[1] 裴曉黎.美海軍TSCE設計剖析及對我軍信息系統集成模式的啟示[J].計算機與數字工程，2015，43(9)：1607-1614.

[2] 董曉明.全艦計算環境體系架構和系統集成框架[J].中國艦船研究，2014，9(1)：8-13.

[3] 李明.全艦計算環境工程項目管理研究[J].艦船電子工程，2012，32(12)：4-8.

[4] 董曉明.新一代水面艦艇作戰系統發展理念及途徑[J].中國艦船研究，2015，10(1)：1-6.

[5] 武獲山.美國海軍向數字化軍隊全速前進[J].當代海軍，2012(5)：42-43.

[6] Daniel P. Taylor, 21st Century Warship[J]. Seapower,2011,(12):16-17.

[7] Daniel P. Taylor, Ruling the Littoral[J], Seapower,2011,(12):12-14.

[8] Tim Anderson et al. Providing Open Architecture High Availability Solutions[R]. HA Forum,2001.

[9] Ronald O'Rourke, Navy Aegis Ballistic Missile Defense (BMD) Program: Background and Issues for Congress[C]//Congressional Research Service, Library of Congree, 2012.

收稿日期：2016年1月9日,修回日期：2016年2月24日

作者簡介：劉杰生，男，博士，高級工程師，研究方向：武器及信息系統研制管理。

中圖分類號TN919

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.003

Analysis and Inspiration of Quality Attributes of US Navy Total Ship Computing Environment

LIU Jiesheng

(No.37-1 Changhong Bridge in Wuchang, Wuhan430064)

AbstractIn construction of total ship computing environment infrastructure, US navy proposes several attributes to measure the quality. In this paper, main quality attributes are analyzed, and technical measures and methods to improve those quality attributes are explained, and referential thoughts and ways are proposed from the aspects of techniques and management.

Key Wordsquality attributes, inspiration, total ship computing environment infrastructure