美國海軍全艦計算環境發展及關鍵技術

張 偉

（海軍裝備部，北京 100161）

美國海軍全艦計算環境發展及關鍵技術

張 偉

（海軍裝備部，北京 100161）

全艦計算環境是新一代艦載系統集成技術，對艦艇平臺信息化具有重要意義和影響，是“網絡中心戰”在單個艦艇平臺上的具體體現，也是艦艇平臺信息化技術邁向“網絡中心戰”的一個重要里程碑。本文對全艦計算環境的發展情況、體系結構和主要技術進行介紹。

全艦計算環境；集成；中間件

1 全艦計算環境發展的背景

從 20 世紀 90 年代的“哥白尼”構想到21世紀初的“網絡中心戰”計劃，網絡中心化逐步成為美國海軍編隊電子信息系統和艦船電子信息系統的發展方向，美國海軍電子信息系統經歷了一條不斷集成、融合、創新的螺旋式發展道路，從原先分立的或“煙囪式”的系統發展成為由各種系統交聯在的一體化、網絡中心化的綜合系統。美國海軍作戰艦艇編隊中，幾乎所有作戰資源都被納入網絡中心化的作戰體系中，而在個體艦船上，幾乎所有的艦載作戰資源都被逐步納入作戰系統的管理范圍，集成為一個整體。

以替代先進作戰指揮系統（ACDS）并裝備于美國海軍航母和大甲板兩棲艦上的艦艇自防御系統（SSDS）為例，從其基本型到 MK 1，MK 2，越來越多的作戰資源被集成起來。艦艇平臺綜合管理系統的快速發展使與艦艇運行有關的設備、系統以及除作戰系統之外的各種資源迅速走向綜合集成。這些系統的綜合集成將最終導致艦艇平臺系統走向一體化。

在艦船作戰系統向一體化、集成化、系統化發展的基礎上，美國海軍利用全艦計算環境（TSCE）將它們進一步融合為一個一體化的網絡。

從概念上講，全艦計算環境是一種革新性的概念，以網絡為中心，基于開放式體系結構和民用現成技術，將現代艦艇戰時、平時各類運算操作、基礎數據集成到一個統一的、公共計算環境中，實施分布或集中式管理。

從功能上講，全艦計算環境將艦載系統應用程序與計算機及操作系統進行隔離，通過將各類應用軟件和網絡服務部件化，實現艦艇上各系統之間的集成，極大地推動艦載系統的模塊化、部件化，最終達到艦艇武器跨系統、跨平臺甚至跨領域的協同作戰能力。該環境不僅包括艦載 C4ISR（指揮、控制、通信、計算機、情報、監視和偵察）、武器系統和艦船狀態監控系統，還擴展到了岸上以支持艦船的維護、補給、訓練等功能。

可以說，全艦計算環境是新一代艦載系統集成技術，對艦艇平臺信息化具有重要意義和影響，是“網絡中心戰”在單個艦艇平臺上的具體體現，也是艦艇平臺信息化技術邁向“網絡中心戰”的一個重要里程碑。

2 全艦計算環境發展現狀

美軍下一代艦艇的開發和現有艦艇的升級都將采用全艦計算環境。目前美國最新研制的 DDG 1000 驅逐艦、LCS 近海戰斗艦和“福特”級航母都將使用全艦計算環境技術。

DDG 1000 是第一艘全面應用實施全艦計算環境的美國海軍艦船，DDG 1000 的設計定初就以開放體系結構為指導，它以全艦計算環境為各系統的集成系統，把其他系統（作戰系統、預警系統、動力系統、武器系統、指揮控制系統等）進行信息整合，最終形成一個統一的“網絡中心戰”單元。圖 1 所示為美國 DDG 1000攻擊驅逐艦全艦計算環境的結構示意圖。

圖 1 美國 DDG 1000 攻擊驅逐艦全艦計算環境的結構示意圖Fig. 1 USN DDG 1000 TSCE structure

2010 年 7 月，雷聲公司獲得一項合同，為美國海軍“杜魯門”號航母（CVN 75）和“福特”號航母（CVN 78）提供艦艇自防御系統 MK 2，該系統選擇部分為 DDG 1000 開發的全艦計算環境基礎設施的組件。2012 年 1 月，上述合同中的系統全部交付完畢。2014 年 7 月，DDG 1000 級驅逐艦項目在初始作戰能力階段開始達到新里程碑，其中全艦計算環境（版本7）軟件成功通過測試審查，至此，雷聲公司共推出了7 個版本的全艦計算環境軟件。

3 全艦計算環境體系結構和主要技術

3.1 全艦計算環境的體系結構

全艦計算環境是一個由網格化計算機構成的高性能分布式實時計算環境，它能夠控制和執行分布式戰術應用程序，提供應用程序加載、資源管理、實時應用程序通信、容錯等服務。全艦計算環境由計算機、內部和外部網絡通信設備、網絡介質、操作和控制軟件、通信軟件、接口軟件等組成。從技術層面來看，全艦計算環境由硬件層、操作系統層、中間件層、基礎結構服務層、應用程序層和資源管理器組成，其中硬件層、操作系統層、中間件層、基礎結構服務層構成了全艦計算環境的核心，即全艦計算環境基礎設施。圖 2 從全艦計算環境的功能層面上給出了系統體系結構，描述了建立多組件、重復、分布式對象實時系統所需要的能力和基礎結構。

圖 3 為其所對應的物理網絡和計算環境體系結構，該圖從物理層面上給出全艦計算環境的體系結構。

3.2 全艦計算環境的主要技術

1）全艦計算環境基礎設施

全艦計算環境基礎設施是基礎骨干，全艦所有應用軟件都運行于其之上，實現了艦船上所有艦載系統的無縫集成。全艦計算環境基礎設施與艦船任務應用程序結合，提供了一個開放體系結構的任務系統，能滿足所有作戰需求，并具有可擴展性以滿足新的操作需求。該體系結構將所有戰時和平時的操作集成到一個單一的、通用的計算環境中。

圖 2 全艦計算環境功能層面的體系結構圖Fig. 2 Functional structure of TSCE

圖 3 全艦計算環境物理層面的體系結構圖Fig. 3 Fhysical structure of TSCE

全艦計算環境基礎設施為運行于其頂層的應用程序提供統一的信息交換、信息處理、信息存儲、信息分發、信息安全和保密等服務，實現艦艇上所有系統的綜合信息管理，提供信息的實時處理與分發、數據庫存儲與訪問等服務。全艦計算環境基礎設施支持應用系統的即插即用，是系統互聯互通、信息共享、安全可靠運行的基礎。全艦計算環境基礎設施采用標準的軟硬件系統，增強了海軍使用標準軟件和民用現成硬件的能力。

全艦計算環境基礎設施的結構分以下 4 層：

① 硬件層。硬件層包括支撐系統運行的計算機、電纜設備、交換機、驅動器等硬件設施，這些硬件設施均采用標準民用現成設備，它們構成了全艦計算環境的網絡和計算環境基礎。

② 操作系統層。操作系統層包括運行于硬件層計算機之上的各種類型的操作系統。這些操作系統采用標準民用現成技術，全艦計算環境基礎設施支持包括實時 Linux、便攜式計算機操作系統接口（POSIX）等多種操作系統。

③ 中間件層。中間件層是全艦計算環境基礎設施的核心部分，它位于操作系統和應用軟件之間，實現全艦計算環境各種類型操作系統和應用程序之間的實時通信和資源共享。

圖 4 全艦計算環境基礎設施的體系結構示意圖Fig. 4 Infrastucture structure of TSCE

④ 基礎結構服務層。基礎結構服務層為應用程序層提供應用程序管理及信息交換、處理和管理等各項基礎服務，它分為通用服務和領域專用服務，通用服務指所有應用程序均使用的服務，如時間同步、數據記錄、輸入/輸出控制、電力管理、聲明管理、數據分發管理等；領域專用服務則指某一個或一些應用程序專用的服務，如信息可靠性和安全性管理、任務特殊資源管理等。

2）以中間件技術為核心的艦載系統集成技術

“中間件”由于在系統結構中往往居于計算機硬件及操作系統與應用軟件之間而得名，多用于分布式系統，通過標準化的程序接口和協議、數據傳輸和網絡服務，將異種/異構計算機硬件及操作系統、應用程序加以封裝，隱藏其特異性以解決這些異種/異構應用系統難以集成的問題，進而提高系統整體的開放性。

全艦計算環境作為一種以網絡為中心的、分布式、實時和嵌入式大系統，其對全艦計算環境基礎設施的技術性能要求可以概括為：必須同時滿足能夠對數據通信反應時間/抖動/流量進行準確預測、可擴展、可信賴、高度安全和實時工作模式等方面的要求；可針對不同的配置、環境條件和成本提供不同層級的服務，且必須可由作戰系統基礎結構和應用軟件進行快速地處理；必須能與其他維度的服務層級動態地進行協調以滿足應用程序的需求并確保任務的達成，例如，消息傳遞的安全性和可靠性就必須與網絡反應時間和可預測性進行協調權衡；對自主及時間關鍵性應用工況的需求要求系統基礎結構軟構件具有足夠的柔性，可根據任務需求和環境條件的動態變化魯棒地進行調整。

圖 5 全艦計算環境基礎設施的多層中間件結構Fig. 5 Middleware of the multi-layer infrastructure of TSCE

全艦計算環境基礎設施中所采用的多層中間件系統包括主機基礎結構中間件、分布中間件、公共中間件服務和領域專用中間件服務（見圖 5）。需要特別指出的是，基礎結構服務本身也是一種中間件，只是運行于全艦計算環境基礎設施中間件系統的高端。全艦計算環境基礎設施多層中間件系統細述如下：

① 主機基礎結構中間件用于封裝和強化本地操作系統的通信和并發機制以生成可移植、可重用的網絡程序軟構件，如反應器、接收器-連接器、監視器對象、活動對象及軟構件配置等。這些軟構件隔離了偶然出現的個別操作系統不兼容問題，避免了通過低級操作系統編程應用程序界面。

② 分布中間件定義了一種高端分布式編程模型，其可重復使用的應用程序界面和機制是對通過主機基礎結構中間件封裝的本地操作系統網絡編程能力的擴展，并使之自動化。分布中間件支持開發人員可以像開發單機應用程序那樣開發分布式應用程序，即通過請求操作目標對象或分布式軟構件的形式。

圖 6 全艦計算環境的資源管理體系結構Fig. 6 Resource management structure of TSCE

③ 公共中間件服務是對分布中間件的擴充，通過定義一組高層的、與應用領域無關的、可重用的服務，包括事件通知、命名、數據存儲和分發、安全和故障恢復等，以保證多計算機環境下大多數分布式應用軟件的高效運行。

④ 領域專用中間件服務根據特定作戰系統應用領域，包括航空電子任務計算、雷達信號處理、武器瞄準，以及指揮與決策系統等的需求定制的一批中間件。與前 3 種中間件層的軟構件具有廣泛的民用現成技術來源不同，領域專用中間件服務是目前全艦計算環境基礎設施中間層中發展和應用最不成熟的一層。

3）資源管理器——高可用性和抗毀性的關鍵

全艦計算環境能夠保持高效運轉、且具備高可用性和高抗毀性的核心保障之一，就是其采用的動態資源管理技術。資源管理器所采用的動態機制將根據戰術平臺所處情況的具體需求動態地分配應用程序所需的計算和網絡資源。例如，當確認一個來自空中的威脅時，“處理器池”將主要被分配給打擊空中目標所需的各類顯示、計算任務，而當這種威脅被消除時，同一個“處理器池”將可能被分配用于反艦攻擊的各項運算任務。對比“煙囪”式系統體系僵硬固定、專屬專用的基礎結構軟件和硬件而言，這種機制無疑在應對變化的作戰環境和資源故障方面具有極大的靈活性。

全艦計算環境資源管理器能夠在分布式系統環境中監控網絡、操作系統、中間件和應用程序資源，主要具備應用軟件/處理監控、操作系統監控、網絡監控、系統健康監控、資源和應用軟件控制、系統和資源規范、故障檢測/故障隔離/故障恢復、動態資源分配等功能（見圖 6）。

［1］PEO IWS. Open architecture computing environment design guidance: version 1.0［S/OL］. ［2004，08，23］. http://www. everyspec.com/USN/NSWC/down-load.php？spec=OACE_ DSN_GUIDANCE_VER-1.011546.PDF.

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Total ship computing environment revelopment and key technologies

ZHANG Wei
（Naval Equipment Department， Beijing 100161China）

Total ship computing environment（TSCE） is a new-generation shipboard integration technology， which is very important to the ship′s informatization and is the embodiment of the Network-Centric Warfare on the ship， also is a milestone of the ship′s information technology to the Network-Centric Warfare. The paper introduced the development of the TSCE， and its infrastructure and main technologies involved.

total ship computing environment；integration；middleware

TP302

A

1672 – 7619（2016）04 – 0148 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.031

2016 – 02 – 01

張偉（1983 – ），男，工程師，研究方向為信息系統裝備。