指揮信息系統國產化基礎軟件平臺研究

賈晨星,周 宇,王雅浩

(國防大學聯合作戰學院指揮信息系統演訓中心,河北石家莊 050084)

以指揮信息系統為重要手段支撐的信息化戰爭已成為當今世界戰爭的基本形態[1-4]。目前,聯合作戰指揮中心、軍兵種指揮機構、武器平臺、單兵手持移動終端,均已逐步配備功能全面、體系化指揮信息系統,能夠基于系統展開作戰指揮和演訓[5]。但必須承認,仍有一些制約指揮信息系統效能發揮的關鍵問題,國產化基礎軟件平臺就是其中一個重要環節。

1 指揮信息系統基礎軟件平臺的定義與邊界

指揮信息系統通常配置于各級指揮機構、武器平臺和單兵智能終端,如圖1所示。搭載指揮信息系統運行的硬件設備主要有服務器、桌面計算機、手持智能終端、武器平臺嵌入式裝備等,這些硬件設備為指揮信息系統運行提供了基礎硬件環境支撐。在硬件環境之上,還需配置相應的操作系統、數據庫、文本處理、運行庫等軟件環境,才能確保指揮信息系統的正常運轉和效能發揮。

圖1 指揮信息系統典型應用場景示意圖

指揮信息系統基礎軟件平臺,以操作系統為核心,綜合集成指揮信息系統開發與應用所必需的瀏覽器、文字處理、影音處理、數據庫等共性軟件和運行支撐庫、代碼開發/編譯等工具,是保證指揮信息系統發揮作戰效能的基本軟件環境。在指揮信息系統體系架構中,基礎軟件平臺具有承上啟下的關鍵作用,向下適配兼容服務器、桌面計算機、移動手持終端、武器平臺嵌入式裝備等各類硬件環境,保證硬件性能得到充分發揮;向上要為指揮信息系統提供操作系統、通用共性軟件與運行環境支撐,并可根據指揮信息系統配置環境與應用需求做適應性擴展,實現指揮信息系統快速開發和跨平臺復用。

2 指揮信息系統基礎軟件平臺需求分析

目前,指揮信息系統基礎軟件平臺迫切需要解決三個方面的問題[6-9]:

1)操作系統及應用軟件國產化,確保核心技術自主可控。目前,指揮信息系統的研發與應用普遍依賴國外廠家的操作系統和數據庫、文本處理、圖形圖像等軟件支撐,導致系統存在安全后門,極大威脅系統穩定性和信息數據安全性。一旦戰爭來臨,隨時可能面臨敵方技術封鎖。這種平時受限于人,戰時受制于人的被動局面,導致指揮信息系統的保障能力和可用性、穩定性大打折扣,核心技術自主可控成為當務之急。

2)前瞻性適配國產化硬件環境,實現系統平穩移植和靈活部署。隨著我國科學技術快速發展和生產力水平不斷提高,指揮信息系統硬件環境必將逐步實現國產化,這要求指揮信息系統基礎軟件平臺必須在滿足當前的基礎上,前瞻性地適配兼容國產化芯片、顯卡等硬件。此外,常見的系統研發模式導致系統與操作系統、處理器芯片之間存在強耦合關系,基礎軟件平臺必須實現指揮信息系統與硬件設備解耦合,進而實現系統跨平臺靈活部署。

3)應對未來作戰新需求,支撐指揮信息系統快速開發與應用。隨著聯合作戰樣式快速發展變化和對一體化體系作戰的研究不斷深入,對指揮信息系統的功能需求也將不斷深化、細化,新一代指揮信息系統必須能夠緊跟作戰任務需求變化,具備按需改造和快速開發能力。因此,指揮信息系統基礎軟件平臺必須集成常用軟件工具和系統開發基礎環境。

因此,針對上述問題和需求,有必要面向指揮信息系統典型應用場景和基礎硬件環境,構建一種以國產操作系統為底層支撐,綜合集成共性軟件和跨平臺開發編譯工具的指揮信息系統基礎軟件平臺,實現指揮信息系統的多場景適配、多硬件平臺復用、快速開發與靈活部署。

3 指揮信息系統基礎軟件平臺設計

指揮信息系統基礎軟件平臺由國產操作系統、共性軟件和跨平臺軟件復用開發/編譯工具包構成,如圖2所示?；A軟件平臺基于國產操作系統,向下對服務器、桌面計算機、手持終端、武器平臺4類系統硬件環境適配與優化。在國產操作系統之上,集成常用軟件運行庫和通用共性軟件,為指揮信息系統提供運行環境和軟件工具支撐。跨平臺軟件復用開發/編譯工具包為共性軟件和上層指揮信息系統、業務軟件提供跨操作系統、硬件平臺開發與編譯的工具支撐,減少指揮信息系統重復開發所導致的資源浪費,實現指揮信息系統的平穩移植和靈活部署。

圖2 指揮信息系統基礎軟件平臺架構

4 指揮信息系統基礎軟件平臺實現

基于國產操作系統指揮信息系統基礎軟件平臺的實現,重點解決3個關鍵問題:1)對指揮信息系統典型應用場景硬件平臺的普遍適配與性能優化;2)軟件運行庫、共性軟件集成與優化;3)跨平臺軟件復用。

4.1 基于國產操作系統的硬件適配與優化

基于國產操作系統的硬件適配與優化,采用設備驅動層、操作系統核心功能層、設備訪問接口層三層架構,如圖3所示。

圖3 硬件適配與優化框架

1)設備驅動層

設備驅動層以設備驅動框架形式為硬件設備提供針對國產操作系統的驅動支持。按照硬件功能,可將硬件設備抽象為字符設備、塊設備、網絡設備、顯示設備和總線類設備5類。對每一類硬件設備共性功能和個性功能抽象分離,將共性功能驅動封裝到設備驅動框架中;對于個性功能,在設備驅動框架中提供標準接口硬件操作回調函數,操作系統核心功能層和上層應用軟件可以基于回調函數實現對硬件設備個性功能的驅動。

2)操作系統核心功能層

操作系統核心功能層為上層軟件環境和底層硬件環境提供操作系統運行環境支撐,采用內核態與用戶態相互隔離的架構,如圖4所示。內核態負責處理特權模式下與CPU及其他硬件外設相關任務,將進程線程管理、任務間通信和用戶業務邏輯都放到用戶態。這種內核態與用戶態相互隔離的架構,可以保證操作系統運行狀態不受用戶態應用狀態的影響,有效避免因用戶業務邏輯崩潰導致系統崩潰,提高操作系統運行穩定性。

在內核態中,CPU子系統支持主要負責CPU通電初始化,操作系統核心代碼加載與引導。內核態功能層提供硬件設備在CPU特權模式下運行的功能代碼。用戶態功能層為指揮信息系統、專業軟件和各類運行支撐庫提供操作系統調用接口支持,包括進程與線程管理、任務間通信機制和用戶態操作系統編程接口。用戶態功能層與內核態功能層共同配合,為底層硬件設備提供基于SMP和AMP的并行架構支持。

圖4 操作系統核心功能層架構

3)設備訪問接口層

為了保證上層應用軟件能夠無差別訪問底層硬件設備,基礎軟件平臺向上層提供統一硬件設備訪問接口支持。通過設備訪問接口,應用程序可以如同訪問文件一樣來訪問底層硬件設備,發送設備相關底層控制命令,而無須關注設備訪問的實現細節。

由于不同應用場景下,硬件配置和對指揮信息系統的支撐作用不盡相同,對硬件適配與優化需求也就不同。因此,在上述技術架構的基礎上,分別針對4類主要硬件環境,實現差異化的適配與優化。

4.1.1 面向服務器的適配與優化

針對服務器的軟、硬件環境特征,在特殊硬件設備驅動和操作系統核心功能層做適應性優化。在設備驅動層,應對服務器在網絡通信和圖形處理方面的需求,優化網卡的通信能力,支持基于GPU加速的圖形顯卡驅動和并行計算驅動。

在操作系統核心功能層,增加如下用戶態功能組件:

●可維可調組件:支持系統的維護管理和用戶態或內核態程序的故障定位、性能測評和優化。

●可配置組件:支持系統的實時在線診斷,精確定位問題并快速修復。

●可靠性組件:為系統硬件提供較高級別保護,硬件錯誤記錄能夠自動上報,軟件能夠根據上報的硬件錯誤做恢復或者隔離處理。

●系統安裝組件:支持操作系統到目標主機按需定制安裝,為服務或應用建立基礎運行環境。

●系統安全組件:由內核安全、網絡防護、用戶認證、訪問控制、系統服務集和系統日志等子功能組成,保障系統安全性。

●集群與高可用支持組件:為了保障服務器在復雜環境下穩定運行,所有信息處理業務在服務器上的部署需要以多機熱備的模式進行高可用部署。

●安全加固組件:支持基于生物識別技術的系統登錄控制和管理員分級控制策略,提供操作系統可信啟動和應用可信識別技術,保證只有可信操作系統核心組件和應用才能在系統指定的服務器設備上運行。

●虛擬化與容器組件:虛擬化與容器機制配合,支持基于AMP的并行架構服務。

4.1.2 面向桌面計算機的適配與優化

桌面計算機設備的硬件適配與優化擬采用如圖5所示架構。在統一架構基礎上,為了實現類Windows的桌面風格,在操作系統核心功能層中增加圖形子系統層和桌面功能層。圖形子系統層提供窗口管理器和實現桌面環境的底層元素,包括GTK、QT、GDK等。桌面功能層提供與Windows桌面風格一致的開始菜單程序、應用管理器、桌面面板、資源管理器和設備管理器等桌面操作工具。此外,為了支持3D繪圖和渲染軟件,在設備驅動層,重點針對主流廠商的GPU顯卡進行3D驅動的適配與優化。

圖5 桌面計算機硬件適配與優化架構

4.1.3 面向手持終端的適配與優化

手持終端設備的硬件適配與優化擬采用如圖6所示架構。作為手持終端設備,重點關注對各種觸摸屏外設、3D加速、視頻圖像的支持和強調寬范圍接入協議支持。因此,在設備驅動層,將重點針對手持終端中廣泛應用的消費類GPU、外設與傳感器設備、各種無線通信設備模塊提供驅動適配和優化。其中,針對消費類GPU提供3D圖像顯示的加速驅動和硬件媒體解碼支持的加速。

在操作系統核心功能層,設計內核、系統平臺和應用框架三層架構。其中,內核層提供Selinux的安全加固優化;系統平臺層提供WIFI、4G、衛星等無線通信協議模塊、3D加速圖形框架和多媒體處理框架。應用層提供基于QT/QML的安全圖形框架和HTML5的運行環境支持,支持APP模式的圖形應用和基于BS模型的圖形應用。同時,為了利用安卓的優勢資源,提供基于QT的安卓APK運行環境適配框架,支持安卓應用程序運行。

圖6 手持終端硬件適配與優化系統架構

4.1.4 面向嵌入式裝備的適配與優化

武器平臺的硬件適配擬采用如圖7所示架構。針對嵌入式應用特點,將設備驅動層分為最小系統設備驅動和通用設備驅動兩部分。為了適應武器平臺嵌入式裝備系統與軟件應用對于實時性和安全可靠需求,在操作系統功能層引入BSP功能和系統擴展功能。其中,BSP功能層提供BSP(板級支持包),為硬件提供最小系統所需的驅動,并針對不同應用環境對內核進行實時優化。系統擴展功能層在內核基礎上擴展系統功能,主要包括:

●可靠可維護性擴展:為武器平臺嵌入式系統提供shell工具、運行時內存越界檢查、黑匣子內存支持等可調可維護性功能擴展。

●實時優化擴展:為保障武器平臺對實時任務的及時響應,對國產處理器進行中斷響應和中斷處理流程的優化,合理安排開關中斷時間內的處理流程,滿足響應時間需求;建立優先級任務調度機制,優先處理實時任務。

●安全可控擴展:通過增加可信啟動、業務邏輯用戶態空間和關鍵路徑邏輯內核態空間隔離等措施,加固系統安全。

●節能降耗擴展:通過優化功能層的電源驅動,充分利用CPU和外設的電源管理能力達到節能降耗目的。

●并行架構擴展:基于SMP并行架構和基于AMP并行架構擴展,如圖8所示,充分利用多核CPU的并行處理能力,提高系統的整體響應能力。

圖7 嵌入式裝備的適配與優化架構

圖8 SMP和AMP并行架構

4.2 軟件運行庫、共性軟件的集成與優化

軟件運行庫基于適應性改造后的國產操作系統,為指揮信息系統、共性軟件提供統一封裝的運行庫支持。主要包括軟件運行所必需的GNU C/C++庫、JAVA運行環境、媒體支持庫、基礎圖形庫、位置信息支持庫、TCP/IP網絡編程庫等軟件運行庫。

在國產操作系統和軟件運行庫的基礎上,實現共性軟件集成,主要包括瀏覽器、媒體處理器、字處理軟件、JAVA開發軟件和國產數據庫軟件,如圖9所示。為了優化共性軟件性能,在設備驅動層,增加針對典型主流GPU的多媒體硬件加速驅動,特別是對高清視頻和多媒體音頻的編解碼功能硬件的加速,支持典型音視頻編解碼規范,如H.323,H.264。在操作系統功能層,主要是為各種瀏覽器軟件、媒體處理軟件、字處理軟件和JAVA運行軟件和國產數據庫提供運行支撐,主要包括:為瀏覽器軟件提供HTML協議解析、JAVA Script解釋器、瀏覽器圖形渲染支撐;為多媒體處理器提供通用媒體處理庫,如基于開源FFMPEG庫優化的媒體處理庫和X264媒體處理庫;為微軟軟件提供Windows仿真器。

圖9 軟件運行庫與共性軟件

4.3 跨平臺軟件復用

通過以下方法，實現指揮信息系統跨硬件設備和操作系統復用:在軟件運行庫中,提供操作系統級別的運行支撐庫,滿足跨操作系統運行的需求;為了復用嵌入式應用程序,提供針對主流嵌入式系統的API封裝;構建跨平臺復用開發/編譯工具包,主要包括代碼開發工程管理、代碼編輯工具、符合GNU規范的跨平臺交叉編譯工具、代碼覆蓋率檢查工具、遠程調試器、性能調優等工具,如圖10所示。

圖10 軟件集成開發環境

5 結束語

本文從核心技術自主可控的國家戰略出發,圍繞操作系統國產化、國內外硬件強適配性、多場景靈活部署等新一代指揮信息系統發展迫切需求,提出指揮信息系統基礎軟件平臺的概念,面向服務器、桌面計算機、手持終端、武器平臺4類硬件環境,構建一種以國產操作系統為底層支撐,綜合集成軟件運行庫、共性軟件和跨平臺復用開發編譯工具包的平臺架構,并對基于國產操作系統的硬件適配與優化、軟件運行庫和共性軟件集成與優化、跨平臺復用等平臺實現關鍵問題進行研究,對實現指揮信息系統多場景適配、多平臺復用、快速開發與靈活部署具有一定參考價值。