一種基于Iaas的電子對抗系統體系研究

朱道雨

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州225101）

0 引 言

隨著電子對抗技術的發展，電子對抗系統的規模、分布范圍、復雜程度均呈現較大幅度增加，電子對抗系統面臨著技術先進性和“豎井式”建設成本高昂，其綜合程度越來越高，體系結構越來越復雜，借助軍民融合相關技術，更新設計理念，建立一個符合成本效益的電子對抗系統，并獲得更高的靈活性和工作效率。

本文依據北約架構框架發展趨勢，在“企業”、“服務”、“邏輯”、“資源”［1］視角和基礎設施即服務（Iaas）云計算思想來設計“云網絡空間防御”作戰概念下的電子對抗系統，該設計降低研發硬件資源成本，同時方便原有各廠商的技術遷移。

該設計主要通過網絡向系統內各傳感器開放服務，這些服務主要表現為計算、網絡和存儲組件。這些服務的基礎設施在地理上集中，通過虛擬化的技術實現整合，成本攤銷明顯，并且充分利用數據中心和網絡的核心功能，最核心的是服務器虛擬化，在服務器虛擬化的核心是CPU／GPU／FPGA處理器的虛擬化。考慮到技術發展等因素，該技術使各開發商可以沿用原有的開發環境，支持原有的應用程序，最小化的情況下，僅需開發人員調整資源，系統開發可行性風險可控。

1 電子對抗體系組成及特點

在電子戰相關的電子進攻、電子防護、電子戰支援3個組成部分，各部分由分承包商進行承建，電子對抗系統通常面臨著復雜多變的異構環境，對其中的硬件資源進行分層抽象，按照Iaas進行電子戰體系架構建模。

如圖1所示，在技術架構中，通過采用虛擬資源池構建、資源調度、服務封裝等手段，實現隨需自服務、資源池化、快速擴展和服務可度量。

圖1 虛擬化狀態

2 虛擬化

實現Iaas架構，首先在硬件資源、操作系統和應用程序3個層面加以抽象并轉換為虛擬資源，這樣既可不受現有資源的架設方式、地域或物理形態所限制，又簡化資源管理訪問方式和系統內的基礎設施，同時將系統的設計層次扁平化，使電子對抗系統內部各分設備或系統更好地應用這些資源。這些各類虛擬資源池中的邏輯顆粒，抽取關聯要素，使其具備不同類型資源適配與面向服務的條件，滿足虛擬化系統在主流基礎資源管理架構下與基礎設施服務之間功能對接要求。

2.1 計算虛擬化

依賴于一虛多的虛擬化技術，在單臺服務器虛擬出可同時運行且互不干擾的多套操作系統。可訪問物理服務器的所有資源（如 CPU、內存、磁盤、網絡設備和外圍設備），任何應用程序都可以在虛擬機中運行，主流技術產品如：Vmware ESXi、Linux KVM、Microsoft Hyper?V、XEN FPGA 虛擬化技術。

2.2 網絡虛擬化

使用虛擬網絡資源池，達到低時延、高并發的效果，這樣的高吞吐率能夠高效地節省存儲系統的拷貝時間，同時虛擬網絡資源使用“命名網絡”和“安全組”來保證虛擬網絡通信的隔離，以達到期望的安全性要求。使用軟件定義的柔性智能網絡 SDN，通過OpenFlow技術將網絡控制面與數據面分離開，定義其上的邏輯網絡，實現業務邏輯，避免廣播風暴風險，計算資源池和網絡資源池的管理適度切合，可實現動態、自動化實現數據中心硬件資源的動態調度，通過捕獲新上線虛擬機的信息，繼而感知虛擬器啟動與接入位置。SDN控制器通過此信息自動完成網絡策略的下發，實現網絡資源池的管理，可在一定程度上保證應用可多次調用，提高了系統的可靠性。

2.3 存儲虛擬化

存儲虛擬化需要面向電子對抗所有業務模塊，并適應服務器虛擬技術。值得注意的是虛擬環境中存儲I／O決定著虛擬化應用性能和業務處理能力。首選虛擬機文件作為磁盤，存儲大容量數據時則需配置共享存儲網絡RAID，存儲的擴容在縱向上增加存儲硬件的配置或提升硬件速度來緩解訪問壓力，在橫向上，則需將所有存儲數據拆分，將集中存儲的數據依據一定的準則分布到不同的服務器上，同時虛擬機消耗的存儲總量應小于物理存儲空間。

3 主要基礎設施服務

3.1 應用部署和應用配置

支持界面化的應用配置方式，配置后的參數自動在基礎設施集群內同步，滿足系統安全、組網環境、節點復用等方面的需求，由于各服務器存在本地資源守護進程，該進程能夠自動探測配置更改后需要重啟的服務，根據用戶的配置自動分配資源、自動負載均衡、自動檢測異常應用，保證任務高效地運行。

系統內各傳感器或電磁能設備需要將配置需求、鏡像文件、應用、機架、服務和相關設備數據存儲并以軟件倉庫的形式對外提供服務，通過網絡加載實現虛擬機的部署、備份以及還原，加快設備應用發布、更新，實現軟件產品的版本管理與持續發布。

作為一名思想政治教育者,首先要克服首因效應和近因效應所造成的認知偏見對教育者的影響，不能只憑第一印象或最新印象評價和判斷人，也不能輕信任何一種關于某人的信息，而應當用全面的、辯證的觀點看問題以及了解他人。教育者還可以充分利用首因效應和近因效應的積極作用,在教育內容的選擇上利用二者提高教學效果。在與人相處時注意自己的儀容儀表、談吐等，給人留下良好的第一印象，作為教育者來說，開學第一課至關重要，準備好開學第一課，給學生留下良好的印象。但更重要的是要有意識地引導教育對象用全面的觀點看問題。

3.2 數據管理

基于數據的完整性、可靠性和可管理性，根據數據類型建立多類型的數據庫。高價值的結構化數據存儲在MPP數據庫，非結構化數據、半結構化數據、低價值的結構化數據存儲在HDP數據庫中。依據傳感器可利用數據的模型定義提取數據源，經過采集、清洗、轉換，最終存儲到目標數據庫中，以便數據挖掘和共享，并能提供數據快照功能。

3.2.1 元數據管理

其為數據集成存儲合規的數據定義、來源、目標、可信度、依賴關系、威脅等級等信息，能夠使用戶清晰直觀地理解數據、掌握戰場態勢，實現統一數據接口，目前主要為單一傳感器的結構化數據，更加有效地發掘和利用電子對抗資產的價值，助力高效的分析和決策。

3.2.2 數據服務接口

交互式SQL和可編程API，這樣既提供數據處理結果，又屏蔽底層細節，為上層應用提供數據服務，提供實時搜索接口、電抗相關業務定向接口、各傳感器關聯查詢接口。

3.3 即時監視與告警

Web服務是一種基于網絡的、分布式的模塊化組件，經過簡單的配置，即可快速將服務整合到系統中來，能夠實現部分模塊的即插即用。同時可在Web端多用戶自主即時監視電子對抗各設備基礎設施（含虛擬機等），對各節點和服務的運行狀態、任務作業運行狀態以定制化圖表的形式直觀顯示，重點監控虛擬機的基本運行狀態，通過負載均衡技術確保單個工作節點不因負載過大而崩潰，更好地應對系統內的突發情況。針對各主機的時間差、存儲數據塊損壞、關鍵作業能否執行等內容，進行自定義或短消息形式得告警。

3.4 質量管理

服務質量保證（QoS）是網絡與用戶之間以及網絡上互相通信的用戶之間關于信息傳輸與共享的質量約定［2］，主要包括可靠性、數據的持久度、數據的歷史記錄。當網絡過載或擁塞時，QoS能確保重要業務量不延遲或丟棄，同時保證網絡的高效運行。采用描述文件的方式動態配置修改分發QoS策略、擴展策略、數據壓縮和傳輸協議／傳輸通道等，支持以作戰任務快速設置策略。

QoS約定基礎設施提供商的最小服務質量和服務響應時間。例如針對關鍵性服務，保證其嚴格的性能需求［3］；針對固件，確保提供模塊管理工具和更新軟件；針對系統可靠性，保證基礎設施正常運行時間；針對傳輸通道，保證數據包丟失率極低，幾無網絡時延；確保異常通知的時效性。

基于熱備需求，必須保證資源池備有足夠的資源供虛擬機在服務器宕機時能夠重新啟動，保證系統不因個別硬件資源失效而中斷服務，同時通過比較硬件設施工作負載、用戶請求負載及QoS目標，調整虛擬機的數量。

3.5 安全管理

基于“沙盒”模型隔離用戶執行環境。針對使用者的行為進行審計，強制使用Https訪問Web，遵從基于任務和角色面向服務的訪問控制策略，綜合任務節點服務需求和訪問角色安全等級，求解服務實體的最小授權單元［4］，實現Iaas層的訪問控制策略，保證基礎設施和其提供的資源能被合法地訪問和使用。

3.6 日志管理

既保存基礎實施的運行日志，又保存射頻前端的使用維護日志，將所有的配置參數、更改歷史、數據日常流量、日常維修過程中的所有內容以半結構化數據形式持久化存儲，在對設備的配置進行跟蹤處理同時規避用戶的違規操作，也便于搜集設備正常故障信息，通過細致的日志管理，提前預警設備部件更換，合理估計各應用的資源。建立統一日志管理模塊，將基礎設施與設備管理面、業務面的信息和告警審計信息集中，提供直觀地可視化的檢索方式。

3.7 中間件

為解決數據傳輸面臨的傳輸效率、服務質量、動態可重構、平臺異構等方面的問題［5］，需要建立可熱插拔的訪問控制并支持SOA的多種基礎中間件，該中間件可提供同步、排隊、訂閱發布通訊服務，也可進行事務處理監控器、分布數據訪問、對象事務管理器，支持異構環境中的協議轉換以及基于事件的服務消息的交互。中間件提供的各類服務松散耦合且具有平臺獨立性，支持開放協議，支持來自系統內外的互操作，提供各種服務質量保證，如安全、性能、可靠性、可伸縮性，提供面向消息的多平臺、多協議和多API支持層，能夠整合異構系統。在近距離部署時，支持FC、SRIO即時大塊數據傳輸協議。

基于某些特殊應用，該中間件需要遠程調用執行不同地址空間里的進程，對于用戶而言，與本地調用無差異；利用高效的消息傳遞機制進行數據交流，采用消息排隊模型，在應用尚未執行期間，可在中間件中存儲一定量的消息，以備應用啟動時使用；透明地在分布式異構環境中傳遞對象請求，并定義該環境下的請求和接收響應的基本機制；可對事務處理監控，進行中間件事務管理與協調、進程管理、事務管理、通訊管理，提供高吞吐量、低延遲以及可重構連接等特性以提高系統的整體性能。

4 用戶服務

4.1 用戶服務分布

為了便于用戶理解用戶服務與作戰活動之間的進展關系與跟蹤服務事件，以OODA環路說明用戶服務功能。根據高聚合、低耦合的原則，盡量實現功能服務聚合，避免與功能服務的數據耦合，保證服務一定的獨立性，而現實中同一個服務可存在環路的不同階段。不失一般性，如圖2所示，觀察階段以信號處理、數據處理、雜波抑制、圖像處理等服務為主，判斷階段以態勢估計、深度學習、可視化分析、自然語言分析等服務為主，決策階段以效能評估、任務管理、頻率管理、資源管理等服務為主，行動階段以協同控制和重編程等服務為主，其中模型庫、交戰規則、算法庫作為數據庫公用信息以中間件形式推送到各功能服務。

圖2 OODA環下的用戶服務分布

4.2 硬件部署

根據美軍電子戰涵蓋的內容（如圖3所示），將電子戰所有進攻性、防護性、支援性設備描述為內部設備，以便頂層設計體系架構，利用FPGA服務器、GPU服務器、CPU服務器，將各設備的處理計算功能移植到服務器內，同時輔以數據庫服務器、實時通訊服務器、Web服務器，可直接促發前端的波束控制、波位控制等，使用PDW數據和中頻數據進行相關的信號處理和數據處理。

圖3 電子對抗系統體系部署示意圖

依托私有云的概念進行分布式部署，將異地部署的傳感器進行聯網，分布式部署，中間件系統主要以網絡為主，為防御性網絡空間作戰平臺和工具的快捷部署提供支持［6］。數據庫服務、中間件系統這類關鍵服務需使用裸金屬服務器，其它多個分系統共享物理資源，使用彈性服務器。通過Web服務將原本電子對抗的桌面應用遷移到局部互聯網，隨時隨地通過SOAP協議訪問目標數據，而無需關心這些數據或應用運行在何種硬件平臺上。為了保證數據中心在系統發生異常時能夠自動重新配置，提高系統缺陷容忍和可用性需要建立主數據庫和從數據庫。

4.3 主要功能

利用FPGA服務器的虛擬資源進行DBF處理、高速信號處理、數字濾波、數字邏輯和外圍器件的控制，其輸出TTL差分電平來實現中頻帶濾波器的切換，與串并轉換器進行數據直接交換，采用快速傅里葉變換等方法將中頻信號數據進行測向、測頻，同時高速地抓取輻射源信號脈內調制包絡進行詳細分析。將控制各傳感器的控制線集中在單個FPGA服務器上，便于以統一的時鐘基準頻率統一輸出控制信號，控制帶阻濾波器和接收機的靈敏度和接收預警門限，直接提高設備的截獲概率和預警能力，同時避免信號處理和數據處理的時間基準不一致。執行同一任務的諸功能單元實現時間同步，包括時間基準的統一、時標傳輸時延估計與補償通道均衡處理技術等技術。

利用GPU服務器的虛擬資源可解決綜合傳感器最優化問題，以最大截獲概率、靈敏度等適應電子對抗任務要求，求解當前對抗任務的傳感器協同搜索戰略最優化，以期在截獲概率、靈敏度和預警能力方面的提升性能，統一管理電子偵察任務分派／匿隱扇區，發揮最大的協同信息潛能優勢。在日趨復雜的電磁環境下，對多傳感器獲取的信息自動相關、估計、融合，以便快速準確地感知電磁態勢，提高威脅目標的識別準確度，有效拓寬監視探測的時空頻覆蓋范圍，增強目標探測的實時性。綜合考慮目標類別、速度、航向角、距離等因素進行威脅評估。對各探測到的通信和雷達輻射源信息進行威脅評估并進行數據融合和平臺識別處理，并給出所有探測到目標推薦的實時有源和無源干擾樣式。

利用CPU服務器中的虛擬資源對被探測目標進行識別和歸類，先將雷達輻射源或通信輻射源測量參數與存儲在數據庫中的參考輻射源參數進行比較，估算兩者之間的相似程度；評估單個目標和多目標的電磁特征以及變化規律，為決策環節提供有效支持；可并行地進行多目標無源定位，根據一段時間內探測到輻射源的方位俯仰、載體的姿態信息和電磁參數數據進行關聯處理，繼而進行規劃劃分為單個目標不同的可能測量集合，利用概率統計和運籌學，求解一種最優的劃分方式，進而確定目標位置和數量。

5 結束語

預期該系統可支持完整的設備，可定量或批量傳送數據，系統與中間件始終就緒，具有熱備模式滿足GB／T 20988?2007中的第4級標準。本文介紹的電子對抗系統構想技術上并非最領先，考慮經濟性和快速移植等特性，能夠避免系統內利益相關方嚴重背離目標。著眼于網絡中心戰，云計算相關服務——Paas、SaaS和DPaas等將隨著電子對抗海量數據爆發增長而大有作為，其在資產監控一體化、質量監測常態化方面有著長足進步，同時遵循同一開放式規范的系統，系統間可以以最小的更改進行遷移［7］，大數據、云計算技術將推動分布式電子戰技術發展。