吳永勝, 李博驍

(中國電子科學研究院 北京 100041)

?

空基信息系統(tǒng)分層模型及數(shù)據(jù)互操作研究

吳永勝, 李博驍

(中國電子科學研究院 北京 100041)

描述了空基信息系統(tǒng)的發(fā)展歷程，參照互聯(lián)網(wǎng)分層模型提出了空基信息系統(tǒng)的分層模型，支持空基信息系統(tǒng)平臺間協(xié)同應用和互操作設計.針對空基信息系統(tǒng)的互操作需求，描述了數(shù)據(jù)服務層的設計，以支持數(shù)據(jù)互操作.

空基信息系統(tǒng); 分層模型; 數(shù)據(jù)服務層; 數(shù)據(jù)互操作

0 引言

根據(jù)信息系統(tǒng)部署方式的不同，可分為陸基信息系統(tǒng)、海基信息系統(tǒng)、空基信息系統(tǒng)和天基信息系統(tǒng)[1]. 其中空基信息系統(tǒng)通常以100 km高度以下(大量集中于20 km以下)的飛行器和浮空器平臺為載體，可以在數(shù)小時、甚至數(shù)分鐘內(nèi)升空，快速反應能力遠遠優(yōu)于地基、海基和天基信息系統(tǒng)，可以快速部署至熱點地區(qū)，甚至出動至遠海地區(qū).

為滿足防空預警、機動作戰(zhàn)、遠程進攻不同的作戰(zhàn)樣式，空基信息系統(tǒng)需具有預警探測、控制引導、戰(zhàn)場管理、信息傳輸、打擊評估等功能. 因此監(jiān)視雷達、航管雷達、敵我識別器、電子偵察、電子對抗、通信偵察、紅外偵察、SAR、通信電臺、指控等逐步加裝在空基平臺，推動空基信息系統(tǒng)由預警探測單角色至戰(zhàn)場管理等多角色的轉變.

隨著數(shù)字陣列技術、傳輸網(wǎng)絡、高性能計算機、寬帶數(shù)據(jù)鏈等技術的發(fā)展和應用，傳統(tǒng)的雷達、偵察、對抗等設備逐漸融合，空基信息系統(tǒng)的發(fā)展出現(xiàn)多元化、綜合化、一體化的發(fā)展趨勢，根據(jù)功能劃分的界限逐漸模糊.

隨著預警機、偵察機、電子戰(zhàn)飛機、通信干擾機、對地監(jiān)視飛機、心理戰(zhàn)飛機、反潛機、殲擊機、轟炸機、無人機、浮空器等一系列空基信息系統(tǒng)的部署，為滿足多樣化的作戰(zhàn)應用，多平臺間協(xié)同應用和互操作成為急需研究的課題[2]，將數(shù)據(jù)服務層獨立作為類中間件可提高分布式多平臺系統(tǒng)之間的信息共享能力與互操作能力[3].本文從作戰(zhàn)應用出發(fā)，參照5層因特網(wǎng)協(xié)議棧，建立空基信息系統(tǒng)的分層模型，從支持互操作設計角度描述了數(shù)據(jù)服務層的設計.

1 互聯(lián)網(wǎng)分層模型分析

互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展得益于“開放系統(tǒng)互聯(lián)基本參考模型”的制定，使計算機網(wǎng)絡體系結構實現(xiàn)了標準化. 隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，目前應用最廣泛的模型是互聯(lián)網(wǎng)分層模型，共有5層：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、鏈路層和物理層.

(1) 應用層.支持網(wǎng)絡應用，應用協(xié)議僅僅是網(wǎng)絡應用的一個組成部分，運行在不同主機上的進程則使用應用層協(xié)議進行通信，主要協(xié)議有：Http，F(xiàn)tp，Telnet，Smtp，Pop3等.

(2) 傳輸層.負責為信源和信宿提供應用程序進程間的數(shù)據(jù)傳輸服務，這一層上主要定義了兩個傳輸協(xié)議，傳輸控制協(xié)議即TCP和UDP.

(3) 網(wǎng)絡層.負責將數(shù)據(jù)包獨立地從信源發(fā)送至信宿，主要解決路由選擇、擁塞控制和網(wǎng)絡互聯(lián)等問題.

(4) 數(shù)據(jù)鏈路層.負責將IP數(shù)據(jù)包封裝成合適在物理網(wǎng)絡上傳輸?shù)膸袷讲鬏?，或將從物理網(wǎng)絡接收到的幀解封，取出IP數(shù)據(jù)包交給網(wǎng)絡層.

(5) 物理層.負責將比特流在節(jié)點間傳輸，即負責物理傳輸.該層的協(xié)議既與鏈路有關也與傳輸介質有關.

2 空基信息系統(tǒng)的分層模型

空基信息系統(tǒng)節(jié)點數(shù)目多、類型多，各節(jié)點及節(jié)點上的應用功能均由不同廠商研制，各功能組件間交聯(lián)關系復雜，如不規(guī)范研制過程，制定分層架構模型，會導致各承研單位以自身功能實現(xiàn)為目的，致使空基信息系統(tǒng)各節(jié)點間協(xié)同、互操作困難.

空基信息系統(tǒng)作戰(zhàn)任務多樣，而任務的執(zhí)行需要通過相應的空基平臺、設備以及其上駐留的功能組件實現(xiàn)，因此多樣化任務對應于多樣化網(wǎng)絡信息活動[4]，即通過網(wǎng)絡化探測、偵察、定位、跟蹤、控制、打擊和評估等信息活動實現(xiàn)空基信息系統(tǒng)功能.

通過對功能組件功能、輸入輸出關系、運行時序的研究，開展空基信息系統(tǒng)的分層模型研究，分層模型各層功能保證相應功能、性能，以支撐空基信息系統(tǒng)在分層模型基礎上的網(wǎng)絡化信息活動.

將空基信息系統(tǒng)劃分為6層：應用層、數(shù)據(jù)服務層、傳輸服務層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，支持以數(shù)據(jù)為中心、服務化、可重構的系統(tǒng)架構設計；相比互聯(lián)網(wǎng)分層模型，增加數(shù)據(jù)服務層以支持空基信息系統(tǒng)平臺間的互操作設計.

基于作戰(zhàn)任務的系統(tǒng)之系統(tǒng)分層架構模型(SOS)，如圖1所示.

圖1 空基信息系統(tǒng)分層模型Fig.1 Layered model of airborne information system

應用層：從預警探測、綜合識別、定位跟蹤、控制引導、打擊評估和基礎服務等幾個方面開展系統(tǒng)應用設計，根據(jù)功能差異開展模型和邏輯設計以提高組件的高內(nèi)聚.

數(shù)據(jù)服務層：通過作戰(zhàn)任務、應用分析，梳理出空基信息系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)、業(yè)務流，根據(jù)業(yè)務需求提出基礎類數(shù)據(jù)、控制類數(shù)據(jù)、情報類數(shù)據(jù)、監(jiān)控類數(shù)據(jù)、指揮引導與協(xié)同數(shù)據(jù)、火力打擊類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)元素、數(shù)值范圍和數(shù)據(jù)的組織方式，并研究以服務化的方式為各功能應用提供支撐，以支持系統(tǒng)的互操作設計.

傳輸服務層：通過遠程過程調(diào)用、發(fā)布/訂閱、窄帶傳輸控制等機制提供功能組件端到端的數(shù)據(jù)傳輸能力，提供滿足應用需求的服務等級；通過有線/無線網(wǎng)絡帶寬的有效運用，提高系統(tǒng)的運行效率.

網(wǎng)絡層：通過鄰里發(fā)現(xiàn)協(xié)議、已知移動信息路由協(xié)議(MARP)和移動信息洪泛協(xié)議(MDP)進行空基信息系統(tǒng)路由表的維護；通過鏈路監(jiān)視信息開展擁塞控制、流量控制管理，實現(xiàn)在多鏈基礎上的負載均衡設計.

數(shù)據(jù)鏈路層：實現(xiàn)將IP數(shù)據(jù)轉換為適合相應數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)膸袷?，根?jù)鏈路的傳輸特性開展數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)壓縮、鏈路監(jiān)視和鏈路選擇等功能設計.

物理層：負責協(xié)議數(shù)據(jù)在節(jié)點間傳輸，主要通過戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈、寬帶數(shù)據(jù)鏈和武協(xié)鏈等無線數(shù)據(jù)鏈進行傳輸.

3 數(shù)據(jù)互操作設計

空基信息系統(tǒng)互操作能力反映的是系統(tǒng)自身可以達到的互操作水平，該水平主要是由系統(tǒng)采用的技術、標準、結構等決定的[5].按照LISI模型，影響系統(tǒng)互操作能力最關鍵的屬性主要是規(guī)程(P)、應用(A)、基礎設施(I)和數(shù)據(jù)(D).作為實現(xiàn)空基信息系統(tǒng)服務化的核心，本文從數(shù)據(jù)(D)方面入手開展研究.

基于空基信息系統(tǒng)分布化網(wǎng)絡化的特點，數(shù)據(jù)互操作主要通過多平臺間數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)管理等功能為系統(tǒng)提供分布式的數(shù)據(jù)信息服務. 數(shù)據(jù)互操作涉及數(shù)據(jù)信息基礎建設、管理和應用等多方面，建議從數(shù)據(jù)信息標準體系和分布式服務化的應用方式兩部分開展研究.

(1) 數(shù)據(jù)信息標準體系

實現(xiàn)空基信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享必須具有一致性的基礎數(shù)據(jù)，尤其隨著空基裝備的迅猛發(fā)展并逐步裝備，應以空基信息系統(tǒng)基礎信息標準為方法推進基礎數(shù)據(jù)建設. 參照科技部發(fā)布的科學數(shù)據(jù)共享工程技術標準，主要包括指導性標準、通用標準和專用標準3部分，通過頂層作戰(zhàn)使用研究、空基平臺應用研究逐步細化至交互數(shù)據(jù)需求，從而為基礎數(shù)據(jù)建設提供支撐，其標準體系框架如圖2所示.

圖2 空基信息系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)標準體系Fig.2 Basic data standards of airborne information system

指導性標準作為頂層輸入，規(guī)范了從頂層開展作戰(zhàn)使用研究分解至交互數(shù)據(jù)需求的方法，并給出了提供數(shù)據(jù)服務的方法，并對名詞術語進行了約束.

通用標準作為實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務的核心，規(guī)范了元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)元素字典標準，從提供發(fā)現(xiàn)、訪問、解析和管理等方法方面進行了描述.

專用標準作為業(yè)務領域的規(guī)范，制定了傳感器、信息融合、指控、打擊、監(jiān)控和環(huán)境等方面的數(shù)據(jù)組成要素.

圖3 數(shù)據(jù)服務層
Fig.3 Data service layer

(2) 分布式服務化應用

在SOA架構的基礎上以服務化方式提供數(shù)據(jù)服務，構建提供數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、訪問、解析和管理等方法的數(shù)據(jù)服務層，數(shù)據(jù)服務層框圖見圖3.

數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)采用服務注冊的方式，注冊后的數(shù)據(jù)信息將與基礎數(shù)據(jù)庫信息進行類型比對，針對不符合空基信息系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)標準體系的數(shù)據(jù)將注冊失敗，以此保證空基信息系統(tǒng)多平臺間數(shù)據(jù)互操作；注冊后，將形成數(shù)據(jù)信息名錄，用于檢索、發(fā)現(xiàn).

數(shù)據(jù)訪問采用服務化方法對外提供增、刪、改、查等接口，可實現(xiàn)空基信息系統(tǒng)多平臺間數(shù)據(jù)的互操作，通過基礎數(shù)據(jù)的分類管理，可通過類型實現(xiàn)對數(shù)據(jù)塊的操作，提高了信息交互效率.

數(shù)據(jù)解析根據(jù)平臺間信息需求的差異以及傳輸信息數(shù)據(jù)鏈路的差異，需要進行數(shù)據(jù)的轉換、解析處理，從而提供一致化服務.

數(shù)據(jù)管理主要實現(xiàn)空基信息系統(tǒng)平臺間數(shù)據(jù)的分布式管理，根據(jù)數(shù)據(jù)信息的類型、同步周期、優(yōu)先級建立分布式管理模型，進一步提高平臺間信息訪問效率，實現(xiàn)平臺間的數(shù)據(jù)同步管理.

4 結束語

構建空基信息系統(tǒng)的分層模型提高空基信息系統(tǒng)平臺間的協(xié)同應用和互操作的基礎，數(shù)據(jù)互操作設計更進一步理清了平臺間互操作的數(shù)據(jù)基礎. 本文借鑒互聯(lián)網(wǎng)分層模型提出空基信息系統(tǒng)的分層模型，并針對不同層的應用方式進行了介紹，對空基信息系統(tǒng)設計具有一定的借鑒意義. 參照PAID評價方法，本文從數(shù)據(jù)(D)角度進行互操作設計并給出了數(shù)據(jù)服務層的構建方法. 然而，空基信息系統(tǒng)的互操作還需要從P(規(guī)程)、A(應用)、I(基礎設計)等多方面開展進一步研究.

[1] 陸軍，酈能敬，曹晨, 等．預警機系統(tǒng)導論[M]．2版.北京：國防工業(yè)出版社，2011．

[2] 劉波，沈齊，李文清．空基預警探測系統(tǒng)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2012．

[3] 李博驍.一種支持智能環(huán)境構建的中間件[J]．鄭州大學學報：理學版：2013，45(5)：50-53．

[4] 雷中岳，范鵬，黃煒． 一種空基自組網(wǎng)路由協(xié)議的研究[J]．中國電子科學研究院學報，2013, 8(6): 632-637．

[5] 羅愛民，黃力，羅雪山．信息系統(tǒng)互操作性評估方法研究[J]．計算機技術與發(fā)展，2009, 19(7): 17-19．

(責任編輯：王浩毅)

Research on Layered Model and Data Interoperation of Airborne Information System

WU Yong-sheng， LI Bo-xiao

(ChinaAcademyofElectronicsandInformationTechnology,Beijing100041，China)

The journey of airborne information system was described. According to the internet layered model，a layered model of airborne information system was proposed, which was able to conduct coordination and interoperation between different platforms within the airborne information system. Aiming at the requirement of interoperation, the design of data service layer was proposed, which will support data interoperation.

airborne information system; layered model; data service layer; data interoperation

2015-03-15

吳永勝(1982-)，男，河北唐山人，工程師，碩士，主要從事空基信息系統(tǒng)總體設計、集成與軟件架構研究,E-mail:elegantfall@sina.com.

吳永勝，李博驍.空基信息系統(tǒng)分層模型及數(shù)據(jù)互操作研究[J].鄭州大學學報：理學版，2015，47(3)：55-58.

TP393

A

1671-6841(2015)03-0055-04

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.03.010