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(huán)境質(zhì)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(gòu)建全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施時提出了多個衡量其構(gòu)建質(zhì)量的屬性。論文對幾個主要質(zhì)量屬性進(jìn)行了分析，闡述了提高這些質(zhì)量屬性采取的技術(shù)措施和方法，在此基礎(chǔ)上從技術(shù)和管理上提出了借鑒的思路和方法。

關(guān)鍵詞質(zhì)量屬性； 啟示； 全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施

Class NumberTN919

1引言

全艦計算環(huán)境(Total Ship Computing Environment，TSCE)采用開放式體系架構(gòu)，將全艦公用的計算、存儲、傳輸、顯控等硬件設(shè)備和基礎(chǔ)服務(wù)軟件，按照成熟的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有機集成，為艦艇的探測感知、指揮控制、武器交戰(zhàn)、信息保障以及艦艇駕控、安防損管等艦艇業(yè)務(wù)應(yīng)用提供公共的信息交換、數(shù)據(jù)存儲、高性能計算以及人機交互等基礎(chǔ)服務(wù)支持，它是美海軍DDG1000驅(qū)逐艦十大創(chuàng)新技術(shù)之一。美軍認(rèn)為，TSCE為艦艇電子信息系統(tǒng)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(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、開放集成和靈活重構(gòu)等方面具有明顯的優(yōu)勢。

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

2質(zhì)量屬性及其提高措施

2.1可修改性

可修改性指修改系統(tǒng)功能的能力，能力強弱決定了系統(tǒng)修改的費用?？尚薷男灾饕紤]，一是修改什么，可能的修改一般包括系統(tǒng)功能、容量、平臺、環(huán)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(zhí)行等各個階段進(jìn)行修改，開發(fā)者、終端用戶和系統(tǒng)管理員都是可能的修改者。TSCEI設(shè)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(yīng)，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(shù)最小。為此，一般采用四種方法，即維護語義的一致性、預(yù)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(wù)間的依賴關(guān)系可管理；二是提供公用服務(wù)，如應(yīng)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(dá)到預(yù)期期望的變化，組織服務(wù)使得服務(wù)間的依賴最小且功能具有高度的內(nèi)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(wù)的層，可使得應(yīng)用既能訪問低層“純”COTS的API也能訪問高層增值A(chǔ)PI。TSCEI通過制定并使用標(biāo)準(zhǔn)使得COTS產(chǎn)品的選擇符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，如TSCEI只支持POSIX兼容的操作環(huán)境等。

2) 避免連鎖效應(yīng)

某服務(wù)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(yīng)。服務(wù)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(wù)質(zhì)量等。為避免連鎖效應(yīng)，必須對其他服務(wù)隱藏某個服務(wù)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)、維持當(dāng)前的接口、限制通信路徑、當(dāng)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(wù)，服務(wù)使用者對服務(wù)實現(xiàn)的細(xì)節(jié)不可見；TSCEI提供對它所有接口的向后兼容能力，當(dāng)前應(yīng)用繼續(xù)使用舊一點的接口，其他用戶可使用新接口；TSCEI應(yīng)當(dāng)減少一個給定服務(wù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的服務(wù)消費者，同時減少供一個給定服務(wù)消費的數(shù)據(jù)生產(chǎn)服務(wù)者；TSCEI中的中間媒介包括數(shù)據(jù)句法轉(zhuǎn)換、服務(wù)句法轉(zhuǎn)換、服務(wù)實體及服務(wù)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(yīng)的目的在于減少需要修改的模塊數(shù)量。部署時間和允許非開發(fā)者修改是另外兩個必須考慮的因素。軟件修改后需要進(jìn)行測試才能發(fā)布到現(xiàn)場使用。如果允許運行時進(jìn)行綁定，則節(jié)省了部署時間，這樣可以同時支持對單獨的模塊進(jìn)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(wù)和中間件實現(xiàn)運行時注冊，達(dá)到動態(tài)發(fā)現(xiàn)和建立模塊間連接的目的；TSCEI為服務(wù)提供XML配置文件和適配文件，達(dá)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(diào)用的后綁定功能；通過“插入”服務(wù)實現(xiàn)大多數(shù)庫支持加載時綁定。

2.2性能

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

根據(jù)實時性的不同，TSCEI將應(yīng)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(fù)載、管理事件產(chǎn)生速率、控制請求采樣率、限定執(zhí)行時間、限定隊列長度等。

策略組2：資源仲裁。當(dāng)有競爭性請求時，根據(jù)語義的重要性和緊急程度，采用合理的調(diào)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(fā)機制、增加數(shù)據(jù)的局部性、增加可用資源等。

策略組4：環(huán)境和設(shè)計。包括編程語言、操作系統(tǒng)、軟件設(shè)計模式等。

表1舉例給出了幾個策略示例，為實現(xiàn)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(yōu)先級的調(diào)度機制，不提供公平性調(diào)度。雖然不利于低優(yōu)先級的應(yīng)用，但對使命關(guān)鍵的應(yīng)用是有效的，對低優(yōu)先級的應(yīng)用不會造成非常嚴(yán)重的影響，除非遭受戰(zhàn)損。因此，極實時應(yīng)用將極少部署到TSCEI的計算環(huán)境節(jié)點中，這樣當(dāng)運行平臺處于降級模式時(如戰(zhàn)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(gòu)的物理配置對應(yīng)用是不可見的，透明性高低決定了應(yīng)用與平臺分離的能力，決定了應(yīng)用開發(fā)的難度和周期。透明意味著功能的分布屬性對應(yīng)用是隱藏的，也就是說應(yīng)用似乎運行在一個單處理器平臺之上，應(yīng)用開發(fā)者將主要精力集中于應(yīng)用的功能性。TSCEI提供透明性，TSCEI在設(shè)計體系架構(gòu)時就考慮了訪問和位置透明性(不會有顯式的通信，應(yīng)用不關(guān)心系統(tǒng)的拓?fù)?、并發(fā)透明性(多個應(yīng)用可同時訪問共享數(shù)據(jù))、復(fù)制透明性(復(fù)制不關(guān)應(yīng)用)、故障透明性(故障發(fā)生對應(yīng)用透明)、遷移透明性(跨平臺運行)、性能透明性(系統(tǒng)配置對應(yīng)用透明)、數(shù)據(jù)存留透明性(數(shù)據(jù)儲存的存儲設(shè)備應(yīng)用無需知道)、技術(shù)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(wù)質(zhì)量約束(不同的服務(wù)指派不同的服務(wù)質(zhì)量值)和政策約束(有些服務(wù)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(fā)性支持方面，TSCEI提供服務(wù)，通過內(nèi)建的同步機制，支持多個應(yīng)用訪問共享數(shù)據(jù)和對象，如對象狀態(tài)分發(fā)服務(wù)、持續(xù)性關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)、內(nèi)存關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)和元數(shù)據(jù)框架服務(wù)；在復(fù)制透明性支持方面，基礎(chǔ)設(shè)施資源管理器IRM和軟件管理器SWM控制所有軟件的復(fù)制，應(yīng)用不知道有多少個副本，但應(yīng)用知道它們是當(dāng)前的主設(shè)備且負(fù)責(zé)復(fù)制它們的狀態(tài)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(wù)實現(xiàn)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(yīng)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(zhí)行時不會產(chǎn)生對硬件的競爭。當(dāng)然，在降級運行時可能存在硬件競爭?；A(chǔ)設(shè)施資源管理器IRM會在降級模式時基于使用優(yōu)先級分配資源，某個應(yīng)用一旦被允許繼續(xù)運行會被分配足夠的資源；在數(shù)據(jù)存留透明性方面，TSCEI通過數(shù)據(jù)管理服務(wù)軟件包實現(xiàn)支持；在技術(shù)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(gòu)予以保證，在該體系結(jié)構(gòu)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(wù)質(zhì)量約束方面，IRM和SWM一起協(xié)調(diào)TSCEI服務(wù)和應(yīng)用的QoS設(shè)置；在政策約束方面，IRM和SWM執(zhí)行資源利用、容錯和其他相關(guān)政策。

2.4服務(wù)質(zhì)量

服務(wù)質(zhì)量(QoS)是指系統(tǒng)提供各種服務(wù)的能力好壞的度量。TSCEI定義了數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)和處理等三種QoS。數(shù)據(jù)QoS，TSCEI有大數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)，流數(shù)據(jù)和采樣數(shù)據(jù)四種數(shù)據(jù)類別，數(shù)據(jù)QoS涉及數(shù)據(jù)定時和數(shù)據(jù)搶占兩個方面；網(wǎng)絡(luò)QoS，涉及全部公共互聯(lián)設(shè)施，包括交換機、路由器、網(wǎng)橋和相關(guān)的軟件、固件和網(wǎng)絡(luò)管理等，網(wǎng)絡(luò)QoS包括網(wǎng)路定時和網(wǎng)絡(luò)錯誤；處理QoS，指調(diào)度處理資源。TSCEI提供QoS協(xié)調(diào)，但不提供真正的端對端的QoS。所謂協(xié)調(diào)，指的是采用COTS產(chǎn)品和硬件提供的各種機制，并在這些機制間進(jìn)行協(xié)調(diào)。

TSCEI采用不同的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫連接支持?jǐn)?shù)據(jù)QoS，內(nèi)存中數(shù)據(jù)用于快速訪問小量的數(shù)據(jù)，永久數(shù)據(jù)庫用于較慢速地訪問大批數(shù)據(jù)，設(shè)置專門數(shù)據(jù)庫連接和數(shù)據(jù)賬戶以控制數(shù)據(jù)QoS；TSCEI采用差異化服務(wù)模型和數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS支持網(wǎng)絡(luò)QoS，差異化服務(wù)模型控制CORBA的原始網(wǎng)絡(luò)包的優(yōu)先級設(shè)定，數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)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(huán)境支持處理QoS，TSCEI中的應(yīng)用通過軟件制定其處理優(yōu)先級，操作環(huán)境在啟動應(yīng)用時用該軟件設(shè)定進(jìn)程優(yōu)先級，而操作環(huán)境內(nèi)部則使用基于優(yōu)先級的調(diào)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(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)地提供使用服務(wù)的能力，是艦船完成使命任務(wù)的前提條件。艦船可生存性包括敏感性、脆弱性和可復(fù)原性。敏感性，指本艦可能被發(fā)現(xiàn)和攻擊的可能性，它是艦船外形、戰(zhàn)術(shù)、威脅、環(huán)境及軟硬殺傷能力的函數(shù)；脆弱性，指本艦?zāi)芰υ谝淮伪还糁斜粨p壞的可能性，它是結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)隔離和冗余、設(shè)備保護的函數(shù)；可復(fù)原性，指本艦?zāi)芰Ρ换謴?fù)的可能性，它與發(fā)生損毀時使資源可用的時間和程度有關(guān)。

對敏感性的改善，TSCEI作為艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件運行的平臺和基礎(chǔ)設(shè)施，它的冗余設(shè)計使得系統(tǒng)具有較高的可用性，同時，TSCEI的硬件可部分降低聲學(xué)和電磁特征，間接降低熱特征；對脆弱性的改善，首先是設(shè)備，設(shè)計的數(shù)據(jù)中心電子模塊集裝箱(EME)物理分區(qū)布置，良好接地，交換機之間通過光纖連接，內(nèi)部線纜被置于管道中并通過濾波器進(jìn)行保護， EME和空氣過濾系統(tǒng)可降低鹽霧對設(shè)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(quán)訪問某個EME，破壞或?qū)υO(shè)備關(guān)機，系統(tǒng)通過失效轉(zhuǎn)移來容忍，同時通過數(shù)據(jù)加密，網(wǎng)絡(luò)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(huán)境作為全艦計算、存儲、傳輸、顯控等應(yīng)用的公共基礎(chǔ)服務(wù)平臺并提供基礎(chǔ)服務(wù)支持，它的應(yīng)用既是重大的技術(shù)創(chuàng)新，同時也為自身的構(gòu)建帶來了挑戰(zhàn)，如何構(gòu)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(yīng)用需求的全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施，在設(shè)計研究過程中，必須從系統(tǒng)頂層根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)特點和應(yīng)用需求設(shè)計出完整的質(zhì)量指標(biāo)體系，并從技術(shù)和管理上采取對策措施實現(xiàn)其質(zhì)量目標(biāo)。

1) 系統(tǒng)全面分析確定服務(wù)需求。服務(wù)對象的功能需求和性能質(zhì)量要求是全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)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(wù)需求，也包括全壽命周期內(nèi)可能的變化需求，同時還要考慮服務(wù)對象現(xiàn)場環(huán)境及接口等條件。

2) 科學(xué)合理確定指標(biāo)體系。全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施作為全艦計算、存儲、傳輸、顯控等應(yīng)用的公共基礎(chǔ)服務(wù)平臺，其本身的功能、性能要求高，必須科學(xué)合理確定其指標(biāo)體系，以完整衡量其質(zhì)量水平。這些質(zhì)量屬性既涉及TSCEI的體系架構(gòu)、基礎(chǔ)硬件軟件等，也涉及應(yīng)用軟件開發(fā)，既要注重TSCEI本身的質(zhì)量，更要注重提供服務(wù)的質(zhì)量。在借鑒美軍全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量屬性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，其指標(biāo)體系主要應(yīng)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(wù)質(zhì)量等方面的指標(biāo)。

3) 突破關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)。全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)復(fù)雜，創(chuàng)新程度高，指標(biāo)體系項目多，交叉性強，實現(xiàn)難度大。要對TSCEI進(jìn)行全面的特性分析研究，確定關(guān)鍵重要特性，采取措施突破各項關(guān)鍵技術(shù)，以實現(xiàn)指標(biāo)體系確定的質(zhì)量目標(biāo)。與此同時，要對服務(wù)對象的需求要求和TSCEI內(nèi)部的構(gòu)架及數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析研究，形成規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，要進(jìn)行技術(shù)和管理風(fēng)險分析，制定相應(yīng)的風(fēng)險管控措施，以使質(zhì)量目標(biāo)實現(xiàn)可見可控。

4) 充分試驗驗證確保質(zhì)量合格。要對全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)和成果進(jìn)行充分的試驗驗證，采取數(shù)字、半實物或?qū)嵨锓抡娣绞竭M(jìn)行試驗，同時還要在服務(wù)使用的環(huán)境下運用，并進(jìn)行獨立的評測，以確保全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的適用性、正確性、可用性等功能性能質(zhì)量得到充分的驗證和確認(rèn)。

4結(jié)語

全艦計算環(huán)境作為一項重大創(chuàng)新技術(shù)在艦艇上的應(yīng)用，既能優(yōu)化艦艇信息系統(tǒng)的設(shè)計，提高資源的使用效率，變革運行組織方式，提高作戰(zhàn)效能，減少使用人員數(shù)量，又能更好地適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步，擴展升級，降低全壽命周期費用，正受到廣泛的重視和關(guān)注。構(gòu)建全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施，既要設(shè)計新的技術(shù)體制架構(gòu)，采用新的開發(fā)方法，也要提出系統(tǒng)完整的質(zhì)量屬性指標(biāo)，同時，研究制定并實施配套的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，加強質(zhì)量管理，以確保全艦計算環(huán)境滿足服務(wù)使用要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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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(tǒng)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