四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 苗 東

通信抗干擾技術(shù)的發(fā)展對(duì)通信對(duì)抗提出了新的要求，隨著常規(guī)通信對(duì)抗手段所取得的作戰(zhàn)效能不斷下降，現(xiàn)有的通信對(duì)抗技術(shù)以及工作模式已不能完全適應(yīng)未來(lái)軍事任務(wù)需求，而分布式通信手段是在性能、成本、功率方面可能取突破的重要方式。本文闡述了通信對(duì)抗系統(tǒng)分布式通信架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

引言

隨著軍民用通信設(shè)備的數(shù)量、類型以及更新速度快速增長(zhǎng)，通信環(huán)境呈現(xiàn)高度復(fù)雜化，動(dòng)態(tài)化特征，對(duì)通信對(duì)抗偵察和干擾手段提出了更高的要求。大型一體化的通信對(duì)抗系統(tǒng)將不同種類，不同用途的偵察設(shè)備，測(cè)向設(shè)備，干擾設(shè)備以及根據(jù)作戰(zhàn)需求定義的各種功能的軟件系統(tǒng)，綜合為一個(gè)通用平臺(tái)，需要通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)中的信息共享，資源互通。

在大型通信對(duì)抗系統(tǒng)中，各個(gè)硬件設(shè)備、軟件模塊以及子系統(tǒng)之間通過(guò)大量的數(shù)據(jù)通信以實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，共同完成偵察、測(cè)向、干擾任務(wù)，因此研究大型通信對(duì)抗系統(tǒng)的通信體系架構(gòu)具有重要意義。結(jié)合開(kāi)放式分布式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想，本文旨在該領(lǐng)域進(jìn)行一定的探索研究。

1.分布式系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)異構(gòu)的工作節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，為用戶提供一種跨網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)支持系統(tǒng)，同時(shí)用戶也可以充分利用網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)工作節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源，整個(gè)過(guò)程對(duì)用戶是完全透明的[1]。其內(nèi)部的各個(gè)軟硬件設(shè)備及其子系統(tǒng)之間通過(guò)大規(guī)模的信息交互和協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，傳遞和處理。目前，分布式系統(tǒng)中的信息交互和協(xié)同工作有多種機(jī)制[2]，主要包括消息傳遞、遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用、共享空間、消息隊(duì)列、發(fā)布訂閱等。

不同的通信機(jī)制比較如表1所示：

表1 分布式通信機(jī)制對(duì)比圖

目前，通信對(duì)抗系統(tǒng)廣泛采用基于socket消息傳遞的通信機(jī)制，其主要存在以下缺點(diǎn)：

（1）單一的通信機(jī)制，難以適應(yīng)復(fù)雜的通信需求；

（2）協(xié)同工作的參與者必須知道彼此在網(wǎng)絡(luò)中的位置才能夠完成通信，缺乏透明性；

（3）協(xié)同工作的參與者通信所使用的通信協(xié)議及設(shè)備多種多樣，缺乏統(tǒng)一的接口支持，缺乏易用性；

（4）當(dāng)有新設(shè)備接入或者更替時(shí)，需要針對(duì)新設(shè)備進(jìn)行一系列的文件重配置和軟件重編譯，使用復(fù)雜，缺乏可擴(kuò)展性。

分布式通信對(duì)抗系統(tǒng)，其核心就是采用相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其分布式數(shù)據(jù)通信方式。

2.中間件技術(shù)及ZeroMQ介紹

2.1 中間件技術(shù)

中間件是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間透明訪問(wèn)的一項(xiàng)主要技術(shù)，它屏蔽了構(gòu)成分布式系統(tǒng)的各個(gè)組成部分之間的硬件環(huán)境、操作系統(tǒng)以及編程語(yǔ)言等差異，為實(shí)現(xiàn)軟件模塊在分布式系統(tǒng)中的即插即用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。

中間件位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間，為分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜的計(jì)算資源提供跨網(wǎng)絡(luò)、跨平臺(tái)的資源共享和互操作。通過(guò)使用中間件，可以達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)各組成部分在物理上分布、邏輯上統(tǒng)一的目的?；谥虚g件的分布式軟件設(shè)計(jì)技術(shù)也是大型系統(tǒng)分布式部署的重要手段和基礎(chǔ)技術(shù)[4]。

針對(duì)通信對(duì)抗系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們采用消息中間件，在分布式計(jì)算環(huán)境中為應(yīng)用程序和系統(tǒng)提供與平臺(tái)無(wú)關(guān)的高效可靠消息傳遞的服務(wù)。

2.2 ZeroMQ介紹

ZeroMQ作為消息中間件的一種，本質(zhì)上為高可靠的異步網(wǎng)絡(luò)通信庫(kù)，為分布式應(yīng)用程序提供了一個(gè)并發(fā)性的技術(shù)框架。其介于應(yīng)用層和傳輸層之間，向下封裝了底層的網(wǎng)絡(luò)通信、線程調(diào)度等，向上為應(yīng)用程序提供API[5]。ZeroMQ以函數(shù)庫(kù)形式存在，對(duì)環(huán)境依賴程度低。其主要特點(diǎn)包括：

（1）跨語(yǔ)言：支持多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言；

（2）跨平臺(tái)：支持Linux，Windows，OS X等；

（3）支持多種通信模式，并支持多種通信模式的組合，形成特定解決方案；

（4）支持多種通信協(xié)議和通信環(huán)境。

3.對(duì)抗系統(tǒng)的分布式通信架構(gòu)

分布式對(duì)抗系統(tǒng)核心為分布式數(shù)據(jù)通信架構(gòu)。分布式數(shù)據(jù)通信架構(gòu)不僅為對(duì)抗系統(tǒng)中各個(gè)硬件設(shè)備、軟件模塊以及各子系統(tǒng)之間的信息交互和協(xié)同工作提供數(shù)據(jù)通信的保證，同時(shí)也根據(jù)通信對(duì)抗系統(tǒng)通信的作戰(zhàn)需求提供高效、透明、可擴(kuò)展、可靠的底層技術(shù)服務(wù)。

根據(jù)分布式對(duì)抗系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信的功能需求和實(shí)際的工程需求，其分布式通信架構(gòu)如圖1所示：

圖1 分布式數(shù)據(jù)通信框架

系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，由三部分組成：注冊(cè)服務(wù)器、消息服務(wù)器以及提供給應(yīng)用層使用的應(yīng)用程序接口。服務(wù)器端包括注冊(cè)服務(wù)器和消息服務(wù)器，客戶端包括應(yīng)用編程函數(shù)庫(kù)。系統(tǒng)使用ZeroMQ作為系統(tǒng)的底層通訊組件，以屏蔽操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。各子系統(tǒng)之間通過(guò)消息進(jìn)行信息交互和協(xié)同工作。

3.1 注冊(cè)服務(wù)器

注冊(cè)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)管理發(fā)送應(yīng)用程序的名稱、IP地址、端口號(hào)等注冊(cè)信息。它記錄了整個(gè)系統(tǒng)中偵察設(shè)備，測(cè)向設(shè)備，干擾設(shè)備等基本信息，主要維護(hù)了兩個(gè)注冊(cè)表：

（1）應(yīng)用程序注冊(cè)表

記錄了系統(tǒng)中所有應(yīng)用程序的名稱、協(xié)議、IP地址、端口號(hào)、通訊協(xié)議等。

（2）消息服務(wù)器注冊(cè)表

記錄系統(tǒng)中所有消息服務(wù)器的參數(shù)、狀態(tài)信息。

注冊(cè)服務(wù)器會(huì)定期向系統(tǒng)中應(yīng)用所有應(yīng)用程序和消息服務(wù)器發(fā)送心跳探測(cè)消息包，以探測(cè)應(yīng)用程序和消息服務(wù)器的運(yùn)行裝備，并更新注冊(cè)表，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)通信的所有參與者的監(jiān)控，響應(yīng)消息處理，以及捕獲異常。

3.2 消息服務(wù)器

消息服務(wù)器是分布式系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)程序，主要負(fù)責(zé)子系統(tǒng)中應(yīng)用程序發(fā)送和接收通道的建立/銷毀，消息的發(fā)送/接收。一個(gè)消息服務(wù)器可以服務(wù)多個(gè)應(yīng)用程序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和其他的消息服務(wù)器、注冊(cè)服務(wù)器進(jìn)行通訊。

消息服務(wù)器由ZeroMQ函數(shù)通信庫(kù)、連接管理程序、消息存儲(chǔ)程序、消息轉(zhuǎn)發(fā)程序四部分組成。

（1）ZeroMQ通信庫(kù)

利用中間件ZeroMQ在Socket API之上進(jìn)行封裝，將網(wǎng)絡(luò)通訊、進(jìn)程通訊等抽象為統(tǒng)一接口。

（2）連接管理程序

連接管理程序是消息服務(wù)器的關(guān)鍵部分。所有系統(tǒng)中參與工作的應(yīng)用程序都需要和連接管理程序進(jìn)行連接，連接管理程序?qū)⒏鶕?jù)應(yīng)用程序的基本信息（如通信模式、IP、端口等）與注冊(cè)服務(wù)器進(jìn)行交互。其主要功能包括：

管理本子系統(tǒng)中程序的狀態(tài)和連接方式；調(diào)用ZeroMQ通信庫(kù)建立數(shù)據(jù)連接通道；

向注冊(cè)服務(wù)器發(fā)送相關(guān)信息以及發(fā)送應(yīng)用程序消息定位信息；

為接收應(yīng)用程序監(jiān)聽(tīng)來(lái)自注冊(cè)服務(wù)器的消息定位更新信息。

（3）消息存儲(chǔ)程序

消息存儲(chǔ)程序主要對(duì)本子系統(tǒng)消息服務(wù)器所發(fā)送的消息進(jìn)行本地化存儲(chǔ)[6]。

（4）消息轉(zhuǎn)發(fā)程序

調(diào)用ZeroMQ通信庫(kù)，使用連接管理程序進(jìn)行消息的發(fā)送和接收。

3.3 應(yīng)用程序接口（API）

應(yīng)用程序接口主要提供給用戶使用，以搭建應(yīng)用層程序，而不需要關(guān)心具體的通信過(guò)程。應(yīng)用程序接口采用ZeroMQ進(jìn)行了封裝，并對(duì)ZeroMQ通信庫(kù)進(jìn)行了相應(yīng)的擴(kuò)展[7]。應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用API，即可實(shí)現(xiàn)接收通道的建立和銷毀，消息的發(fā)送和接收等業(yè)務(wù)。

4.系統(tǒng)內(nèi)通信模式

采用該分布式通信架構(gòu)的對(duì)抗系統(tǒng)，根據(jù)中間件提供的特性，主要具有四種數(shù)據(jù)通信方式：

（1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式

該模式主要指使用Socket的數(shù)據(jù)傳輸方式，也是目前通信對(duì)抗系統(tǒng)內(nèi)部廣泛使用的通信方式。系統(tǒng)內(nèi)該模式主要用于新通信架構(gòu)兼容原有通信方式。

（2）發(fā)布/訂閱模式

發(fā)布/訂閱模式主要解決了目前通信對(duì)抗系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)分發(fā)問(wèn)題，同一份數(shù)據(jù)需要提供給多個(gè)子系統(tǒng)。采用發(fā)布/訂閱模式，上層應(yīng)用程序可以非常容易的實(shí)現(xiàn)一對(duì)一、一對(duì)多和多對(duì)多的通信方式。

（3）并行管道模式

當(dāng)子系統(tǒng)中某項(xiàng)功能需要使用其他多個(gè)設(shè)備或子系統(tǒng)的參與處理時(shí)，使用并行管道可以很好的進(jìn)行解決。子系統(tǒng)通過(guò)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，將待處理數(shù)據(jù)以消息流形式發(fā)送出去，多個(gè)接收端分別進(jìn)行處理后，再通過(guò)節(jié)點(diǎn)扇入的方式，進(jìn)行處理結(jié)果的匯總。

（4）請(qǐng)求/應(yīng)答模式

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)子系統(tǒng)和功能模塊需要大量的信息交互和協(xié)同工作時(shí)，可以使用請(qǐng)求/應(yīng)答模式，即一問(wèn)一答的確認(rèn)通信方式。

5.通信消息結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用分布式通信架構(gòu)的通信對(duì)抗系統(tǒng)，其內(nèi)部的信息交互和協(xié)同都是基于消息的。系統(tǒng)內(nèi)消息分為兩種，一種為通信消息，一種為命令消息。

對(duì)于一個(gè)典型的通信對(duì)抗系統(tǒng)，其通信消息類型主要包括：偵察數(shù)據(jù)、控制指令消息、任務(wù)通知消息、數(shù)據(jù)處理系消息等。消息體內(nèi)部又包含參數(shù)配置、通信協(xié)議、任務(wù)描述參數(shù)等內(nèi)容。

命令消息主要包括注冊(cè)服務(wù)器，消息服務(wù)器之間的同步，交互，數(shù)據(jù)傳遞，心跳控制等指令，為了有所區(qū)分，我們稱之為命令消息。

我們分析相應(yīng)的控制需求，要求其命令消息具有以下內(nèi)容：

目的地：表明命令消息的目的，即接受者地址；

消息服務(wù)器ID：發(fā)送此消息的消息服務(wù)器ID；

注冊(cè)服務(wù)器ID：發(fā)送此消息的注冊(cè)服務(wù)器ID；

命令類型：發(fā)送命令的類型：如控制指令、心跳數(shù)據(jù)、注冊(cè)指令等；

內(nèi)容：表示該命令發(fā)送的內(nèi)容；

通信模式：表示此消息發(fā)送的通信模式。

6.結(jié)論

通信對(duì)抗系統(tǒng)的分布式通信架構(gòu)，能夠?qū)⒐δ芟鄬?duì)獨(dú)立的設(shè)備，功能模塊關(guān)聯(lián)起來(lái)，形成模塊化、通用一體化的體系結(jié)構(gòu)，能夠有效的解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中設(shè)備資源分配不均衡、數(shù)據(jù)資源無(wú)法共享的問(wèn)題。采用基于消息中間件系統(tǒng)通信架構(gòu)，使裝備在應(yīng)用開(kāi)發(fā)及維護(hù)具有透明性、易用性，同時(shí)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以適應(yīng)各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信模式。本文旨在拋磚引玉，基于分布式通信架構(gòu)的通信對(duì)抗系統(tǒng)的有關(guān)問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。