一种分布式作战系统数据采集模型

第2期第6卷第2期圆园11年4月中国舰船研究ChineseJournalofShipResearch灾燥造.6No.2Apr.圆园11doi院10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.012员引言随着以信息技术为代表的新技术在海军舰载作战系统领域的应用袁舰载作战系统的体系结构由早期的以点对点为主转变为以双冗余交换式以太网为主袁网络负载越来越大袁体系结构越来越复杂遥为保证作战系统网络的正常运行袁须采取有效的手段与措施来监测作战系统网络的状态袁这就需要对作战系统网络数据进行全面采集遥而完成对作战系统网络数据的全面采集袁也是定性分析作战系统效能和作战系统全系统测试的基础袁因此袁有必要对分布式作战系统的数据采集方法进行研究遥早期的作战系统集成度较低袁以分散控制为主袁作战系统各分系统尧设备间数据的采集需针对特定通道袁通过专门的设备或仪器才能实现袁在这种情况下袁要实现全系统数据的同步采集不易实现遥而随着计算机及网络等新技术的广泛应用袁作战系统各分系统尧设备可通过网络组成一个复杂的分布式系统袁使得作战系统数据的全面实时采集成为可能遥作战系统技术在国外发展很快袁各海军强国非常重视作战系统的数据采集遥著名的宙斯盾作战系统中就有专门的分系统要要要酝运员战备检测系统渊韵砸栽杂冤袁由它来完成作战系统数据检测和状态监视等任务咱员暂遥韵砸栽杂系统由小型计算机和显控台组成袁与作战系统的各主要子系统相连袁以获取作战系统全系统有关数据袁实时监视作战系统状态遥一种分布式作战系统数据采集模型魏胜杰谢伟秦克谭显春中国舰船研究设计中心袁湖北武汉源猿园园远源摘要院为实现分布式舰载作战系统状态监测袁需要研究分布式系统数据采集的一般技术遥首先研究分析了分布式系统的特性及常见模型袁讨论了作战系统数据采集的技术难点袁并在此基础上袁通过结合作战系统分布式网络的特点袁提出了一个通用的数据采集模型遥基于该模型开发的数据采集系统已应用于新型舰载作战系统上袁较好地解决了作战系统网络的数据采集分析问题遥关键字院分布式系统曰舰载作战系统曰数据采集中图分类号院U674.703.5文献标志码院粤文章编号院员远苑猿原猿员愿缘渊圆园11冤园2原61原园4A阅葬贼葬粤糟择怎蚤泽蚤贼蚤燥灶酝燥凿藻造枣燥则阅蚤泽贼则蚤遭怎贼藻凿杂澡蚤责遭燥葬则凿悦燥皂遭葬贼杂赠泽贼藻皂泽宰藻蚤杂澡藻灶早原躁蚤藻载蚤藻宰藻蚤匝蚤灶运藻栽葬灶载蚤葬灶原糟澡怎灶悦澡蚤灶葬杂澡蚤责阅藻增藻造燥责皂藻灶贼葬灶凿阅藻泽蚤早灶悦藻灶贼藻则袁宰怎澡葬灶源猿园园远源袁悦澡蚤灶葬粤遭泽贼则葬糟贼院陨灶燥则凿藻则贼燥皂燥灶蚤贼燥则贼澡藻泽澡蚤责遭燥葬则凿糟燥皂遭葬贼泽赠泽贼藻皂袁凿蚤泽贼则蚤遭怎贼藻凿凿葬贼葬葬糟择怎蚤泽蚤贼蚤燥灶贼藻糟澡灶燥造燥早赠蚤泽泽贼怎凿蚤藻凿援We葬灶葬造赠扎藻贼澡藻枣藻葬贼怎则藻泽葬灶凿糟燥皂皂燥灶皂燥凿藻造泽燥枣贼澡藻凿蚤泽贼则蚤遭怎贼藻凿泽赠泽贼藻皂燥枣泽澡蚤责遭燥葬则凿糟燥皂遭葬贼泽赠泽鄄贼藻皂泽葬泽憎藻造造葬泽贼藻糟澡灶蚤糟葬造糟澡葬造造藻灶早藻泽枣燥则凿葬贼葬葬糟择怎蚤泽蚤贼蚤燥灶援悦燥皂遭蚤灶蚤灶早憎蚤贼澡贼澡藻枣藻葬贼怎则藻泽燥枣凿蚤泽贼则蚤遭怎贼藻凿灶藻贼鄄憎燥则噪燥枣糟燥皂遭葬贼泽赠泽贼藻皂泽袁葬糟燥皂皂燥灶皂燥凿藻造枣燥则凿葬贼葬葬糟择怎蚤泽蚤贼蚤燥灶蚤泽责则藻泽藻灶贼藻凿援月葬泽藻凿燥灶贼澡蚤泽皂燥凿藻造袁葬凿葬贼葬葬糟择怎蚤泽蚤贼蚤燥灶泽赠泽贼藻皂澡葬泽遭藻藻灶凿藻增藻造燥责藻凿贼燥蚤灶贼藻早则葬贼藻憎蚤贼澡灶藻憎贼赠责藻燥枣泽澡蚤责遭燥葬则凿糟燥皂遭葬贼泽赠泽贼藻皂援栽澡e泽赠泽贼藻皂糟葬灶泽葬贼蚤泽枣葬糟贼燥则蚤造赠枣怎造枣蚤造造贼澡藻则藻择怎蚤则藻皂藻灶贼泽枣燥则凿葬贼葬葬糟择怎蚤泽蚤贼蚤燥灶蚤灶贼澡藻藻灶增蚤则燥灶皂藻灶贼燥枣糟燥皂遭葬贼泽赠泽贼藻皂灶藻贼鄄憎燥则噪援运藻赠憎燥则凿泽院凿蚤泽贼则蚤遭怎贼藻凿泽赠泽贼藻皂曰泽澡蚤责遭燥葬则凿糟燥皂遭葬贼泽赠泽贼藻皂曰凿葬贼葬葬糟择怎蚤泽蚤贼蚤燥灶收稿日期院圆园10-02-22基金项目院海军装备预研项目渊员园员园员园愿园员园圆园员冤作者简介院魏胜杰渊员怨75原冤袁男袁硕士袁工程师遥研究方向院舰载作战系统设计及相关设备研制遥耘鄄皂葬蚤造院[e-mail]谢伟渊员怨69原冤袁男袁研究员袁博士生导师遥研究方向院舰载信息系统优化遥耘鄄皂葬蚤造院[e-mail]第6卷中国舰船研究德国海军也装备了舰艇作战系统评估和数据录取系统咱圆暂袁其主要功能包括院实时全面收集作战系统的数据曰数据的在线显示和快速分析以及事后数据评估功能曰战术行动及相关态势的重演遥根据录取到的数据袁该系统还能分析全系统性能的能力渊从传感器到武器冤袁完成全系统间通信数据的录取袁甚至能提取尧分析特定子系统内部的数据遥该系统已在德海军的驱逐舰及护卫舰上推广使用遥同时袁法国海军也开始装备该系统遥2分布式系统概念与模型一般而言袁一个分散式系统的各组成部件之间存在着紧密合作袁就是分布式系统咱猿暂袁分布式系统意味着计算的成本或性能取决于数据和控制的通信遥常见的分布式系统模型主要包括杂糟澡则燥藻凿藻模型尧郧藻燥则早藻悦燥怎造燥怎则蚤泽模型和耘灶泽造燥憎模型等遥杂糟澡则燥藻凿藻模型咱源暂分布式系统的主要特征包括院系统包括多处理单元曰系统内硬件互连曰各处理单元的故障无关并实现状态共享遥郧藻燥则早藻悦燥怎造燥怎则蚤泽模型咱缘暂认为一个分布式系统就是由一系列通过网络互联的节点袁各节点通过消息通信并协调其动作遥耘灶泽造燥憎模型咱远暂认为分布式系统可以用硬件尧控制尧数据这3个维度加以检验袁并可用下式形象表示院分布式系统越分布式硬件垣分布式控制垣分布式数据耘灶泽造燥憎模型示意图如图员所示遥除上述经典的分布式系统模型外袁目前还有一些常用的分布式系统模型袁其模型结构如图圆所示遥这类分布式系统是包括一系列自治处理单元渊孕耘冤的系统袁每个孕耘有各自的物理存储器空间并且信息传输延迟不能忽略不计遥在这些孕耘间有紧密的合作袁系统必须支持任意数量的进程和孕耘的动态扩展遥综上所述袁下一个分布式系统通常由一系列进程渊逻辑资源冤和一系列的处理单元渊物理资源冤组成袁系统间各进程以一种合作的方式交互袁通过消息进行通信袁且通信延迟不可忽略遥3分布式作战系统数据采集3援员数据采集目的通常袁网络数据的采集目的是为了掌握深层次的网络信息袁了解网络状况袁监测网络异常等遥概括地讲袁网络系统数据采集的目的包括网络故障侦测和分析尧网络攻击侦测和分析尧网络应用历史数据分析尧制定网络配置和扩展计划遥作战系统网络是全舰各武器系统尧设备通信的基本架构袁是作战系统发挥其效能的基础袁因此袁作战系统网络数据的采集袁除了要实现上述目标外袁更重要的是袁通过对数据的在线处理和事后分析袁可实时监测作战系统状态袁定量分析作战系统试验效果袁昀终实现定量分析和全面评估作战系统能力的目的遥3援圆技术难点分布式作战系统网络数据采集的主要技术难点包括院1冤复杂网络结构下的稳定抓包技术遥作战系统网络体系结构应在商业技术的基础上袁根据实际应用环境改进遥目前袁普遍采用员园辕员园园辕员园园园兆自适应双冗余网络遥有的网络体系结构还根据网络规模采用了野核心交换机垣接入交换机冶的网络结构袁体系结构更为复杂遥作战系统数据的录取必须要能保证数据录取的全面性和完整性袁这样才能确保事后分析的可信遥要完整描述网络数据野包冶袁必须具备如下内容院源陨孕地址尧目的陨孕地址尧源端口尧目的端口尧应用协议袁因此袁记录的每帧报文至少应包括这些信息遥一般情况下袁应用采用了野杂收冶的模式来记录网络报文袁但这种方式本质上还是基于中断的袁在大流量网络下袁还是会存在网络丢包现象袁因此必须采取相应的措施以保证数据的可靠录取遥2冤网络分析遥网络数据的分析包括院渊1冤在线数据解析遥主要是对作战系统应用图员耘灶泽造燥憎模型示意图Fig.1Modelof耘灶泽造燥憎硬件分散控制分散数据分散图圆分布式系统物理结构图Fig.2Architectureofadistributedsystem处理单元处理单元网络处理单元处理单元62第2期数据的解析遥作战系统网络数据分析与通用商业网络数据分析的一个重要的不同之处在于袁前者重点分析应用层的数据袁即针对每个分系统渊设备冤之间的通信制定的私有通信协议进行分析遥因此袁必须有一种通用的尧与协议无关的数据解析方法来将每帧报文解析为易懂的文本数据或对应的物理遥渊2冤网络应用评估遥主要针对网络应用报文的分布尧作战系统信息的分类等情况进行分析袁以协助指挥人员掌握网络应用情况遥渊3冤网络安全性评估遥主要是利用数据评估网络的安全特性遥3冤数据存储遥应能保证高速网络数据的实时尧可靠存储袁需要考虑存储的介质尧容量等遥在实际应用中袁除保证数据在录取时实时存储外袁还要考虑到诸如断电等异常情况下数据的存储遥一般采用异步存盘的方式进行数据存储遥3援猿数据采集模型对于分布式系统数据采集袁许多学者进行了相关研究袁如文献咱苑-愿暂提出的相关方法袁同时袁不少商业公司袁如粤早蚤造藻灶贼袁云造怎噪藻等也推出了众多网络协议分析仪等应用工具遥但这些方法和仪器等均是立足于工业应用袁还不能完全满足作战系统网络环境下数据的采集需要遥作战系统网络与一般网络环境有着较大差别遥在网络结构上袁作战系统网络更注重网络的可靠性和容错性袁为此袁采用了双冗余网络体系袁使网络应用的实时性等要求更高袁且在进行网络数据采集时袁其不能对网络应用环境产生任何干扰遥为满足作战系统网络环境下数据采集的需要袁针对作战系统分布式网络结构特点袁给出了作战系统网络环境下的一种数据采集模型袁如图猿所示遥图猿作战系统数据采集模型Fig.3Dataacquisitionmodelforcombatsystem数据采集器元数据集任务类时间服务实体类协议类标准数据集数据发布数据库文件报表采集规则处理规则该模型的基本思想是袁将作战系统网络中的各实体抽象出来袁结合作战系统的应用需求尧数据解析尧分析需求及实时性要求袁建立一个通用模型遥对模型中的主要元素类介绍如下院1冤实体类遥对网络中的实体进行抽象袁可以是路由器尧主机等物理设备袁也可以是服务和应用软件等逻辑实体遥实体是网络数据采集的对象袁不同的实体具有不同的特性袁其数据采集方式也有差异袁实体元素则把这些特性统一封装了起来遥2冤协议类遥网络各实体对象对所使用通信协议的抽象袁通信协议是网络数据采集的重要工具遥3冤任务类遥对网络数据采集处理过程进行抽象遥过程对象的属性包括采集对象尧采集使用协议尧采集数据处理方式和采集数据保存方式遥其中采集对象是实体元素的实例袁采集使用协议表明使用的通信协议袁采集数据的处理和保存则表明数据所需要的进一步的处理遥4冤时间服务类遥对网络时间进行抽象袁时间服务是网络时间的抽象表示遥在分布式系统中袁数据采集时袁各网络实体尧任务应基于一个全网络的统一时间遥5冤其它元素遥其它对象包括数据采集器尧元数据尧标准数据等遥其中袁数据采集器负责采集网络中各种格式的通信数据袁这些数据经过解析规则的处理后生成元数据集曰元数据集经过处理规则的处理后成为标准数据集遥标准数据已经可以满足网络应用的需求袁再经过数据发布袁标准数据便以文件尧报表尧数据库等形式提供给其它应用遥网络数据的采集可根据相关规则实现咱怨-员园暂遥根据以上模型袁在进行网络数据采集分析时袁重要的是先建立一系列处理规则袁这些规则包括数据采集规则尧数据解析规则尧数据处理规则尧数据转发规则等袁然后根据相应的规则实现指定任务遥在作战系统数据采集过程中袁规则的语义描述可类似为院砸怎造藻喳陨灶责怎贼曰辕辕任务所需要的输入信息魏胜杰等院一种分布式作战系统数据采集模型63第6卷中国舰船研究悦燥灶凿蚤贼蚤燥灶曰辕辕触发任务的逻辑条件砸藻泽怎造贼曰辕辕执行结果札遥3援源应用将上述模型应用到某型舰的作战系统网络数据采集处理分析系统中袁取得了良好的效果遥首先袁为满足作战系统数据采集的需要袁建立了如下规则院1冤确定采集对象袁建立采集规则院陨灶责怎贼院采集对象越所有网络节点曰悦燥灶凿蚤贼蚤燥灶院采集协议越哉阅孕曰砸藻泽怎造贼院采集指定对象使