美軍戰(zhàn)術(shù)云計(jì)算應(yīng)用研究

程賽先

(江蘇自動(dòng)化研究所, 江蘇 連云港 222061)

美軍戰(zhàn)術(shù)云計(jì)算應(yīng)用研究

程賽先

(江蘇自動(dòng)化研究所, 江蘇 連云港 222061)

云計(jì)算在商業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用研究近年來也正在拓展。但在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中,云計(jì)算的應(yīng)用還存在一些問題。本文列舉了美軍在研的四種類型的戰(zhàn)術(shù)云及其適用場(chǎng)景，并詳細(xì)研究了戰(zhàn)術(shù)小云的體系結(jié)構(gòu)，小云供應(yīng)模式以及小云的發(fā)現(xiàn)協(xié)議等內(nèi)容，最后分析了美軍戰(zhàn)術(shù)云計(jì)算的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。

戰(zhàn)術(shù)云; 云計(jì)算; 美軍

云計(jì)算即互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算。它的名稱來源于網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)鋱D中常被表示成一朵云的形狀。從本質(zhì)上講,云計(jì)算是一種動(dòng)態(tài)分配共享資源的高擴(kuò)展性計(jì)算模型。通過隨需提供軟件和硬件,云計(jì)算實(shí)現(xiàn)了計(jì)算的服務(wù)化。

戰(zhàn)術(shù)云計(jì)算是指利用云計(jì)算技術(shù)和方法支持存續(xù)時(shí)間較短信息的本地化訪問和本地化處理需求。戰(zhàn)術(shù)云可以簡(jiǎn)單地定義為戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中可用的云計(jì)算能力。

1 戰(zhàn)術(shù)云的類型

戰(zhàn)術(shù)云有四種不同類型,分別是集中式戰(zhàn)術(shù)云、非集中式戰(zhàn)術(shù)云、小云和微云,它們適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景,見圖1。

1)集中式戰(zhàn)術(shù)云。集中式戰(zhàn)術(shù)云是云計(jì)算的原始形態(tài),提供企業(yè)級(jí)服務(wù)。通常部署于后方指揮部、主作戰(zhàn)基地或海軍基地內(nèi)。既可被本地設(shè)備訪問,也可被遠(yuǎn)程設(shè)備訪問。移動(dòng)設(shè)備通過無線接入點(diǎn)或4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)訪問,前沿作戰(zhàn)基地或航母打擊群則通過遠(yuǎn)程通信鏈路訪問。它可以處理巨量且不斷增加的情報(bào)偵察監(jiān)視數(shù)據(jù)。2003年以來,美國防部、各軍種所屬數(shù)據(jù)中心陸續(xù)開展了大規(guī)模的合并融合。由于云計(jì)算技術(shù)的興起,在融合和建設(shè)過程中大量采用了云計(jì)算技術(shù),構(gòu)成了若干集中式戰(zhàn)術(shù)云計(jì)算中心。集中式戰(zhàn)術(shù)云可以跨多個(gè)地理位置、多個(gè)數(shù)據(jù)中心。目前集中式戰(zhàn)術(shù)云的非密、機(jī)密和絕密等安全域要分別實(shí)現(xiàn)。

美國防機(jī)構(gòu)過去排他性地使用了常規(guī)數(shù)據(jù)中心來提供企業(yè)服務(wù)。如果使用集中式戰(zhàn)術(shù)云,可以大幅降低成本、增強(qiáng)系統(tǒng)部署靈活性、解決數(shù)據(jù)的爆炸性增長(zhǎng)帶來的計(jì)算需求問題。

2)非集中式戰(zhàn)術(shù)云。非集中式戰(zhàn)術(shù)云通常部署在前沿作戰(zhàn)基地或艦艇上。基地或艦艇附近的系統(tǒng)和設(shè)備可以直接訪問該云。非集中式戰(zhàn)術(shù)云的計(jì)算和冷卻設(shè)備安裝在一個(gè)單獨(dú)集裝箱內(nèi),易于部署。除了規(guī)模較小外,在很多方面與集中式戰(zhàn)術(shù)云相似。非集中式戰(zhàn)術(shù)云通常都是自給式獨(dú)立系統(tǒng),無須依靠遠(yuǎn)程通信鏈路,作戰(zhàn)人員在本地處理情報(bào)偵察監(jiān)視數(shù)據(jù),分析師在本地分析情報(bào)數(shù)據(jù)。

雖然非集中式戰(zhàn)術(shù)云解決不了遠(yuǎn)程通信鏈路的不確定性問題,但它通過本地處理、本地信息訪問和本地決策,降低了不良影響。

(圖例中，LAV:輕型裝甲車； FOB:前沿作戰(zhàn)基地； MOB:主作戰(zhàn)基地； HQ:總指揮部； NB:海軍基地； CVBG:航母打擊群； UAV:無人機(jī))圖1 戰(zhàn)術(shù)云的四種類型和適用場(chǎng)景

3)小云:小云是“盒子里的數(shù)據(jù)中心”,通常部署在戰(zhàn)車上。小云允許作戰(zhàn)人員將隨身攜帶設(shè)備的處理和存儲(chǔ)能力卸載到小云上,從而擴(kuò)展移動(dòng)設(shè)備的能力,延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。通過車載自組織網(wǎng)(VANET)將小云互聯(lián),可使最終的處理和存儲(chǔ)能力倍增。車載自組織網(wǎng)是由車輛構(gòu)成的自組織網(wǎng)。自組織網(wǎng)的含義是,車輛隨著它們進(jìn)入和遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)的有效范圍而自動(dòng)加入和離開該網(wǎng)絡(luò)。

4)微云:微云是指運(yùn)行在資源有限的移動(dòng)設(shè)備上的云計(jì)算能力。微云為了共享、處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù),通過移動(dòng)自組織網(wǎng)(MANET)通信。移動(dòng)自組織網(wǎng)是一種無基礎(chǔ)設(shè)施、通過無線互聯(lián)的可自配置移動(dòng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。VANET與MANET在多個(gè)方面具有相同的屬性,但在機(jī)動(dòng)性和受限設(shè)備兩個(gè)重要方面有所不同。人員的機(jī)動(dòng)性比車輛要小得多,MANET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會(huì)遭受VANET那樣的變動(dòng)程度。MANET中,個(gè)人所能攜帶的移動(dòng)設(shè)備擁有的計(jì)算能力要小得多,而車輛則可以裝載更為強(qiáng)大的計(jì)算設(shè)施。

微云是作戰(zhàn)人員隨身攜帶的移動(dòng)設(shè)備上的云資源組成的。通過MANET可增強(qiáng)計(jì)算和存儲(chǔ)能力。臨近的移動(dòng)設(shè)備以協(xié)同的方式進(jìn)行分布式計(jì)算,以解決單個(gè)移動(dòng)設(shè)備難以獨(dú)自解決的問題。不過由于網(wǎng)絡(luò)傳輸期間消耗的能量通常比本地處理消耗的能量高數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí),在本地處理數(shù)據(jù)比在設(shè)備之間傳輸效率更高,因此微云只在某些情形下才可行。

微云提供了在戰(zhàn)術(shù)邊緣處理數(shù)據(jù)的能力,并基于數(shù)據(jù)處理的結(jié)果立即采取行動(dòng)。但由于移動(dòng)設(shè)備處理和存儲(chǔ)能力有限,它們并不適合復(fù)雜的計(jì)算和大量的處理。微云有助于處理任務(wù)在參與節(jié)點(diǎn)間的分發(fā)。同小云節(jié)點(diǎn)加入VANET一樣,微云節(jié)點(diǎn)通過加入MANET而成為其中一員,實(shí)際上延伸了該節(jié)點(diǎn)的有效作用距離,這就是網(wǎng)絡(luò)的延伸和倍增作用。

在這四種戰(zhàn)術(shù)云中,集中式戰(zhàn)術(shù)云功能最全,性能最強(qiáng)。它擁有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心所有的企業(yè)計(jì)算能力,能夠提供傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心所有的企業(yè)級(jí)服務(wù)。集中式戰(zhàn)術(shù)云一般部署在后方重要的固定軍事設(shè)施和軍事基地內(nèi),它提供的計(jì)算資源池,通常位于一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)中心。池中的資源都是經(jīng)過抽象的,通過分配或回收計(jì)算資源的方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算的動(dòng)態(tài)化。集中式戰(zhàn)術(shù)云是非常理想的戰(zhàn)術(shù)云計(jì)算設(shè)施。如果能從任何位置、在任何時(shí)間訪問集中式戰(zhàn)術(shù)云,就不會(huì)有對(duì)其他類型的戰(zhàn)術(shù)云的需求了。戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下，由于作戰(zhàn)條件、通信技術(shù)或帶寬等因素的限制,集中式戰(zhàn)術(shù)云并不總是可以訪問的。因此提供功能相似但規(guī)模較小、性能稍遜的其他形式的戰(zhàn)術(shù)云就非常必要了。

非集中式戰(zhàn)術(shù)云、小云和微云都是基于集中式戰(zhàn)術(shù)云同樣的技術(shù),只是在實(shí)現(xiàn)規(guī)模上有所不同。非集中式戰(zhàn)術(shù)云既包含計(jì)算功能,又包含冷卻功能。

小云在規(guī)模上比集中式戰(zhàn)術(shù)云小幾個(gè)數(shù)量級(jí),也比非集中式戰(zhàn)術(shù)云小得多。小云由數(shù)個(gè)運(yùn)行虛擬機(jī)、可被發(fā)現(xiàn)、無狀態(tài)的服務(wù)器組成。其計(jì)算和存儲(chǔ)資源,一般供附近的移動(dòng)設(shè)備卸載資源密集的計(jì)算任務(wù)所用。

微云是對(duì)資源有限的移動(dòng)設(shè)備提供的極其有限的云計(jì)算能力的稱呼。微云的可用計(jì)算資源通常比小云低三個(gè)數(shù)量級(jí)。

2 戰(zhàn)術(shù)小云

小云是一種在接入受限的環(huán)境中使用云計(jì)算的方法,由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究所(SEI)首倡?？梢园研≡埔暈橐苿?dòng)用戶附近資源豐富的可信計(jì)算機(jī)或盒子里的數(shù)據(jù)中心,其實(shí)質(zhì)是將云計(jì)算就近部署在用戶周圍,以降低網(wǎng)絡(luò)延遲和能源消耗。該方法綜合運(yùn)用了云計(jì)算技術(shù)和移動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),在缺少連通性的環(huán)境中,可以高效地提供任務(wù)能力。

小云的計(jì)算和存儲(chǔ)資源,相當(dāng)于移動(dòng)設(shè)備的1000倍以上,移動(dòng)設(shè)備只充當(dāng)瘦客戶端。小云是無狀態(tài)的,在提供服務(wù)之前,需要移動(dòng)設(shè)備提供必要的輸入。小云在物理上就近部署至關(guān)重要,這樣可確保應(yīng)用程序反應(yīng)時(shí)間足夠快和可預(yù)知。就近部署意味著小云離移動(dòng)設(shè)備通常只有一跳,移動(dòng)設(shè)備通過Wifi或短程無線電訪問。由于移動(dòng)設(shè)備利用了附近的小云資源,這種體系結(jié)構(gòu)有時(shí)候又被稱為移動(dòng)云計(jì)算。移動(dòng)云計(jì)算通過無線接入點(diǎn)接入云端的存儲(chǔ)和計(jì)算資源,主動(dòng)感知、動(dòng)態(tài)適應(yīng)作戰(zhàn)環(huán)境的變化,是一種靈活的增強(qiáng)移動(dòng)設(shè)備性能的計(jì)算模型,它是網(wǎng)絡(luò)覓食的一種變體。網(wǎng)絡(luò)覓食這個(gè)術(shù)語來源于一篇 “普存計(jì)算:遠(yuǎn)景和挑戰(zhàn)”的論文,是指通過將資源密集的任務(wù)從資源受限的移動(dòng)設(shè)備上卸載,然后再裝載到相連的數(shù)據(jù)中心上,以增強(qiáng)移動(dòng)設(shè)備能力的做法。網(wǎng)絡(luò)覓食利用外部環(huán)境中資源富有的計(jì)算資源增強(qiáng)資源受限設(shè)備的本身能力有兩種主要形式。一種是計(jì)算卸載,為了延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間增加計(jì)算能力,將計(jì)算密集型應(yīng)用卸載。一種是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn),通過臨時(shí)性的存儲(chǔ)傳輸過程中的數(shù)據(jù),改善移動(dòng)設(shè)備和云端間的數(shù)據(jù)傳輸。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)覓食方案依賴常規(guī)互聯(lián)網(wǎng)接入云端,或者依賴將移動(dòng)用戶與服務(wù)器在部署時(shí)緊耦合的策略。通常需要固定部署,而且依靠多跳網(wǎng)絡(luò)接入云端。而基于小云的網(wǎng)絡(luò)覓食與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覓食不同的是,小云是基于虛擬機(jī)、位于移動(dòng)設(shè)備附近、單跳接入、前沿部署、可發(fā)現(xiàn)的計(jì)算密集型服務(wù)器;可在非鏈接模式下工作;只在需要供應(yīng)應(yīng)用時(shí)才與核心網(wǎng)通信,應(yīng)用靜態(tài)地分成客戶端和服務(wù)器端兩部分,移動(dòng)設(shè)備上只運(yùn)行應(yīng)用的極瘦客戶端。

小云不僅能夠用來處理數(shù)據(jù),還可以存儲(chǔ)已有數(shù)據(jù)供檢索用。小云盡管自身就可以提供某些能力,但是如果將多個(gè)小云互聯(lián)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),則可以放大它的能力。聯(lián)網(wǎng)小云的計(jì)算和存儲(chǔ)能力隨著參與節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增長(zhǎng)而增加,聯(lián)網(wǎng)小云還提供了在各個(gè)參與節(jié)點(diǎn)之間分布式處理/存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。

根據(jù)部署小云的平臺(tái)不同,可以將小云分成陸地云、海上云和機(jī)載云。陸地云是部署在軍用車輛(如LAV)上的小云組成的自組織網(wǎng)。每輛車上的小云可以通過車車網(wǎng)(V2V)或者通過車對(duì)基站(V2I)通信接入固定式通信單元彼此通信。在軍事場(chǎng)景中,路邊通信單元可以提供C2指令、上傳車輛維護(hù)和健康狀態(tài)甚至更新測(cè)繪數(shù)據(jù)。而在民用條件下,VANET利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)已經(jīng)在5.850GHz至5.925GHz的頻段中分配了75MHz的頻譜專門用于情報(bào)傳輸系統(tǒng)(ITS)的短程通信。

海上小云(航母打擊群云)是由部署在同一打擊群內(nèi)的艦艇上的云資源(可以是小云甚至是非集中式戰(zhàn)術(shù)云)構(gòu)成的自組織網(wǎng)。每艘艦艇上的云資源通過V2V網(wǎng)彼此通信。

機(jī)載云是由部署在飛機(jī)(如UAV)上的云資源構(gòu)成的自組織網(wǎng)。每架UAV上的小云通過V2V網(wǎng)甚至通過V2I通信接入地面單元來彼此通信。為了收集地面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù),UAV需與地面?zhèn)鞲衅魍ㄐ?。為了下載處理過的傳感器數(shù)據(jù),它們還與FOB通信。在這兩種情況下,通信鏈路都是帶寬受限的無線網(wǎng)絡(luò),鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定且不可預(yù)知。機(jī)載云與陸地云在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成方面有所不同,機(jī)載云的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為多變。而陸地云的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與可用道路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有趨同的傾向。當(dāng)然對(duì)陸上軍用車輛來說情況并不總是如此。此外機(jī)載環(huán)境使得云設(shè)備在大小、重量和能量方面受限更多。

盡管小云沒有全部解決戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的能力欠缺問題,如不可靠的通信鏈路對(duì)態(tài)勢(shì)感知的不利影響,但它確實(shí)解決了包括ISR數(shù)據(jù)處理在內(nèi)的本地信息處理問題。雖然本地信息處理對(duì)改善前沿作戰(zhàn)的態(tài)勢(shì)感知能力作用有限,但它卻使作戰(zhàn)人員更好的自主作戰(zhàn)成為可能。

2.1 戰(zhàn)術(shù)小云體系結(jié)構(gòu)

為了更好地完成任務(wù),作戰(zhàn)人員正在不斷地增加使用移動(dòng)應(yīng)用,通常執(zhí)行計(jì)算密集型任務(wù),如語言和圖像識(shí)別、自然語言處理、態(tài)勢(shì)感知增強(qiáng)等。這對(duì)移動(dòng)設(shè)備的電池能力和計(jì)算資源造成了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。不幸的是,戰(zhàn)場(chǎng)位于網(wǎng)絡(luò)邊緣,資源有限而且環(huán)境變化頻繁,網(wǎng)絡(luò)鏈接時(shí)斷時(shí)續(xù)。在這種接入受限的動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,戰(zhàn)術(shù)小云是一種可行的較為理想的提供云計(jì)算能力的技術(shù)途徑?；谔摂M機(jī)的小云可擴(kuò)展性、機(jī)動(dòng)性、靈活性和彈性好,可以顯著增強(qiáng)戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)的生存能力。

當(dāng)前美國防部在小云方面的研究關(guān)注幾個(gè)不同的方向。第一是資助卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究所開展小云及其在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中的應(yīng)用研究;第二是美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)正在進(jìn)行的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET)的研究。

通過讓移動(dòng)設(shè)備接入小云,主動(dòng)感知、動(dòng)態(tài)適應(yīng)作戰(zhàn)環(huán)境的變化,是網(wǎng)絡(luò)覓食的一種變體。目前市場(chǎng)上有多種網(wǎng)絡(luò)覓食系統(tǒng),但各系統(tǒng)在如何利用遠(yuǎn)程資源的策略方面有所不同,如往哪里卸載、何時(shí)卸載、卸載什么等。這些系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)支持代碼卸載和狀態(tài)同步的算法,而較少關(guān)注軟件體系結(jié)構(gòu)和能源效率及性能之外的質(zhì)量屬性,如生存性、彈性、安全性、易部署性等戰(zhàn)術(shù)質(zhì)量屬性?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究所在小云研究方面的重點(diǎn)是開發(fā)戰(zhàn)術(shù)小云的體系結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)所需要的質(zhì)量屬性,從而支持將戰(zhàn)術(shù)小云作為移動(dòng)戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)的一部分進(jìn)行作戰(zhàn)部署。在這些質(zhì)量屬性中,生存性特別是移動(dòng)戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)的生存性是其研究重點(diǎn)。他們認(rèn)為,移動(dòng)戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)的生存性需要快速部署和再部署能力、快速的運(yùn)行時(shí)間,這樣計(jì)算任務(wù)在小云遠(yuǎn)離之前就可執(zhí)行完畢。同時(shí)移動(dòng)戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)還應(yīng)支持小云和數(shù)據(jù)中心之間非連接狀態(tài)下的運(yùn)行。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究所實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)移動(dòng)戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)生存性的基線戰(zhàn)術(shù)小云有如下特點(diǎn):

?將能力作為服務(wù):每一個(gè)虛擬機(jī)(VM)提供一種自包含能力,并公開一個(gè)簡(jiǎn)單接口。小云發(fā)現(xiàn)協(xié)議使用以關(guān)鍵詞表示的元數(shù)據(jù)來通知移動(dòng)設(shè)備小云的可用能力。

?移動(dòng)設(shè)備和小云之間的“請(qǐng)求-響應(yīng)”交互:戰(zhàn)術(shù)小云最適合無狀態(tài)、請(qǐng)求-響應(yīng)、客戶/服務(wù)器交互類應(yīng)用的運(yùn)算卸載。這種類型的交互可以很容易地發(fā)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備和小云之間的通信故障,而且如果需要重啟或遷移運(yùn)算時(shí),對(duì)移動(dòng)設(shè)備的影響最小。

?虛擬機(jī)作為服務(wù)容器:以活動(dòng)用戶的數(shù)量(在作戰(zhàn)邊緣環(huán)境下通常是限定的,因?yàn)樾〗M規(guī)模已知)為基礎(chǔ),VM可以根據(jù)需要啟動(dòng)或停止,從而支持可擴(kuò)展性和彈性。

?小云管理器:一個(gè)輕型、基于Web的與小云服務(wù)器的接口和服務(wù)虛擬機(jī)倉庫可以很容易地實(shí)現(xiàn)能力的部署和重部署。

?標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)虛擬機(jī)包:服務(wù)虛擬機(jī)包可以很容易地從小云管理器、企業(yè)服務(wù)虛擬機(jī)倉庫、U盤或通過USB與小云相連的移動(dòng)設(shè)備來安裝。

?小云優(yōu)選:擴(kuò)展了小云發(fā)現(xiàn)協(xié)議,可以使用來自客戶端應(yīng)用、服務(wù)虛擬機(jī)和小云本身的元數(shù)據(jù)。在有效距離內(nèi)有一個(gè)以上小云的情況下,移動(dòng)設(shè)備自動(dòng)選擇使用效能最大化的小云?；谛≡曝?fù)載、信號(hào)強(qiáng)度或其他參數(shù)來選擇。

?小云的自動(dòng)或手動(dòng)移交:他們正在研究虛擬機(jī)的遷移能力,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)算在相鄰小云間的手動(dòng)或自動(dòng)移交。手動(dòng)移交可實(shí)現(xiàn)將能力從某一固定小云遷移至某一移動(dòng)小云,然后再遷移回該固定小云。自動(dòng)遷移可實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

其戰(zhàn)術(shù)小云原型的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究所下一步將重點(diǎn)研究戰(zhàn)術(shù)小云間的互信。目前的小云依賴網(wǎng)絡(luò)的安全性,即根據(jù)網(wǎng)絡(luò)策略和許可允許移動(dòng)設(shè)備與小云交互。這在很多領(lǐng)域是可以接受的,但是對(duì)戰(zhàn)術(shù)環(huán)境來說還不夠安全。

發(fā)現(xiàn)小云存在是移動(dòng)設(shè)備接入小云的前提。目前小云的發(fā)現(xiàn)過程是：運(yùn)行在小云上的發(fā)現(xiàn)服務(wù)建立小云服務(wù),移動(dòng)設(shè)備運(yùn)用Multicast DNS協(xié)議查詢小云服務(wù)是否存在。但Multicast DNS協(xié)議并不安全,因此要在小云的實(shí)現(xiàn)方案中嵌入安全措施,從一開始就在移動(dòng)設(shè)備和小云之間建立互信關(guān)系。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)建立互信的通用方案是使用一種在線的第三方信任授權(quán)來驗(yàn)證請(qǐng)求方的證書或證書庫,但戰(zhàn)術(shù)環(huán)境并不能持續(xù)提供對(duì)第三方授權(quán)或證書庫的訪問。因此研究在無連接環(huán)境中建立互信實(shí)體的解決方案,用于兩個(gè)或更多計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間、任何形式的可信通信至關(guān)重要。

2.2 小云的發(fā)現(xiàn)

服務(wù)是指任何能被終端用戶或過程使用的硬件或軟件特征,戰(zhàn)術(shù)小云的硬件和軟件能力被包裝成服務(wù),因此小云的發(fā)現(xiàn)實(shí)質(zhì)是小云所能提供的服務(wù)的發(fā)現(xiàn)。隨著計(jì)算向以網(wǎng)絡(luò)為中心的模式的轉(zhuǎn)移,尋找和利用網(wǎng)絡(luò)上的可用服務(wù)變得越來越重要。可被發(fā)現(xiàn)是小云區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覓食的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn),也是小云被附近移動(dòng)設(shè)備卸載計(jì)算和暫存數(shù)據(jù)的前提條件。快速的發(fā)現(xiàn)、優(yōu)選和安全地連接附近小云的能力,是戰(zhàn)術(shù)小云的重要能力。

圖2 戰(zhàn)術(shù)小云體系結(jié)構(gòu)

目前常用的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有Sun公司的JINI、標(biāo)準(zhǔn)化組織IETF的SLP、微軟公司的UPnP和蘋果公司的Bonjour等。這些服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議正在成為中間件的核心部分,促進(jìn)了基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

發(fā)現(xiàn)是一種動(dòng)態(tài)引用網(wǎng)絡(luò)資源的機(jī)制。對(duì)服務(wù)發(fā)現(xiàn)來說,通常使用兩種核心機(jī)制:多播發(fā)現(xiàn)和單播查詢。多播報(bào)文用于客戶側(cè)反應(yīng)性的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn),和服務(wù)器側(cè)主動(dòng)的服務(wù)公告。因?yàn)槭褂昧随溌繁镜叵鬟f機(jī)制,當(dāng)前多播報(bào)文通常局限于單跳操作。單播消息傳遞用于連接已知的特定服務(wù)目錄,目錄中包含了網(wǎng)絡(luò)上可用的其他服務(wù)的查詢表。服務(wù)目錄一般用在集中式或聯(lián)邦式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,通常首先被發(fā)現(xiàn)。有的服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議支持多播和單播的結(jié)合。Jxta、Bonjour、Zeroconf、Jini 和SLP都支持某種形式的多播。

UPnP、Jini、SLP、Bonjour等都是基于IP的第三層服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議。為了使用這些協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須先有一個(gè)鏈路層連接來監(jiān)聽其他設(shè)備的多播報(bào)文。對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)來說,這是一個(gè)隱含過程,因?yàn)樵撛O(shè)備插入局域網(wǎng)時(shí)鏈路層連接就自然建立了。但是在戰(zhàn)術(shù)邊緣,無線通信常常是唯一手段。與有線網(wǎng)絡(luò)不同,在現(xiàn)有的移動(dòng)自組織網(wǎng)中,每一個(gè)設(shè)備都必須經(jīng)過設(shè)備發(fā)現(xiàn)、設(shè)備選擇、第二層鏈接、第三層鏈接、第三層服務(wù)發(fā)現(xiàn)這五個(gè)步驟才能與其他設(shè)備連接。只有在第六步,用戶才能選擇其需要的服務(wù)。

現(xiàn)有的無線標(biāo)準(zhǔn),還沒有一種在建立鏈路層連接之前廣播服務(wù)的機(jī)制。參考文獻(xiàn)[6]提出了一種解決方案,使用戶能夠使用第二層服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。該方案的基本思路是擴(kuò)展現(xiàn)有無線標(biāo)準(zhǔn),在信標(biāo)中增加專門用于服務(wù)發(fā)現(xiàn)的服務(wù)信息描述,實(shí)現(xiàn)第二層服務(wù)發(fā)現(xiàn)。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn),基于UWB的第二層服務(wù)發(fā)現(xiàn)可以縮短服務(wù)發(fā)現(xiàn)時(shí)間50倍。

第二層服務(wù)公告是將服務(wù)信息合并到設(shè)備公告中廣而告之的一種技術(shù),從而克服無線自組織網(wǎng)現(xiàn)有第三層服務(wù)發(fā)現(xiàn)的缺陷。它使正在尋找特定服務(wù)的某一設(shè)備,在建立鏈路層鏈接之前,就可以收集到正在廣播其服務(wù)的其他設(shè)備足夠多的信息。這些信息包括服務(wù)名稱、可以提供的資源以及如何和在哪里可以訪問到它們等等,這些信息是無線發(fā)現(xiàn)過程的固有部分。無線服務(wù)發(fā)現(xiàn)通常使用信標(biāo)(Beacon)或探針(Probe)這兩種方法中的任何一種來實(shí)現(xiàn)。信標(biāo)是來自無線設(shè)備的周期性信號(hào),用來公告設(shè)備的存在和與同伴建立傳輸計(jì)劃。在UWB和802.11n等無線標(biāo)準(zhǔn)中,應(yīng)用說明數(shù)據(jù)可以封裝在叫做應(yīng)用說明信息要素(ASIE)的字段中,并作為信標(biāo)信息的一部分傳輸。這些ASIE可以用來傳送設(shè)備上可用服務(wù)的摘要信息。無線服務(wù)發(fā)現(xiàn)的另外一種方法是使用探針請(qǐng)求。當(dāng)設(shè)備加入無線網(wǎng)絡(luò)時(shí),它向其他設(shè)備發(fā)出多播探針請(qǐng)求,詢問它們的共享服務(wù)。其他設(shè)備向請(qǐng)求設(shè)備單播回應(yīng)以減少鏈路層擁堵,可以將服務(wù)播報(bào)作為探針請(qǐng)求回應(yīng)的一部分。因?yàn)樘结樥?qǐng)求可以發(fā)生在任何時(shí)刻,附近的設(shè)備必須處于活動(dòng)狀態(tài)才能偵聽到探針請(qǐng)求,這對(duì)續(xù)航時(shí)間有限的小型移動(dòng)設(shè)備不利。

服務(wù)發(fā)現(xiàn)只是應(yīng)用與資源交互的第一步,應(yīng)用程序使用該資源更為重要。大多數(shù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)只是簡(jiǎn)單地提供一個(gè)資源句柄,然后就退出了。即使雙方就發(fā)現(xiàn)協(xié)議達(dá)成一致,也無法保證能實(shí)際合作,它們還必須就操作和數(shù)據(jù)格式以及語義達(dá)成一致。

在目前的小云原型中,小云發(fā)現(xiàn)是基于Avahi實(shí)現(xiàn)的,Avahi是一種zeroconf實(shí)現(xiàn)。Avahi同時(shí)使用了DNS-SD服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議和多播DNS協(xié)議。使用多播地址可以使客戶在不知道服務(wù)器地址的情況下請(qǐng)求服務(wù),使移動(dòng)設(shè)備及時(shí)發(fā)現(xiàn)、使用可用小云成為可能。原型小云的發(fā)現(xiàn)原理和過程見圖3。

圖3 原型小云發(fā)現(xiàn)過程

2.3 小云的供應(yīng)

小云的供應(yīng),就是配置和部署服務(wù)虛擬機(jī),使該服務(wù)虛擬機(jī)含有可在小云端運(yùn)行的服務(wù)器端代碼,供移動(dòng)設(shè)備上的客戶端使用的過程。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究所實(shí)現(xiàn)了五種不同的小云供應(yīng)機(jī)制,從小云自移動(dòng)設(shè)備動(dòng)態(tài)供應(yīng)到基于任務(wù)能力需求的靜態(tài)小云預(yù)供應(yīng),分別是虛擬機(jī)優(yōu)化合成、應(yīng)用虛擬化、緩存虛擬機(jī)、小云推送和隨需虛擬機(jī)供應(yīng)。這五種供應(yīng)機(jī)制又分三種情形:運(yùn)行時(shí)刻從移動(dòng)設(shè)備供應(yīng),如虛擬機(jī)優(yōu)化合成和應(yīng)用虛擬化;部署時(shí)刻基于任務(wù)需要預(yù)供應(yīng),如緩存虛擬機(jī)和小云推送;運(yùn)行時(shí)刻能力隨需組配,如隨需虛擬機(jī)供應(yīng)。

2.3.1 虛擬機(jī)優(yōu)化合成

在虛擬機(jī)合成模式下,小云是通過在運(yùn)行時(shí)刻從移動(dòng)設(shè)備向小云發(fā)送附加應(yīng)用程序?qū)佣瓿晒?yīng)的。附加應(yīng)用程序?qū)犹崆皠?chuàng)建好該應(yīng)用的服務(wù)器端部分,該部分是基線虛擬機(jī)和在該基線虛擬機(jī)上安裝完該應(yīng)用后的差量部分。在運(yùn)行時(shí)刻,可以執(zhí)行該附加應(yīng)用程序?qū)觿?chuàng)建過程的逆過程,來創(chuàng)建服務(wù)虛擬機(jī)。

虛擬機(jī)優(yōu)化合成的目標(biāo)是減少應(yīng)用程序就緒時(shí)間----即發(fā)出小云供應(yīng)請(qǐng)求到服務(wù)器通知準(zhǔn)備運(yùn)行之間的時(shí)間。細(xì)節(jié)如下:

?相當(dāng)于客戶/服務(wù)器應(yīng)用的服務(wù)器端部分的附加應(yīng)用程序?qū)釉陔x線時(shí)創(chuàng)建。創(chuàng)建過程如下:從一個(gè)基礎(chǔ)虛擬機(jī)磁盤映像文件(使用QEMU qcow2作為虛擬機(jī)磁盤映像文件的格式)和一個(gè)基礎(chǔ)內(nèi)存文件啟動(dòng)一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例,在基礎(chǔ)虛擬機(jī)映像上安裝服務(wù)器端應(yīng)用,并掛起該虛擬機(jī)。虛擬機(jī)掛起時(shí),會(huì)創(chuàng)建作為應(yīng)用程序?qū)右徊糠值膬煞菸募?一份文件對(duì)應(yīng)掛起的虛擬機(jī)和基礎(chǔ)虛擬機(jī)(qcow2文件)之間磁盤映像的變化部分,另一份文件對(duì)應(yīng)掛起的內(nèi)存映像和基礎(chǔ)內(nèi)存映像之間的二進(jìn)制變化部分(使用xdelta3 和VCDIFF格式計(jì)算)。計(jì)算出來的磁盤和內(nèi)存層運(yùn)用LZMA2壓縮算法使用XZ流壓縮格式進(jìn)行壓縮,并裝載到移動(dòng)設(shè)備中。

?基礎(chǔ)虛擬機(jī)倉庫含有全部的基礎(chǔ)虛擬機(jī)磁盤映像文件集和內(nèi)存映像文件集,附加應(yīng)用程序?qū)訌倪@些基礎(chǔ)映像文件中創(chuàng)建。

?小云服務(wù)器在運(yùn)行時(shí)使用xdelta3和lzma 庫文件解壓縮,并將收到的附加應(yīng)用程序?qū)討?yīng)用于相應(yīng)的基礎(chǔ)虛擬機(jī)。

2.3.2 應(yīng)用虛擬化

在應(yīng)用虛擬化模式下,小云是通過在運(yùn)行時(shí)刻從移動(dòng)設(shè)備端向小云端發(fā)送虛擬化應(yīng)用而供應(yīng)的。同虛擬機(jī)優(yōu)化合成一樣,小云仍然來自移動(dòng)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的供應(yīng)。應(yīng)用虛擬化使用與操作系統(tǒng)虛擬化類似的方法,都是通過“欺騙”軟件與虛擬的(而不是實(shí)際的)環(huán)境進(jìn)行交互而實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)行時(shí)構(gòu)件從應(yīng)用程序中截獲所有的系統(tǒng)調(diào)用,并將這些調(diào)用轉(zhuǎn)發(fā)給虛擬化應(yīng)用的內(nèi)部資源。使用將應(yīng)用及其全部依賴庫文件整體打包的工具包預(yù)先創(chuàng)建虛擬化應(yīng)用的服務(wù)器部分。在Linux操作系統(tǒng)下,CDE(代碼、數(shù)據(jù)和環(huán)境的簡(jiǎn)稱)被用來作為應(yīng)用虛擬化器,而在Windows下,則使用Cameyo作為應(yīng)用虛擬化器。CDE通過監(jiān)控應(yīng)用程序的執(zhí)行來虛擬化應(yīng)用,而Cameyo則是通過監(jiān)控應(yīng)用程序的安裝過程來虛擬化應(yīng)用。這兩種工具都可生成移動(dòng)設(shè)備上的虛擬化應(yīng)用,這些虛擬化的應(yīng)用在運(yùn)行時(shí)刻傳給小云,部署在與該虛擬應(yīng)用的操作系統(tǒng)相匹配的虛擬機(jī)上。細(xì)節(jié)如下:

?支持在小云上運(yùn)行的應(yīng)用程序包就是虛擬化的應(yīng)用,相當(dāng)于小云應(yīng)用的服務(wù)器端部分,它使用上文描述的過程創(chuàng)建。

?客戶虛擬機(jī)庫包含小云所能支持的每一種操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)磁盤映像文件。

2.3.3 緩存虛擬機(jī)

在緩存虛擬機(jī)模式下,小云與服務(wù)虛擬機(jī)一起被預(yù)先供應(yīng)。根據(jù)任務(wù)需要預(yù)先準(zhǔn)備好小云,同時(shí)預(yù)先準(zhǔn)備好各種能力的虛擬機(jī)存入虛擬機(jī)庫。虛擬機(jī)庫中的每一個(gè)虛擬機(jī)都被視為一種服務(wù)。該服務(wù)虛擬機(jī)的能力與移動(dòng)設(shè)備上的客戶端應(yīng)用的能力相匹配。細(xì)節(jié)如下:

每一個(gè)服務(wù)虛擬機(jī)都有一個(gè)唯一的服務(wù)標(biāo)識(shí)符,并作為一組文件存儲(chǔ)在服務(wù)虛擬機(jī)庫中。

?服務(wù)虛擬機(jī)元數(shù)據(jù)文件(.jsonsvm):JSON文件有以下字段:

serviceId: 虛擬機(jī)所提供服務(wù)的唯一標(biāo)識(shí)符

servicePort: 虛擬機(jī)內(nèi)的服務(wù)器監(jiān)聽端口

?磁盤映像文件(.qcow2):qcow2文件包含虛擬機(jī)磁盤映像和應(yīng)用程序的服務(wù)器端部分。

?λ虛擬機(jī)狀態(tài)映像文件(.lqs):虛擬機(jī)狀態(tài)映像的文件格式是存儲(chǔ)內(nèi)存映像時(shí)libvirt.save()生成的。既包含掛起的虛擬機(jī)的描述,也包含運(yùn)行服務(wù)器端應(yīng)用時(shí)的虛擬機(jī)內(nèi)存狀態(tài)。

服務(wù)虛擬機(jī)倉庫是作為一組文件夾創(chuàng)建的,每一個(gè)文件夾使用以下的命名約定:

.jsonsvm

.qcow2

.qcow2.lqs

服務(wù)虛擬機(jī)是在虛擬機(jī)內(nèi)安裝應(yīng)用服務(wù)器然后掛起時(shí)創(chuàng)建的。JSON文件是由用來創(chuàng)建服務(wù)虛擬機(jī)的腳本自動(dòng)創(chuàng)建的,并與磁盤和內(nèi)存映像文件一起存儲(chǔ)在同一個(gè)目錄中。這三個(gè)文件用來啟動(dòng)服務(wù)虛擬機(jī),確保服務(wù)虛擬機(jī)從其掛起點(diǎn)開始運(yùn)行,從而減少應(yīng)用的準(zhǔn)備時(shí)間。

2.3.4 小云推送

在小云推送模式下,小云不僅與服務(wù)虛擬機(jī)一起被預(yù)先供應(yīng),而且與使用該服務(wù)虛擬機(jī)的移動(dòng)端客戶應(yīng)用一起被預(yù)先供應(yīng),相應(yīng)的客戶端應(yīng)用在運(yùn)行時(shí)刻被推送至移動(dòng)設(shè)備。小云推送供應(yīng)機(jī)制的有關(guān)細(xì)節(jié)如下:

?每一個(gè)小云App都有唯一的標(biāo)識(shí)符和存儲(chǔ)在小云App庫中的額外的元數(shù)據(jù)。小云服務(wù)器使用這些信息構(gòu)建小云App列表,該列表根據(jù)請(qǐng)求發(fā)往小云客戶端,與訪問應(yīng)用倉庫類似。有必要指出的是,移動(dòng)客戶端需要的唯一元素是小云客戶端。

?小云App和小云App元數(shù)據(jù)在運(yùn)行時(shí)刻從小云獲取,并存儲(chǔ)在移動(dòng)客戶端。

2.3.5 隨需虛擬機(jī)供應(yīng)

在隨需虛擬機(jī)供應(yīng)模式下,小云是根據(jù)從移動(dòng)設(shè)備發(fā)送的供應(yīng)腳本,使用一種商業(yè)云供應(yīng)工具在運(yùn)行時(shí)刻“裝配”服務(wù)虛擬機(jī)而實(shí)現(xiàn)供應(yīng)的。

“裝配”服務(wù)虛擬機(jī)時(shí),小云基于一個(gè)供應(yīng)腳本,該腳本有權(quán)訪問裝配服務(wù)虛擬機(jī)所需要的所有元素。云供應(yīng)工具使用Puppet,供應(yīng)腳本是用Puppet描述語言寫成的一個(gè)清單。

基線虛擬機(jī)是一個(gè)掛起的虛擬機(jī),用來作為構(gòu)造服務(wù)虛擬機(jī)的模板。與虛擬機(jī)合成機(jī)制下的基礎(chǔ)虛擬機(jī)不同,基線虛擬機(jī)可以修改、更新和持續(xù)保持,而不影響供應(yīng)過程。每一個(gè)基線虛擬機(jī)都作為一組文件存儲(chǔ)在基線虛擬機(jī)庫中:

?磁盤映像文件(.qcow2):qcow2文件相當(dāng)于基線虛擬機(jī)的磁盤映像。它包含一套基本的OS安裝文件,加上服務(wù)虛擬機(jī)常用的構(gòu)件和庫文件。在使用Puppet的原型小云系統(tǒng)中,下列構(gòu)件需要成為基線虛擬機(jī)的一部分:

1)SSH服務(wù)器,小云服務(wù)器用來發(fā)送文件和指令。

2)Puppet客戶端用來執(zhí)行虛擬機(jī)內(nèi)的Puppet清單。

3)與小云服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接,以便服務(wù)虛擬機(jī)(小云服務(wù)器作為HTTP文件服務(wù)器,通過HTTP)下載在小云本地存儲(chǔ)的文件包和依存庫文件。

?虛擬機(jī)狀態(tài)映像文件(.lqs):虛擬機(jī)狀態(tài)映像是保存內(nèi)存映像時(shí),以調(diào)用libvirt.save()時(shí)生成的格式存儲(chǔ)。

?基線虛擬機(jī)元數(shù)據(jù)文件(.jsonbmd):JSON文件用以下字段描述基線虛擬機(jī)的基本特征:

osFamily (string): OS(即Linux、Windows)

os (string): OS名稱或OS發(fā)行版名稱:(即“Windows 7”、“Ubuntu”)

osVersion (string): OS版本(即“SP1”、“8.1”、“12.10”)

osISA: 指令集(即“x86-32”或“x86-64”)

基線虛擬機(jī)設(shè)置成一組文件夾,每一個(gè)文件夾都使用以下命名約定:

.jsonbmd

.qcow2

.qcow2.lqs

每一個(gè)小云App都有一個(gè)相應(yīng)的服務(wù)供應(yīng)腳本和用來在小云上設(shè)置相應(yīng)服務(wù)虛擬機(jī)的元數(shù)據(jù)。

?基線虛擬機(jī)元數(shù)據(jù)文件(.jsonbmd):JSON文件描述基線虛擬機(jī)的基本特征,這些特征是創(chuàng)建服務(wù)虛擬機(jī)時(shí)必需的。格式與上面描述的基線虛擬機(jī)元數(shù)據(jù)文件一致,用來在供應(yīng)過程中發(fā)現(xiàn)匹配的基線虛擬機(jī)。

?服務(wù)虛擬機(jī)元數(shù)據(jù)文件(.jsonsvm):JSON文件結(jié)構(gòu)與“緩存虛擬機(jī)”一節(jié)中定義的文件結(jié)構(gòu)一致,用來描述服務(wù)虛擬機(jī)。

?Puppet清單:腳本含有在服務(wù)虛擬機(jī)內(nèi)部必須供應(yīng)的內(nèi)容的指令,如要安裝的應(yīng)用服務(wù)器、依存文件和庫文件等。腳本遵循Puppet清單標(biāo)準(zhǔn)。

服務(wù)和依存文件庫包含兩組文件。在原型小云中,這些文件從小云主機(jī)使用HTTP下載等方式獲取,但是只要有網(wǎng)絡(luò)連接,它們也可以從外部URL中獲取。

?服務(wù)虛擬機(jī)提供的構(gòu)成實(shí)際服務(wù)的文件(在應(yīng)用服務(wù)器中實(shí)現(xiàn))

?依存文件:服務(wù)可能使用的、構(gòu)成依存關(guān)系的文件/庫文件。在原型小云中,在Ubuntu系統(tǒng)下是作為APT-GET庫實(shí)現(xiàn)的,而在Windows下是作為MSI包實(shí)現(xiàn)的。

基于不同的小云供應(yīng)機(jī)制的試驗(yàn)結(jié)果,在原型小云中,他們采取了將緩存虛擬機(jī)和小云推送相結(jié)合的小云供應(yīng)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)設(shè)備上較低的能量消耗,降低了對(duì)移動(dòng)設(shè)備的需求,簡(jiǎn)化了戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中小云的供應(yīng)問題。

2.4 應(yīng)用運(yùn)行

收到服務(wù)虛擬機(jī)的IP地址和端口后,小云客戶端將這些信息返回給小云客戶端應(yīng)用。小云客戶端應(yīng)用建立與服務(wù)虛擬機(jī)IP地址和端口的套接字,以客戶端/服務(wù)器計(jì)算模式運(yùn)行應(yīng)用,直到應(yīng)用關(guān)閉。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)幾乎完全依賴即時(shí)的信息和態(tài)勢(shì)感知。信息優(yōu)勢(shì)可轉(zhuǎn)變成作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì),對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)至關(guān)重要。但隨著越來越接近戰(zhàn)術(shù)邊緣,信息的可用性和信息質(zhì)量急劇降低。戰(zhàn)術(shù)云計(jì)算提供了一種將云計(jì)算能力擴(kuò)展至戰(zhàn)術(shù)環(huán)境的手段,借助戰(zhàn)術(shù)云計(jì)算可提供更多計(jì)算資源、改進(jìn)協(xié)作和信息共享從而獲得作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。

本文考察和評(píng)估了美軍正在研究的四種戰(zhàn)術(shù)云的體系結(jié)構(gòu),分別是集中式戰(zhàn)術(shù)云、非集中式戰(zhàn)術(shù)云、小云和微云等,并對(duì)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究正在研究的小云進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。集中式戰(zhàn)術(shù)云在節(jié)省成本、靈活性和處理ISR大數(shù)據(jù)方面提供了多種可能。它在軍事應(yīng)用方面的潛力,從云計(jì)算在商業(yè)領(lǐng)域的廣泛和成功應(yīng)用中可見端倪。集中式戰(zhàn)術(shù)云提供的強(qiáng)大并行處理能力有助于開展對(duì)大數(shù)據(jù)的高級(jí)分析,從而向作戰(zhàn)人員提供對(duì)完成任務(wù)至關(guān)重要的信息。非集中式戰(zhàn)術(shù)云可以向遠(yuǎn)程部署的作戰(zhàn)人員提供非常顯著的好處:它可以在數(shù)周而不是數(shù)月甚至數(shù)年完成部署。一旦部署,它能確保行動(dòng)情報(bào)比其他方式快得多地出現(xiàn)在作戰(zhàn)人員手中,如遠(yuǎn)程訪問集中式戰(zhàn)術(shù)云。隨著移動(dòng)云計(jì)算技術(shù)的大量應(yīng)用,使用小云的移動(dòng)云計(jì)算有巨大的潛力。需要大量計(jì)算和數(shù)據(jù)訪問而帶寬有限的應(yīng)用是這種技術(shù)的理想用戶。通過將應(yīng)用卸載到小云可極大降低移動(dòng)設(shè)備的能量消耗。通過使用VANET技術(shù),小云的計(jì)算和存儲(chǔ)能力可倍增。微云在軍用環(huán)境中是幾種技術(shù)中相對(duì)容易實(shí)施的一種方案,但微云在戰(zhàn)術(shù)邊緣的部署意義有限。在移動(dòng)設(shè)備電池技術(shù)突破之前,微云的應(yīng)用前景尚不明朗。

因此,戰(zhàn)術(shù)小云是最為可行的技術(shù)方案,值得進(jìn)一步研究。特別是小云用來進(jìn)行計(jì)算卸載和能力擴(kuò)展的技術(shù),應(yīng)當(dāng)進(jìn)行詳細(xì)和深入的研究。

[1] Alan Magar,Sphyrna Security Inc. Assessing the use of tactical clouds to enhance warfighter effectiveness[R].Defence Research and Development Canada Contract Report,April 2014.

[2] Grace Lewis. Tactical Cloudlets: Moving Cloud Computing to the Edge[D].Software Engineering Institute Carnegie Mellon University,December 10, 2014.

[3] Kyle Usbeck, Matthew Gillen, Joseph Loyall et al. Improving Situation Awareness with the Android Team Awareness Kit (ATAK), BBN Technologies, Cambridge[C].MA, USA, Proceedings of the SPIE Conference on Defense and Security, 20-24 April 2015.

[4] Johnu George, Chien-An Chen, Radu Stoleru et al. Hadoop MapReduce for Tactical Clouds, Department of Computer Science and Engineering[C].Texas A&M University, 2014 IEEE 3rd International Conference on Cloud Networking (CloudNet).

[5] W. Keith Edwards. Discovery Systems in Ubiquitous Computing[J].Georgia Institute of Technology,2006 IEEE CS and IEEE ComSoc.

[6] Shivani Sud, Roy Want, Trevor Pering et al. Enabling Rapid Wireless System Composition through Layer-2 Discovery[J].Intel Research,2008 IEEE Network.

[7] Christian Schwingenschlogl, Anton Heigl. Development of a Service Discovery Architecture for the Bluetooth Radio System[R].Technische Universitat Munchen (TUM), Institute of Communication Networks,September 1, 2000.

[8] Joseph P. Macker, Justin W. Dean, Ronald D. Lee, Robert B. Adamson. Distributed Service Discovery within Mobile Ad Hoc Networks[R].Naval Research Laboratory, September 20, 2011.

[9] 程賽先. 美軍艦載戰(zhàn)術(shù)云計(jì)算應(yīng)用模式分析[C].中國指揮與控制學(xué)會(huì)火力與指揮控制專業(yè)委員會(huì)2015年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2015.

[10] 程賽先. 云計(jì)算的軍事應(yīng)用:無人系統(tǒng)分布式戰(zhàn)術(shù)控制的新方法[C].第四屆中國指控大會(huì)年會(huì)論文集,2016.

Research on Tactical Cloud Computing Utilization in US Forces

CHENG Sai-xian

(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061, China)

Cloud computing has been widely utilized in commercial areas, and also expanded its usage in military areas in recent years. But some problems have been encountered in terms of its usage in tactical environment. The paper enumerates four different types of tactical cloud and their application scenarioes, and studies the architecture, clouldlet provision modes as well as its discovery protocals in detail. In the end, the paper analyses the current status and potentials of tactical cloud computing utilization in US forces.

tactical cloud; cloud computing； US forces

1673-3819(2017)06-0134-09

E94

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.028

2017-09-11

2017-10-17

程賽先(1968-)，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榫C合電子信息系統(tǒng)情報(bào)。