面向协同作战的无中心战术组网技术

电子信息对抗技术

ElectronicInformationWarfareTechnology

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摇摇中图分类号:TN97摇摇摇摇摇摇摇文献标志码:A摇摇摇摇摇摇摇文章编号:1674-2230(2020)01-0035-05

面向协同作战的无中心战术组网技术

郑翔平,张摇礼,何炼坚,张摇清

(电子信息控制重点实验室,成都610036)

摘要:面向协同作战,为保证前沿战斗单元间的高效协同,需要综合考虑各类不同类型任务(电子攻击、电子侦察等)间的衔接与协同。通用DHT网络一般用于网络内容共享,便于不同节点间相似内容的快速搜索,但难以提供不同类型任务节点间的高效搜索。基于此,提出了一种基于启发式路由的改进型DHT战术组网技术,通过面向战术业务的灵活组网,为作战职能的高效协同提供支撑,使不同类型作战任务间的衔接与协同十分便捷。该组网方式具有无中心、松耦合的特点,支持广域覆盖,具备良好的可靠性,能够为网络化作战体系提供良好的支持。关键词:网络化;无中心;启发式路由DOI:10.3969/j.issn.1674-2230.2020.01.008

NoCenterTacticalNetworkTechnologyforCooperativeCombat

(ScienceandTechnologyonElectronicInformationControlLaboratory,Chengdu610036,China)

ZHENGXiangping,ZHANGLi,HELianjian,ZHANGQing

Abstract:Forcooperativetacticalcombat,inordertoensuretheefficientcollaborationbetweenforwardcombatunits,itisnecessarytocomprehensivelyconsidertheconnectionandcollabora鄄tionamongvarioustypesoftasks(electronicattacking,electronicreconnaissance,etc.).Uni鄄searchofsimilarcontentbetweendifferentnodes,butitisdifficulttoprovideefficientsearchbe鄄technologybasedonheuristicroutingisproposed.Throughflexiblenetworkingorientedtotacti鄄connectionandcollaborationbetweendifferenttypesofcombattasksveryconvenient.Thisnet鄄hasgoodreliability,andcanprovideagoodsupportfornetworkedcombatsystem.Keywords:networked;nocenter;heuristicrouting

versalDHTnetworkisgenerallyusedfornetworkcontentsharing,whichisconvenientforquicktweendifferenttypesoftasknodes.Baseonthis,animprovedDHTtacticaledgenetworkingcalbusiness,itprovidessupportforefficientcollaborationofcombatfunctionsandmakestheworkmodehasthecharacteristicsofnocenterandloosecoupling,supportswideareacoverage,

1摇引言

网络中心战是目前为止用于描述在信息时代我们的组织以及作战方式最好的名词术语。美国海军作战部长杰伊·约翰逊上将将其称作“从平

台中心战的一个根本转变冶。网络中心战定义为作战的信息优势概念,它能将传感器、决策者和射手进行联网,共享态势感知,加快指挥速度以及作战节奏,提高杀伤力、生存力以及自同步能力,从

收稿日期:2019-03-04;修回日期:2019-04-04基金项目:国家自然科学青年基金(5160552)

作者简介:郑翔平(1984—),男,硕士,工程师;张礼(1974—),男,硕士,高级工程师;何炼坚(1973—),男,硕士,高级工程师;张清

(1986—),男,工程师。

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而形成更强的作战能力。

在网络中心战这类作战体系中,各个作战成员间的交互协同应该具备良好的可靠性,并且能够提供较高的反应速度,同时应该支持各个作战成员的自由加入与离开,这就需要作战联网具有一定的自组织性。

随着无线网络链路基础设施的发展,面对传感采集终端日趋庞大的实时数据量,在端侧[1]完成部分计算,逐渐开始弥补由传统集群中心为代战斗实体包括作战的所有参与者,其功能各不相同。不仅包括单个传感器、雷达站、单装侦察、干扰车、无人机,同时空中预警机、空中指挥中心,甚至移动的地面、海上指挥所,也都可以作为一个战斗实体,加入自组织联网系统中,最终形成一个分布式的网络中心战体系。

战斗实体大多具有很强的机动性,战斗实体间的互联关系经常会动态变化,因此战斗实体间的底层物理链路一般来说是无线的。在当前的无表的云计算架构拥有的缺陷。

为了保证战斗单元间的高效协同,需要灵活的组网技术。尤其在协同电子战与联合电子战的应用中EP、DHTES、,需要综合考虑各类不同类型任务[2-4]网络一般用于网络内容共享ECM、ECCM等)间的衔接(EA、,便于不同与协同。节点间相似内容的快速搜索,无法实现不同类型任务节点间的高效搜索。基于此,本文提出一种基于启发式路由的改进型DHT战术组网技术,通过面向战术业务的灵活组网,为作战职能的高效协同提供支撑,使不同类型作战任务间的衔接与协同十分便捷。该技术可以根据各个成员的作战能力,将它们有效地组织在一起,使传感器、决策者和射手间能够高效地进行作战协同。

2摇相关研究

摇的发展方向摇网络化作战体系已经是信息时代电子战必然,如何实现战争中作战实体间的组网,

是网络化作战体系必须解决的问题。

图1摇网络化作战体系层次架构

网络化作战体系分为作战应用、网络协同、战斗实体、物理链路四个层次。通过各类物理链路连接在一起的各个战斗实体,通过面向业务的组网协同完成各种作战应用。

线通信领域,不仅可以通过有基础设施的无线网络来实现战斗实体间的物理链路,也可以通过无基础设施的移动Ad-Hoc[5]网络来实现。目前,由于移动Ad-Hoc网络具有组网快捷、独立于预设的网络基础设施和完全分布式等特点,得到了广泛的研究与应用,战斗实体间互联的物理链路可以通过它来实现。

当前的无线通信已经实现了战斗实体间在物理链路层面的互联,然而如果仅仅在此基础上,战斗实体间要实现作战业务层面的协作,还必须知晓彼此在网络中的具体位置等信息,而且当一个成员的这些信息改变时,其他成员也必须及时做出相应的改变。同时,当网络规模十分庞大的时候,维护彼此的位置信息将会带来不小的开销,影响作战效率。这些都无疑为协同带来了障碍。

本文将研究一种面向业务的组网系统,该系统利用DHT[2]网络实现分散式的作战联网,并在其基础之上,提出了启发式路由技术,从而解决位置、规模、不同类型任务间协调等因素给作战协同带来的问题。

(“本文的核心思想是通过将战斗实体的特征

键值职能(关键字冶、地理位置信息等),进行基于键值的分散式组网)通过哈希运算映射成。相较通用DHT[4]网络,本文通过建立启发式路由,每个节点在任务协同呼唤过程中,在对“距离冶较近的节点进行呼唤的同时,随机选取少量远“距离“冶节点进行呼唤;同时机选取少量远呼唤冶时,除了返回,在接收到其他节点的

“距离冶“节点作为应答距离冶相近的节点。

,同时随本文的创新点如下普通a):

DHT面向电子战作战职能的路由策略网络,提出启发式路由搜索策略:有别于

,提高了不同任务(例如电子侦察引导电子干扰)的协

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同效率;

空间位置信息,在组网坐标中的映射,使不同的节点能够根据作战职能、空间位置进行协同。

b)面向作战的战术组网:实现了作战职能和

节点ID的最后4个字节。

通过上述基于节点ID的坐标生成,不仅坐标标识了节点在DHT网络中的位置,同时坐标间的距离也标识了DHT网络中节点间的关系。

DHT采用异或(XOR)运算来作为衡量二点

3摇技术实现

3.1摇启发式双邻接DHT网络技术实现

DHT(distributedhashtable)是一种无中心的

距离的尺度,给定2个160位标识符x和y,二者的距离用d(x,y)来表示。规则是:d(x,x)=0,d(x,y)=x茌y,d(x,y)=d(y,x),d(x,y)茌d(y,z)=d(x,z)。

分布式系统,目前被广泛应用在分布式存储系统中。DHT网络是一种结构化的网络,具备三个基3.本要素1.1摇:key、Key

坐标、路由。

类似人类社会有教师、医生、程序员等各种各

样的职业,DHT网络中的每个节点也根据自身的特征,具备一定的职能,这些职能被作为关键字,通过哈希运算得到键值(key),节点间基于key进行关联。

的标识DHT(节点网络中的节点根据ID),这样就达到了key创建其在网络中

“物以类聚冶的效果,例如同为程序员的两个人,就有很大的概率认识。Key标识了DHT网络中的职能,并作为节点在DHT网络中建立“人脉冶的基础,进而实现面向业务需求的搜索,例如如果有学习的需求,可3.以通过1.2摇“组网坐标

教师冶这个关键字,进行搜索。

坐标定义了节点在DHT网络中的逻辑位置,

逻辑位置是搜索的基础。要实现面向业务需求的搜索,节点的坐标就必须具备标识其业务职能的因素,在简单的DHT网络中,可以通过节点ID来实现。

图2摇节点ID生成规则

基于节点a)将职能关键字通过ID的坐标生成算法如下:字节(160位)的key空间;

SHA-1哈希散列成20的前b)16创建字节作为节点20字节的节点ID的前ID16空间字节,取,随机生成

key空间

两个节点间距离的远近,标识了其在职能上3.的差异1.3摇。

在邻接表中启发式路由,对于每个节点维护log点总数)个邻接表,邻接表最多有160个2N,(对于第N为节

(0为[2=i络中的物理位置,2i图3摇邻接表创建规则

节点的查找是基于坐标的,节点ID构成了每个节点在网络中的坐标,假如拥有ID为x的节点要查找拥有key值t的节点,DHT按照如下递归操作步骤进行路由查找a)b)计算到从x的第t的距离骔log::

d(x,t)=x茌t;

出n个节点的信息,同时进行查找2d夜(下取整),个邻接表中取

如果这个邻接表的信息少于n个,则从附近多个桶中选择距离最接近d的总共n个节点,如果全部邻接表中节

点总数都不足n个,则返回全部邻接表中所有的节点;

过mc)个节点从其他邻接表中启发式的随机选取不超

,与b)中的节点共同返回,一般情况下,m最小为1且m臆

nd)对接收到查询操作的每个节点3

;,如果发现

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自己具备key值为t的职能,则回答自己是;否则测量自己和t的距离,并从自己对应的邻接表中选择n个节点的信息给x;

e)x对新接收到的每个节点都再次执行查

空间位置标识了战斗实体的地域特征,是影响协同的一个重要因素。在网络化作战体系中,空间位置可以成为决定战斗实体坐标的一个维度。空间位置包含经度、维度、高度三个要素,该维度的距离由公式(1)定义为经纬高三个要素的欧拉距离:

dspace(x,y)=

dID(x,y)=IDx茌IDy

找,此过程不断重复执行,直到有节点响应自己具备key值为t的职能。

通过上述查找操作,x满足了自己的业务需求。n也是为系统优化而设立的一个常量参数。在BitTorrent实现中,取值为n=3。当n=1时,查222

询过程就类似于Chord[4]的逐跳查询过程。

组网结构可以表示成一棵二叉树,二叉树的叶子便是每一个节点。

每个节点的邻接表构成了DHT网络的路由结构,由于越近的节点越容易成为“邻居冶(即彼此都在对方的邻接表中key值进行搜索的时候节点不需要维护整个网络中的节点信息,路由过程是收敛的),由此可以保证当对某。

,当

有业务需求时,可以通过每个节点邻接表组成的路由查找到业务的提供者,同时在其它节点进行业务查找时,为其提供路由。这使得DHT网络具备以下优点a):

点失效和单点瓶颈b)松耦合可靠性::支持节点的自由加入不需要中心服务节点、退出和失效,避免了单;c)可伸缩性:可以支撑节点规模很大的网络

;3.应用2摇。

面向作战的战术组网

在实际作战中,基于DHT网络进行战术作战联网,可以实现战斗实体间的协同以及战斗实体间共享的态势感知。

战斗实体需要满足的作战因素是多样化的,例如:战斗职能、空间位置、能力范围,等等。因此战斗实体在DHT网络中的标识(即坐标)可以是多维度的,并且允许存在一个关键维度(主维度),该维度被映射成key,作为DHT网络搜索的关键字。

战斗实体间的作战协同,本质上是基于作战职能的协同。因此可以选取作战职能作为DHT网络搜索的关键字,通过哈希运算,生成160位空间的key。战斗实体通过key,创建节点ID,并以此作为坐标的关键维度,通过异或运算,定义该维度的距离:

(LONGx-LONGy)+(latx-laty)+(hx-hy)战斗实体间的距离,定义为其坐标多个维度

(1)

的欧拉距离,设坐标表示为:(dim…,dimdimid,dim0,dim1,k),id为主维度,dimi为坐标的其他维度,形成坐标的各个维度表示影响作战协同的各个因素(2)定义为,则两个战斗实体:

x,y之间的距离由公式D(x,y)=

d

2dimid

显然,D(x,y)逸d(x,y)+移ki=0

d2dimi(x,y)(2)

离不小于x,y单个维度上的距离dimx(x,y),即。

x,y的坐标距当战斗实体A发起基于作战职能琢的请求

时,距离量化了其他战斗成员在琢上与A的协同程度。距离越大,两者间的协同程度越低;距离越小,两者间的协同程度越高。

每个战斗实体作为一个节点加入到DHT网络中,并通过坐标和距离,维护邻接表,同时将作战职能映射成搜索关键字,由此构建出面向作战的组网。

4摇应用研究

摇实体将基于各自的作战职能摇在下一代网络化作战体系中,进行战术组网,功能各异的战斗,从而将战场空间的知识实体有效地连接在一起,最终实现信息与共享优势到各个方面战斗能力的转变。

通过3.2节提出的技术方案,可以实现面向业务的战术组网,该组网的结构如图4所示。

在组网中,战斗实体的实现途径如图7所示。战斗实体在组网中的联系是对等的,因此作战协同请求也是对等的。而由于职能不同(例如一架无人机和一个空中指挥所),战斗实体在作战体制中处于不同的管理层次。这样就实现了基

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于对等组网的层次化作战管理,从而使得组网架构完全不依赖于具体的业务实现。

在作战应用中,需要完成几个步骤:加入、动态路由维护、协同请求、离开。

动态路由维护主要实现战斗实体加入、离开以及地域变换(主要针对移动的战斗实体)时其他成员路由表的更新。每个战斗实体的DHT内核,会定时地向路由表中的节点发送查询请求,通过查询请求应答对路由表进行更新。当请求无响应时,表示查询节点已经离开。

单点的状态变化虽然会影响到其他节点路由表的更新,但由于每个成员都只维护了整个组网图4摇面向业务应用的组网

图5摇战斗实体实现途径

4.1摇加入

一个独立的战斗实体加入到组网中,主要有两个方面的含义a)将自己加入到组网中:表中;

(部分)节点的路由己的路由表中b)从组网中获取。

(部分)节点信息,加入到自第一步可以在一定地域范围内向Ad-Hoc物理链路广播存在信号,接收到广播的节点更新路由表,加入新节点。然后对广播进行应答,即选择路由表中的部分坐标和自己的坐标返回给广播节点,广播节点在路由表中添加坐标,完成第二步,从而实现独立战斗实体加入组网。

这个过程也发生在战斗实体进行大范围的地4.域迁移时2摇动态路由维护

,例如某指挥中心从A地迁移到B地。

系统中部分的节点信息,所以这种影响是局部的,4.网络抖动性低3摇协同请求

,维护成本低。

协同请求通过3.3节中的路由算法实现,当找到符合需求的节点时,两者进行作战应用交互,4.完成具体的协同4摇离开

。

正常离开时,战斗实体将通过DHT内核向路由表中的节点发送离开信息。非正常离开时,其

他成员将通过动态路由维护发现离开事件。

5摇结束语

摇发式路由策略摇本文提出在普通,能够提高协同电子战中多节点协DHT网络基础之上,增加启同效率,在未来的网络化作战体系中,还需要对组

网的稳定性、健壮性、安全性进行进一步研究,并需要考虑如何避免无中心系统中的孤岛效应等。同时,在复杂的应用场景中需要根据业务对“距离冶进行更加精确的定义。这些将是下一步研究重点。参考文献:

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