基于对等网的分布式气象水文数据共享策略研究

    摘要：当前气象水文数据共享主要采取传统C/S模式的集中式控制结构，存在灵活性、抗毁性低的缺点，为此提出把对等网（P2P）技术应用于战时气象水文信息网络建设中。介绍了基于现有军地信息基础设施，在复杂电磁环境下构建气象水文数据共享对等网的总体构想，目的是建立具有高度灵活性、扩展性、健壮性的对等网络，与现有集中式气象水文数据共享网络相辅相成，以谋求最大限度地生存并获取最大信息优势。
 

    关键词：对等网,气象水文,数据共享,信息优势,复杂电磁环境,分布式水文模型论文
 

    0　引言

    复杂电磁环境下分布式气象水文数据共享有多种策略，而现有的气象水文环境数据共享的解决方案，如全军气象水文网络等应用，都是基于传统的C/S模式实现的。传统C/S模式采用了集中式控制，比较成熟，对于数据共享具有良好的可控性，但是这种方式在复杂电磁环境下的恶劣战场环境中隐藏着诸多问题[1]：数据的提供者和使用者严格区分，数据提供者只是局限在个别节点上，不利于形成信息栅格，无法建立扁平的数据共享方式；数据集中在某个或某几个服务器上，单点“数据信息中心”在作战中容易成为敌人攻击的战略目标，一旦被摧毁，将导致整个系统的崩溃；系统控制权集中在服务器端，造成客户端对服务器端过度依赖，缺乏灵活性，无法适应灵活多变的复杂战场环境。

    复杂电磁环境下一体化联合作战对数据共享网络系统的生存、运行性能等提出多种要求[1]：具有足够的健壮性和抗毁性，以保证能够在激烈的军事对抗环境中稳定地发挥性能；作战部队和各类保障单元能够通过卫星通信、移动通信及战术互联网等各种技术手段，迅速联入战时网络，获取“即需即联”的数据支持，实现端到端的“互联、互通、互操作”，使数据提供者和使用者密切协同、高度融合；能够为气象水文保障和辅助决策过程提供共享战场气象水文环境要素的多维数据信息的能力，无论是空中气象要素还是战场水文资料，实时探测数据还是历史数据，都应该包括在系统当中；在组织形式上要求能够在信息栅格上提供一种横向的、扁

    平的气象水文数据共享应用。通过分析这些要求，提出把对等网（P2P，PeerToPeer）技术应用于战时气象水文信息网络建设中，对等网能适应于复杂电磁环境下一体化联合作战需求。

    1　一体化联合作战需求下对等网技术特性

    与传统的分布式系统相比，对等网技术具有无可比拟的优势，同时具有广阔的应用前景。微软公司在新一代操作系统WindowsVista中也加入了P2P技术，以加强协作和应用程序之间的通信；美陆军在未来战斗系统（FCS）中已采用基于P2P技术的JXTA平台，用来在作战网络上检索和发现各种武器平台[2]；美国诺思罗普•格鲁曼（NorthropGrummanIT）公司采用P2P技术用于组件现在和未来的通用作战图（COP）[2]；挪威国防研究院采用P2P分布式技术构建网络中心指挥控制系统[3]。

    P2P技术拥有C/S模式所不具备的一些特点，这些特点在某些方面能够更好地适应复杂电磁环境下一体化联合作战的特点和要求，具体如下：

    1）P2P架构可以提供更为健壮的数据共享应用。复杂电磁环境下一体化联合作战对于数据共享应用最基本的要求，就是能够在激烈的战场环境下具有良好的抗毁性和健壮性。在大部分指挥系统遭到电子压制或物理打击后，由于P2P技术是将服务分散在各个结点上的，只要能够保证在局部区域的P2P服务器能够正常运行，仍能保证这一区域的信息交流正常进行，因此部分结点或网络遭到破坏对其它部分的影响很小。

    2）P2P技术能够更灵活适应战场复杂多变的环境。在战场环境下，作战或保障单元会因为战场情况变化而频繁地进入和退出数据共享应用系统，P2P网络通常都是以自组织的方式建立起来的，能够根据网络带宽、结点数、负载等变化不断地做自适应式的调整，可以较好地适应节点的动态加入和退出。

    3）在结构上，P2P技术强调的是整个网络中扁平的逻辑结构，它打破了C/S模式下纵向的组织结构，为数据应用提供了横向的、扁平的共享方式。这种方式恰好吻合了一体化联合作战中所强调的数据组织方式，即将气象水文数据分散在扁平的信息栅格的节点上。

    4）基于P2P技术的数据共享可以提供海量的数据存贮。一体化联合作战中的气象水文数据支持要求数据是详尽的、全面的，数据量非常庞大。而P2P存储系统的存储容量是所有节点贡献出来的空闲磁盘空间的总和，且随着加入系统的节点数量线性增长，能够很好地满足和适应复杂电磁环境下一体化联合作战对海量气象水文环境数据存贮的要求。

    5）P2P技术为用户提供了一个高性价比的数据集成和共享方案。使用P2P技术用户无需为建立一个大容量、高性能的存储系统而投入高额的资金购买专用服务器和路由器等设备，或租用高速网络通道，只需要利用现有的计算设备，将闲散的存储资源整合起来，就可以实现高质量的网络存储服务。P2P技术在灵活性、扩展性、健壮性及组织方式等方面，均符合一体化联合作战对气象水文数据共享应用的要求。

    2　气象水文数据共享对等网应用系统构想

    2.1　对等网应用系统概述

    系统的基本思想是基于军地现有信息基础设施，在不影响现有各业务系统运行的前提下，建立新的以P2P组织方式的应用系统，将网络中所有拥有气象水文数据资源的计算机纳入到网络系统当中，其中包括大型机、工作站及个人计算机等，整合这些计算机上存贮的气象水文数据资源，形成一个扩展性好、高可靠、高性能、廉价的对等的分布式气象水文数据资源共享系统，并且可以通过该系统为上层应用提供数据支持。系统中的各数据源节点具有自治性，在实现数据共享的同时，每个数据共享应用仍保持自己的应用特性、完整性和安全性控制。用户可以通过本系统对这些异构数据源中的数据进行应用，如同操作一个单一的数据库系统一样。系统是现有数据共享应用的补充和扩展，它可以很好地兼容现有的数据共享系统。

    2.2　系统数据共享模式特点

    在一体化联合作战条件下的气象水文数据共享应用中，现有的气象水文共享应用仍然起着重用作用，是一体化联合作战中气象水文保障的主要数据来源。本文提出的系统是在现有应用基础之上构建的一种基于P2P技术的气象水文数据共享应用，是现有气象水文数据共享应用的补充和扩展。

    本系统采用的是一种更为扁平的网状结构，拥有气象水文数据资源的计算机都可以自主地加入到系统当中。从数据的服务者和使用者这一角度来看，这些计算机都是平等的，不论这个计算机所处的位置是总部级、战区级还是台站级的，它们都平等地进行数据资源的发布和共享。数据的交换和共享操作是在任意2个节点之间直接进行的。

    系统采用了分布式的P2P拓扑结构，将进入到系统中的节点分为边缘节点和超级节点。系统拓扑结构如图1所示，边缘节点可以是P2P网络中的任何一个节点，它为P2P网络提供最基本的资源，同时通过超级节点向整个P2P网络进行资源查询。将具有较多资源的相对比较稳定的计算机作为P2P网络中的超级节点，其作用除了为P2P网络提供资源之外，还要实现P2P网络中的资源信息索引，为与其连接的边缘节点提供服务。

    系统数据是分散在网络中各个节点之上的，数据信息的发布与共享都是通过P2P网络来实现的，即请求者通过P2P网络找到数据信息的发布者，通过气象水文数据信息完成与数据持有者之间的数据共享。因此系统中的数据流向是从网络中的1个节点直接到另外1个节点，数据的流向始终是从数据的拥有者到数据的使用者，这样，可以认为系统的数据流向在逻辑上是“扁平的”数据共享应用。只要拥有气象水文数据的计算机都可以作为系统中的节点进入到系统当中，将自己所拥有的气象水文数据资源信息发布出来，使得整个系统的数据来源更加广泛。系统通过所依托的P2P网络获取数据。由于P2P网络是建立在应用层上的，因此具体的物理网络形式可以是多样的，其对于用户来说是不可见的，系统的数据来源是通过P2P网络提供的。

    本系统用户对象的范围很广，可以是台站级、战区级或是总部级的任何一个气象保障单位，也可以是某个单兵或者某台数据终端，都可以通过网络进入系统获取所需的气象水文数据。

    2.3　系统应用特性

    广泛性：系统可以部署在网络的任一节点上，只要存在网络的地方都可以使用，可以为一体化联合作战中的气象水文保障单位、作战部队提供实时的数据支持。

    经济性：系统可以运行在现有的网络环境和设备之上，无需再建立一套新的硬件设施，同时，该系统将数据分布在网络各个节点上，有效地利用了网络存储空间，降低了存储成本。

    可靠性：系统降低了单点失败的可能性，当某一个或某几个节点遭到破坏时，由于数据资源是散落在整个网络中的，不会给系统带来毁灭性的灾难。

    高效性：随着系统用户和数据拥有者的增加，系统的性能也会不断提升。当一种数据被其它节点共享并下载后，该数据将会在本地进行备份，并且将这一数据资源的信息发布出去，这样该数据就会拥有更多的数据源，使得对于较为流行和用户关注性较高的数据文件的搜索效率大大提高，保证了系统的可用性。

    灵活性：系统每个节点即是数据消费者也是数据注入端，每个节点（尤其是机动、便携和手持终端）都可以通过增加探测设备，实现实地气象水文数据的采集与发布，同时也可以将气象水文数据信息发送到战场的最前端，为作战进行实时保障。

    兼容性：可以将已有的气象水文数据共享系统的某一个客户端或服务器作为本系统中的Peer，为系统提供气象水文数据资源。可以很好地实现与现有系统的兼容，并且能够很好地利用现有的数据资源。

    3　结语

    战场信息空间是由传感器、交战和信息等网络组成，涵盖战场所有信息。它是指挥决策和作战行动的OODA（发现、锁定、决策、行动）能力的信息基础。信息网格技术则是战场信息空间的骨架，是军事气象水文信息化建设的发展方向。P2P带给我们的不仅仅是技术上的应用，更为重要的是对下一代分布式计算的启发，因此应该充分挖掘它在军事应用上的潜力，用于作为构建未来战场信息空间的关键技术之一。

    P2P网络策略是一种战时状态下的特殊应用，不能简单地复制和代替平时的应用需求,可以作为现有气象水文数据网络的扩展和补充。作为本系统关键技术的气象水文数据资源共享元数据标准、气象水文数据的信息发布与搜索、P2P网络安全控制等问题还需要进一步深入探索。

    参考文献：

    [1]孙鹏.基于P2P网络的气象水文数据共享模型的研究[D].解放军理工大学，2007(6):17-19.

    [2]TommyGagnes.EvaluatingPeer-to-PeerTechnologyinthe　FutureBattlespace[M].Rena:FI(NorwegianDefenceResearch　Establishment),2003.

    [3]Dr.BernardTraversat.BuildingHighly-DynamicBattlefield　NetworkInfrastructureUsingJXTA™Technology[R].SanFrancisco:2006JavaOneSMConference,2006.