开放式雷达体系结构可实现网络中心性

开放式雷达体系结构可实现网络中心性MIT Lincoln实验室2010年10月摘要：第二代开放式雷达体系结构已得到发展并投入实践中。

这一研究包括了：一个分层的架构，该架构将应用与下层的软硬件（如操作系统、中间件、通信网络以及计算机平台）分隔开；以及一套组件库，使该结构可用于一系列扩充的应用领域。

库中组件或是新开发的组件可以很方便地被替换，再加上高度的硬件独立性，使应用这一体系结构搭建的系统能够方便地进行维护和升级。

1 介绍：开放式系统的特性雷达传感器及相似的设备控制系统由十分基础的积木式组件发展而来，使用了专有的软硬件体系结构。

这一开发模型通常费用昂贵，并且需要很长的设计与开发研制周期。

因为系统的每个设备都要求使用独一无二的架构及支撑技术，这就使得大量各式雷达系统的维护和升级变得复杂并且昂贵。

采办改革的大力推进再加上越来越多地使用开放式系统（OS）和商用现货技术，这些都为国防采办项目的重大改变及成本降低铺平了道路。

然而，开放式系统的优点不仅仅是控制开发成本，它还能缩短开发周期，以及更好地利用最新技术。

更进一步，OS有助于挑选通用架构、备用供应商以及更有竞争力的采购模型。

可以看到，一个标准的开放式体系结构使雷达系统的开发过程合理化，并极大地提高了未来技术植入的机会。

OS具有以下显著特征：它通常是一个复杂系统，因为可分解成各个子系统，所以可控性更强；可进一步细化到组件。

OS中的部件通过定义良好的已发布的组件接口以一种可预测的方式进行交互。

这一方法使得单个部件（如子系统或组件）在被替换后不会影响系统的其他部分，只要替换的部件符合已发布的互操作性能及接口。

这里所描述的系统分解有以下主要优点：部件开发过程的可控性更强，因为只需更少的工程师和开发人员去研发既定的部件；部件测试起来更加方便，多级测试（单元、组件、集成、验证）同样如此。

单个部件可以被其他具有相似功能的部件替换，但那些部件要能具有适当的性能和接口。

这就使OS的集成不同于那些单独开发的子系统或组件，在开发过程中可以选择更合适的部件，使系统性能得到进一步提升。

系统的开放性很大程度上是由部件与其接口的相关性所决定的。

一个开放式系统极有可能包含一些封闭的或具有专利的部件，只要它们的功能广为人知并且符合通用接口定义。

一个典型的复杂例子就是高度集成的电子电路——CPU芯片。

这些芯片的性能众所周知，因为其编程模型及接口规则被供应商普遍公开。

但芯片设计细节仍是商业机密。

这丝毫不会影响芯片在开放式系统环境下的使用，同时允许厂商在一个特别的或通用的OS商业形式下运作。

在开发OS时，比较理想的情况是确保体系结构能支持下列重要方面。

体系结构应能被广泛应用于不同的设备。

这就包括地基雷达和光学传感器、碟型天线和相控阵雷达、机载传感器（包括用于地面监视的合成孔径雷达(SAR)），以及其他应用了过程链概念和开环数据收集或闭环控制方法的设备。

开放式体系结构的另一个有待解决的重要问题是普遍支持各种计算框架。

传感器及设备开发中常用的计算框架类型包括对称多处理器计算机、集群计算、嵌入式设备计算以及其他专用的高性能计算（包括GPU等）。

一个开放式体系结构应能支持上述不同的计算场景，当软件组件从一个计算平台转移到另一平台上时，其改动量要最小。

网络中心性同样也是OS一个很重要的方面。

通常系统必须能够接收指令和行为修正请求，提供数据并能反馈给用户。

系统不仅需要连入网络，在很多情况下，还需要使用为以Web 为中心的世界而开发的常见技术来提高其可用性与可配置性。

由国防信息系统机构（DISA）部分开发及提供的网络中心企业服务（NCES）可作为开放式系统网络中心方面的一个通用基准。

OS最后一个很重要的方面是一个可复用的组件功能库。

这个库至关重要是因为提升了具有通用功能的组件的复用性。

例如，一个对原始雷达数据进行逐脉冲集成的集成模块就是一个应用广泛的组件。

有了一个适当的组件库后，只要组件性能与系统工程设计差不多相一致，系统的集成和测试就能被简化。

想实现这一目标，鲁棒的组件设计标准就显得尤为重要。

组件库也可作为一个基准，从中可以取出或修正组件。

如果组件基于面向对象模型构建，则这一能力可以得到提升。

2MIT Lincoln实验室开放式雷达体系结构ROSA II是第二代开放式雷达体系结构（ROSA）。

ROSA是MIT Lincoln实验室为Test Range雷达现代化而开发的。

相比第一代，第二代体系结构融合了更好的灵活性、可扩展性、模块性、可移植性、可维护性。

ROSA II聚焦于如何优化这些特性上，同样关注如何为开发测试仪器和试验台以及开发战术Turnkey雷达系统而提供一个鲁棒的基础设施。

要实现这一点，关键是要进行抽象，组件中的各接口需要被分离和定义。

ROSA II系统的新特性是能直接简单地支持相控阵雷达。

相控阵列对于未来雷达系统的发展极为重要。

例如，相控阵列系统要求闭环跟踪和脉冲调度组件具有更高的鲁棒性。

此外，一个相控阵列系统的信号处理需求很大，因此可能需要专用的信号处理硬件子系统。

这些要求可以通过使用专门的并行计算机而得到满足，且不会影响系统中其他的通用计算机。

系统中有一个抽象的通信层，称为“ROSA瘦客户端层”（RTCL），用于连接不同的子系统，而各子系统无需了解其他系统内部如何运作。

它还使系统的软件组件对于计算平台和网络基础设施局部透明。

例如，一个系统可能基于一个对称多处理器平台，或一个计算机网络集群，或同时基于两者。

ROSA II软件组件无需更改即可置于这些平台体系结构中。

硬件和操作系统具体细节的抽象使得ROSA可轻易使用不同类型的设备用于控制和信号处理。

系统设计者可酌情选择利用廉价的商用计算机、小体积节能加固计算机或是传统高性能对称多处理计算机。

图1将ROSA描述为组件化软件和软硬件混合的系统。

下面具体介绍这一结构的开放性体现在哪些方面。

该体系结构是一个分层的结构，其将软件应用模块或组件与下层细节分隔开。

这些常用组件被写入一个专门的API中，包括RTCL的常用接口以及操作系统的与POSIX兼容的常用接口。

TRCL将组件从中间件或在用的中间件的特定方面隔离开。

这使得组件可与任何被RTCL所支持的中间件一起使用，如有需要，还能与多种中间件同时使用。

而这些无需更改组件的应用代码，只需更改配置。

就是这一特点使组件具有了局部透明性。

组件包含在一个组件库中。

系统利用一批合适的组件或开发者生成的新组件来构建。

必要时，任何系统开发者都能维护那些被选中的组件。

设计良好的组件应该是松耦合的，并且依赖于由接口控制文件（ICD）所定义的输入输出。

ROSA组件技术（以面向对象的基础类形式）支持一个共用的组件对象模型，该模型支持数据输入输出、组件控制与状态日志记录功能的代码共用。

共用组件模型还支持一个组件状态机，以及计时和时间控制功能。

这些功能由一个组件基础类提供，ROSA所有的组件在默认情况下继承并获得这些功能。

需要使用这些功能的应用代码可以在已完成的组件代码中继承并写入基础类的相关部分。

时间控制功能是从时间预算的角度来改善系统的。

某一特殊组件可能需要在一个特定时间段内响应一个结果或一个动作。

大多数组件可以避免这一类严格的计时控制，但一些典型的时间关键的组件在时间预算方面不得不实现可靠响应。

这一需求在组件基础类中能得到满足，组件可利用其处理时间关键的需求。

其结构以计时例程的形式呈现，包括回叫（因为预设的时间预算限制而得以实现）。

在必要时，应用编程人员可以提供代码来处理超时异常。

例如，一个组件可以基于有效时间和信息来精确目标定位评估结果。

当它为新的目标报告准备的时间预算用光时，它将能提供最理想的有效评估。

RTCL可以同时或单独支持许多中间件。

那些必不可少的中间件在RTCL的某一位置被支持，而不是在任意应用代码中。

利用这一结构，就无需选用一个特定的中间件或在应用层支持两个甚至更多的中间件。

应用组件被简单地从单个中间件细节中分隔出来，由此也从RTCL API 层下的组件内通信细节中分隔出来。

上述情况可以通过一个只有2个中间件的系统来解释。

例如，一个中间件可以被优化来传输一个单对称多处理器（SMP）上的组件信息；另一个可以被优化来支持网络上的信息传输。

在ROSA的参考模型中，前者使用了一种共享内存传输模式，组件中进行数据转让时无需做数据拷贝，这对于最终的吞吐量和降低延时来说很重要。

而后者是一个数据分发服务（DDS）发布-订阅中间件。

DDS是一个对象管理组织（OMG）的标准。

3 网络中心性将带有标准组件模型基础类的Web服务器纳入系统后，ROSA就直接实现了网络中心性。

而这一特性连同编制组件和数据流组件，使系统设计人员可以轻松构建全网络中心的系统，以支持传感器和数据收集代理所必需的接口、流数据生成、传统的请求响应数据共享范式，以及满足多任务需求。

4 示例用例ROSA已被成功用于构建一个移动测量雷达原型样机，从而在测试范围内对独一无二的signature雷达进行了升级改造。

ROSA还被用来构建了太空监视设施中独一无二的雷达等。

监视雷达系统目前已发展到具有宽泛的可配置特点。

光学系统后端同样如此，其与雷达系统共用某些组件。

ROSA已被用于开发一个台式示范相控阵雷达（demonstration phased array radar），连同多功能调度器和相控阵脉冲级仿真器。

ROSA通过将雷达处理与控制系统分解为各个由COTS硬件和模块化软件所构造的积木式功能组件（building block）来支持开放式系统模型。

这使得子系统的组件具有松耦合性，使用定义良好的接口将各子系统连接到一起时，就组成了一个完整的雷达处理与雷达控制系统。

积木式组件可被轻松增加或修改，以适应新技术的植入，同时对雷达系统其他部件的影响极小。

更重要的是，已有的雷达组件（blocks）可被共享用作开发新的雷达或升级已有的系统。

目前，这种模块化开放式体系结构已经实现了更快的投入使用、更低的成本和更强的通用性。

5 总结ROSA II体系结构利用发布-订阅技术来实现数据分发。

组件通过监听它们所需数据的数据主题来获得已发布的数据。

组件订阅输入数据，发布输出数据和某一状态主题下的状态信息，并接收某一控制主题下的控制信息。

连入这些发布-订阅链的组件通常以一对多的方式进行通信。

组件通过一个隔离层与通信层交互。

隔离层使用了一个通用组件API，其不依赖于有特殊应用的中间件。

这就可以避免使用一个或一组特殊中间件来完成任务。

这么做是因为中间件技术经常升级换代，所以在解决方案中只使用一种特定的中间件显然是不明智的。

另外，很多特定的任务需要专门的中间件，而系统的隔离层中可以适当实现多种专用中间件，且无需对应用组件做任何更改。

目前，Lincoln实验室已将ROSA II用于雷达系统、光学控制系统和其他设备控制领域的系统、中间件、所适用组件的体系结构设计和参考实现中。