美军信息系统体系结构相关研究综述.pdf

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1、 综述与评论美军信息系统体系结构相关研究综述王东霞 赵刚(总装备部系统工程研究所 100101)摘 要:美国国防部一直在开展信息系统体系结构相关的研究工作,并取得了多项成果。本文着重对信息管理技术体系框架(TAFIM)、C4ISR体系结构框架、联合技术体系结构(J TA)、国防信息基础设施公共操作环境(DII COE)以及技术参考模型(TRM)进行了介绍;分析说明了它们之间的关系和发展;讲述了体系结构的视图和建立过程。最后对美国国防部当前研究的新进展 DoD体系结构框架(DoDAF)和全球信息栅格(GIG)给予了介绍。关键词:信息系统 体系结构 体系结构框架 视图根据IEEE 610.12的定

2、义,体系结构(architecture)是指一个被定义领域的组成单元的结构、它们的相互关系,以及指导它们设计和随时间演进的原则和指南。随着技术的发展和实践的深入,美军越来越认识到体系结构的重要性。美国国防部(DoD)一直在开展信息系统体系结构相关的研究工作,并且取得了多项成果。DoD所提出、制定的一系列框架、指南和体系结构是构建DoD信息系统的基础。分析研究美军的这些成果,对我军信息系统的建设有着重要的意义。1 美军已有的相关研究成果从20世纪90年代初到20世纪末将近10年的时间中,DoD先后开展了多项体系结构相关的研究。在此期间,DoD提出的体系结构的相关成果及大致关系如图1所示。65军事

3、运筹与系统工程 2003年第4期收稿日期:2003-08-261.1 信息管理技术体系结构框架信息管理技术体系结构框架(TAFIM)是最早为开发支持DoD使命的信息系统而制定的策略和指南,它为开发满足特定作战和功能需求的技术体系结构提供服务、标准、设计概念、组件及配置指导。1993年TAFIM成为促进DoD信息系统集成的唯一框架,1997年1月宣布了TAFIM的第3个版本,由于形势的发展在2000年1月TAFIM被宣布取消。TAFIM在DoD信息系统体系结构的研究发展过程中,发挥了重要的作用。其中,TAFIM 3.0由8卷组成,包括技术参考模型(TRM)、体系结构概念和设计指南、基于标准的体系

4、结构规划指南、开放系统项目负责人指南、DoD目标安全体系结构(DGSA)、采用的信息技术标准(AITS)以及DoD人机界面样式指南。1.2C4ISR体系结构框架体系结构框架是关于体系结构开发与评估的统一指南。美军C4ISR体系结构框架的宗旨是为各总司令部、各军种和国防部各厅局提供一个通用的、统一的体系结构开发方法,以便用此方法开发他们各自的各种体系结构,并保证所开发的各种体系结构之间是互相关联的,在联合和合成机构之间是可比较和可集成的。虽然C4ISR体系结构框架特别瞄准C4ISR系统,不过该框架内确定的方法很容易扩展到国防部的人员管理、系统采购和财务等其它领域。美军C4ISR体系结构框架1.0

5、版本在1996年6月提交,1997年12月发布了2.0版本,1998年,C4ISR体系结构框架被宣布成为DoD体系结构框架发展的战略方向。1.3 联合技术体系结构联合技术体系结构(J TA)规定了一套通用的强制性信息技术标准及指南,用于战术、战略及支持基础系统。J TA定义的服务领域、接口和标准适用于所有的DoD系统,为DoD系统的无缝互操作提供基础。J TA的核心包括信息处理标准,信息传送标准,信息建模、元数据和信息交换标准,人机接口标准以及信息安全标准五大类标准。1996年8月发布了J TA 1.0,目前正在讨论J TA 5.0。1.4 国防信息基础设施公共操作环境国防信息基础设施公共操作

6、环境(DII COE),提供标准的环境及一套成品(OST)组件标准以及一套编程规范,用于开放系统的开发和集成。DII COE被看作是构建互操作系统的方法,是包含可重用软件组件集合的参考实现,是支持使命应用的软件基础结构。在COE中包括核心COE、基础服务、公共支撑应用、开发工具和共享数据工程(SHADE)。目前,美军的全球指挥控制系统(GCCS)、全球作战支持系统(GCSS)等都是建立在COE之上的。DII COE中一些与J TA不一致的标准将被取消,并且在DII COE演进过程中必须保持与未来J TA中标准的一致性。1.5 技术参考模型技术参考模型(TRM)作为DoD公共的概念性框架,确定了

7、公共的词汇表,描述和定义了支持DoD信息系统技术体系结构设计和互操作框架开发的服务、接口以及它们之间的关系,是信息系统选用标准和结构化的基础。TRM最初是作为TAFIM中的一卷出现的,在TAFIM取消后TRM继续发展,独立的TRM1.0于2000年正式颁布,2001年4月又提出了TRM 2.0。TRM是J TA、C4ISR体系结构框架及COE的共同基础。TRM包括应用软件、应用平台和外部环境三种实体以及应用程序接口、外部环境接口两种接口。在TRM的详细模型中,又进行了进一步的划分,标识出了服务领域和它们的接口。2 美军相关研究的发展过程美军最终确定C4ISR体系结构由作战体系结构、系统体系结构

8、和技术体系结构三个视图构成,并制75王东霞、赵刚:美军信息系统体系结构相关研究综述定了“信息管理技术体系结构框架”、“C4ISR体系结构框架”、”联合技术体系结构”、“技术参考模型”等相关重要文件,经历了一个较长的研发过程。TAFIM从提出到取消的过程,伴随着DoD体系结构相关研究的发展过程。首先是技术参考模型(TRM)和信息管理技术体系结构框架(TAFIM)的制定。1990年美国防部指导一项称为DoD公共信息管理(CIM)的计划,该计划的目的是希望加强DoD利用计算、电信和信息管理的能力来完成DoD的使命任务。开发技术参考模型和选择相关的标准成为执行该策略的第一步。美军的技术参考模型在很大程

9、度上借用了IEEE POSIX P1003.0的工作成果,根据软件理论对C4ISR模型进行描述,提出了为实施共有的技术基础设施所需要的服务和接口。该项工作突破了已往只从指挥、控制、通信和情报等专业领域定义参考模型的局限,为技术基础设施引入了共有性和标准化,也为TAFIM和J TA的制定奠定了基础。在研究技术参考模型的同时,DoD需要一个单一的技术体系结构框架来综合这些研究成果和驱动系统的设计、采办和再利用,因而编写了一系列文件,总称为“信息管理技术体系结构框架”,即TAFIM,1993年正式颁布,技术参考模型成为该文件的一卷。DoD希望系统设计师和体系结构设计师都使用TAFIM作为开发公共目标

10、体系结构的基础,以促进DoD信息系统的互操作性、可移植性和可扩展性。随后是联合技术体系结构(J TA)的研究。根据联合作战构想2010(JV2010),现代战争要求联合作战,因而互操作性成为获得信息优势的关键。1995年国防部发布指令要求建立统一的技术体系结构,提供一组最低限度的强制性标准和指南,为此成立了联合技术体系结构工作组(J TAWG)。此项研究以陆军技术体系结构(ATA)为基础,并利用了国防部正在努力推广的其他成果,形成了联合技术体系结构,并立即在DoD内强制执行。在TAFIM和J TA共存的期间,针对TAFIM中采用的信息技术标准和J TA所定义的信息技术标准之间的关系问题,有文件

11、指出:对于适用的系统,J TA特定的规范将代替TAFIM中所描述的通用的标准规范。同时,对体系结构框架的研究也一直在进行。由于DoD没有体系结构开发和使用的通用方法,各部门仍然各自单独开发适合自己特定需要和特定目的的体系结构,即使统一了技术标准仍然难以顺利实现C4ISR的综合集成和互操作。在最近几年,美国的军事战略已放在特别强调联合的和多国军事行动上面,而且提出了减少资源、精简政府机构、缩小军队规模的倡议。因此,1995年国防部提出要定义和开发保证C4I系统更好的方式和过程以满足作战需要,并成立了C4ISR一体化任务组(ITF)。该任务组提出了三种相关的视图,建立了C4ISR体系结构框架的基础

12、,并于1996年形成第一个版本。1997年12月C4ISR体系结构框架2.0正式发布。相关的配套文件“C4ISR核心体系结构数据模型(CADM)”V1.0版和“信息系统互操作能力等级(LISI)”也分别于1997年9月和1998年2月正式发布。在1998年2月签发的备忘录中规定所有的C4ISR及相关的体系结构都要依照C4ISR体系结构框架2.0开发。随着DoD的C4ISR体系结构的发展,TAFIM的取消成为自然的结果。TAFIM作为一个集合式的文件,其中的多个部分随着研究、应用的发展,得到了更清晰的认识和更深入的描述。而在整个体系结构的研究方向上,C4ISR体系结构框架给出了更为全面的指导。1

13、998年,C4ISR体系结构框架的备忘录使得美国防部的体系结构协调委员会(ACC)对TAFIM进行了重新评估,认为TAFIM和制定的新方向不一致,因而2000年1月TAFIM被宣布取消。但作为TAFIM中组成部分的技术参考模型将继续保留、发展,作为J TA和DII COE的基础。根据TAFIM取消通知,TAFIM被C4ISR体系结构框架2.0,J TA 3.0和DoD TRM1.0所取代。从上面的过程可以看出,美DoD制定的体系结构经历了逐渐标准化、理论化、模型化和体系化的过程。我们基本同意国内有关学者认为美DoD制定体系结构经历了自下而上和自上而下的过程。即技术参考模型和联合技术体系结构的制

14、定,可以看成是自下而上的过程,主要是遇到什么问题解决什么问题。85军事运筹与系统工程 2003年第4期在总结了这个过程的经验教训后,开始制定体系结构框架,作为未来美国国防部开发体系结构的指导性文件,这个过程可以看成是自上而下的过程,使得体系结构的开发形成了体系。3 体系结构框架的应用美军体系结构研究的最终目的就是促进跨部门或跨军兵种的指挥自动化系统的综合集成、互操作和在经济上的可承受性。C4ISR体系结构框架文件,作为一个高层指导性文件,用来统一体系结构开发和描述方法,以顺利实现C4ISR系统的综合集成和互操作。C4ISR体系结构框架主要由四个部分构成:公共定义、公共产品和数据、公共构件参考、

15、通用指南。公共定义阐明了作战(operational)、系统(system)、技术(technical)三种体系结构视图的概念及其相互关系和统一表述,定义了基本的体系结构表述图符和术语。公共产品和数据提供了DoD体系结构描述所必须采用的共用产品和数据,如三个视图的表示模板和综合数据字典等。公共构件参考即体系结构开发过程中无需开发但必须引用的通用参考资源,如C4ISR核心体系结构数据模型、国防数据字典系统(DDDS)、信息系统互操作等级、通用联合任务清单(UJ TL)、联合作战体系结构(JOA)、技术参考模型、DII公共操作环境、联合技术体系结构等。公共参考资源的作用是保证依据这些资源所实现的体

16、系结构与所推行的指南和准则相一致。通用指南提供了框架产品应用指南,即体系结构描述的主要过程和基本步骤,相当于一个比较宏观的体系结构开发方法学。3.1 体系结构视图的定义和作用C4ISR框架中定义的三种体系结构包括作战视图、系统视图和技术视图,如图2所示。这三种视图之间是紧密的相互制约和相互连接的关系,在逻辑上结合在一起完整地描述系统的体系结构。3.1.1 作战体系结构视图的定义和作用作战体系结构视图描述任务和行动、作战要素以及完成或支援军事作战所要求的信息流。作战体系结构视图规定信息交换的类型、交换频度、信息交换支援何种任务和行动,以及详细的足以与特定互操作要求相适应的信息交换特征,而且往往是

17、用图形描述。作战体系结构视图描述了所关心的任务和行动以及要求的信息交换,这些描述的内容对推进国防部的许多行动和评估是有用的。例如有利于培训人员,有利于评议条令和政策内涵,有利于协调联合的和多国的关系,还有利于确定由物理资源和系统支持的作战要求。作战体系结构视图一般与组织和部队结构95王东霞、赵刚:美军信息系统体系结构相关研究综述无关(也存在一些特殊情况)。作战体系结构一般也与技术无关,但是有时候作战和它们之间的关系会受到新的技术能力(如协调技术)的影响或“推动”。3.1.2 系统体系结构视图的定义和作用系统体系结构视图描述提供或支援作战功能的系统和互连,经常包含图形。对一个域而言,系统体系结构

18、视图说明多个系统如何连接和互操作,并且可以描述在这个体系结构中的特定系统的内部结构和操作。对单个系统而言,系统体系结构视图包括实体连接、位置和关键节点、电路、网络、作战平台等的标识,并可指定系统与组成单元的性能参数的标识。系统体系结构视图把物理资源及其性能特征与作战视图和由技术体系结构定义的标准所提出的要求联系了起来。系统体系结构视图描述在作战体系结构视图范围内所关心的系统和这些系统间的连接,可以用于许多目的,包括系统集成;进行投资决策,寻找满足作战要求的费效比合适的方法;以及评估互操作性的改进等。系统体系结构视图针对特定的技术和“系统”。这些技术可以是现有的、新出现的、计划中的或是概念中的,

19、取决于体系结构试图达到的目的。3.1.3 技术体系结构视图的定义和作用技术体系结构视图是决定系统部件或组成要素的安排、相互作用和相互依存的最低限度的一组规则,其目的是确保组成的系统满足一组特定的要求。技术体系结构视图提供了系统实现的技术指南,据此可以制定工程规范,建立通用的构成部件,开发产品基线。它包括一批技术标准、惯例、规则和准则,它们组成了轮廓(profile),来决定特定系统体系结构视图的系统服务、接口和相互关系,并与特定的作战视图建立了联系。技术体系结构的合理使用将会增进效率和互操作性,并确保研制人员恰当地规划系统的演进。目前已有一些技术参考资源,例如J TA、LISI等,大多数情况下

20、技术体系结构的开发可以从这些资源中抽取适用的部分,进行剪裁来实现。按照定义的三种视图,J TA属于技术体系结构视图。DII COE跨越技术视图和系统视图,而SHADE属于技术视图范围。TRM跨技术视图和系统视图范围。而CADM和LISI适用于所有视图。3.2 体系结构的建立过程C4ISR体系结构框架中对体系结构的开发过程如图3所示,分为六个步骤。06军事运筹与系统工程 2003年第4期 第一步,确定体系结构的预想用途。在许多情况下,没有足够的时间、资金或资源从上到下建立一个无所不包的体系结构。体系结构应当根据一个特定的目的来建立,可以是业务过程的重新设计、系统采购,系统体系的升级或集成、用户培

21、训、互操作的评估或任何其他目的。在开始描述体系结构前,一个机构必须尽可能明确一些问题,如试图用体系结构研究什么问题,期望体系结构帮助回答什么问题,以及读者和用户的兴趣和观点。此外,还必须考虑期望完成的分析类型。这样集中瞄准一个问题,将提高体系结构的开发效率,并使最终形成的体系结构更为合理和有用。第二步,确定体系结构的范围、背景、环境和任何其它需要考虑的假定。一但确定了目的和用途,体系结构的预期的内容也就可以确定。要考虑的问题包括体系结构的范围(行动、功能、组织机构、时间等)、合适的详细程度、在“一个较大的概念”中体系结构工作的背景、作战想定、应考虑的态势和地理范围、预计的经济状况以及在所设想的

22、时间内特定技术的可用性和能力,而且不仅限于这些问题。有些计划管理因素也会对上述问题产生影响。第三步,根据设想的用途和范围,确定体系结构需要具有的特征。为达到体系结构的目的,应当注意确定需要描述体系结构的哪些特征。如果应有的特征被遗漏,这个体系结构就会没有用。如果包含了不必要的特征,体系结构会被不必要的细节干扰。应当特别注意考虑体系结构的未来用途,这样在资源有限的情况下,体系结构能够适应今后的剪裁、扩展以及复用。第四步,基于要显示的特征,决定待建的体系结构视图和支撑产品。取决于前三步,这时可能还不需要构建一套完整的体系结构视图和支撑产品。除了对所有体系结构必须的基本产品外,只需考虑那些描绘必需特

23、征的支撑产品。第五步,构建必不可少的产品。接下来是要建立体系结构所要求的一组产品,它们由基本产品、所需的支撑产品和由体系结构特定需求驱动的单独定义的产品组成。为有利于同其它体系结构的集成,关键是要包括与适用的联合的和多国组件的关系的全部描述。如果需要,体系结构应当尽可能有效地进行剪裁。为此,在开发过程中的不同阶段,对体系结构进行一些原理性的试验分析是很有用的。第六步,将体系结构用于设想的目的。根据设想的特定目的建立体系结构。必须强调指出,体系结构促进并使得设想的最终目的成为可能,但体系结构本身并不提供结论或答案。因此,必须进行人工分析和可能的自动分析。C4ISR体系结构框架旨在促进开发足够完善

24、的、可以理解的和可集成的体系结构,以便成为分析的基础。4 新的进展(1)DoD体系结构框架(DoD Architecture Framework)。反映了美军在开发和应用体系结构描述方面已经获得经验。与C4ISR体系结构框架相比,最主要的改进包括基于设想的用途确定体系结构内容的指南;注重使用体系结构支持DoD的需求生成系统(RGS),规划、计划和预算系统(PPBS)和后勤管理系统;以及更加强调体系结构的数据方面。(2)全球信息栅格(GIG)。从体系结构的角度看,GIG是一种C4ISR系统的新体系结构,其能力的核心是建立能够“定制C4ISR能力”的信息环境。GIG体系结构遵循了C4ISR体系结构框架的三种视图。当前版本的GIG体系结构在开发时,特定想定的作战视图和系统视图是通过集成现有的体系结构产品而构建的,技术视图则基于J TA。GIG作为下一代的国防信息基础设施,被看作是DII COE的扩展,目前DII COE也被称之为GIG COE。对于技术参考模型,在2002年3月颁布的TRM 2.0中,指出TRM 2.0定义和描述了用于支持集成体系结构、J TA、C4ISR体系结构框架及COE开发的GIG服务、接口和它们之间的关系。16王东霞、赵刚:美军信息系统体系结构相关研究综述