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【云計算】隨身攜帶的戰術云——戰場邊緣的模塊化數據中心

2022-02-18 12:13:34

來源：防務快訊

一、簡介
能否在通信無連接、時斷時續、低帶寬（DIL）的戰術邊緣環境中，以本地方式生成并處理任務關鍵型數據，以及恢復連接后能否立即實現數據同步，是保障作戰部隊順利完成任務的一個關鍵要素。美軍將戰術環境中的云計算列為構建下一代戰術網計劃的重點，部署于戰術邊緣的模塊化數據中心能夠更好地實現分布式遠征任務指揮。

二、需求背景
為了實現并保持作戰優勢，協調所部署的部隊以及交付新的能力，美國的陸、海、空三大軍種都在積極尋求開展新的計劃，例如聯合全域指揮控制（JADC2），以確保最大限度地提高作戰人員的態勢感知能力。這些計劃將交付各種計算和帶寬密集型技術，提高對大數據分析、人工智能/機器學習和視頻的利用率，如使用通用技術標準、應用程序接口（API）和數據格式，在作戰人員協同行動時，為其提供所需的指揮控制信息。
為實現這些新能力所開發的軟件越來越依賴于云，而云本身可能存在于各種數據中心中，包括一些大型商業機構的數據中心（如亞馬遜AWS政府云和微軟Azure政府云）以及美國國防部的區域網絡樞紐節點（RHN）。這些區域網絡樞紐節點位于五個獨立的戰略區域中，美海軍陸戰隊和陸軍部隊能夠利用這些節點，從遍布全球的各戰區戰術網絡上獲取所需的信息。
但隨著各部隊越來越依賴基于云的服務，出現了兩個亟需解決的問題：一是由于電子戰（EW）的通信對抗而導致對云的廣域訪問被拒絕；二是由于帶寬減少而造成的訪問能力降低。在無法訪問云的情況下，若要交付先進的新戰術能力，并確保其持續可用，關鍵是要大幅提高戰場戰術邊緣組網和計算的性能、運行速度和機動性。這樣才有可能在移動的分布式云中復制關鍵數據和服務，將信息資源傳輸到戰術網的邊緣。
依賴視頻、傳感器數據以及人工智能/機器學習的計算型和帶寬消耗型應用程序數量在不斷激增。為了跟上這一趨勢，為戰場作戰提供支援，需要以最大速度在本地進行數據處理。同時，為了實現下一代態勢感知能力，美國防部正在尋求在遠程計算節點和中央云之間部署分布式處理和數據復制能力，在DIL環境中提供持續作戰能力。
三、研發現狀和應用解決方案
目前，云復制計劃的案例包括美國陸軍跨職能團隊的指揮所綜合基礎設施（CPI2），該團隊目前正在開發指揮所保障車（CPSV）原型。從本質上講，指揮所保障車就是一個移動數據中心，由一輛軍用卡車攜帶一個小型數據中心服務器，并可在未來的迭代中支持本地云。同樣，美國陸軍未來司令部也發布了一份路線圖，詳細說明了對強大的云計算能力的要求。

指揮所保障車

美國空軍正在開發先進作戰管理系統（ABMS）。ABMS是一個聯合云系統，將通過其已經在亞馬遜AWS云和微軟Azure政府云中運行的CloudONE安全云提供安全的數據處理。ABMS還定義了一個本地云，即EdgeONE，即便在與CloudONE的通信斷開的情況下，仍能提供持續的安全數據處理能力。而美國海軍最近發布了一份招標書，以期企業界為其有人-無人機編隊的戰術云分析提供支持。標書要求即使在戰術部隊暫時與戰術網絡斷開連接的情況下，遠程部署的云仍能提供數據處理服務。
若要實現移動云為戰術邊緣所帶來的能力，企業界將需要堅固耐用且可現場部署的新型網絡處理和數據存儲解決方案，讓戰術和遠征團隊能夠訪問其所需的所有數據和計算資源。這些系統將需要能夠提供與云類似的服務，即便在無法保證WAN連接的DIL環境中，也能保持應用程序和數據的高作戰可用性。更為重要的是，移動云系統將需要與先進的公共云、政府云和私有云提供商無縫集成。
在將高性能計算和云服務帶入戰場之前要做大量的前期鋪墊工作，包括嘗試部署大量標準數據中心設備，并將這些設備安裝在運輸集裝箱中，例如美國陸軍的“Container Express（集裝箱快車）”或 CONEX 試驗等。但事實證明，這些系統過于龐大，且難以運輸，極大地限制了它們的移動性。
此外，這些標準解決方案十分耗電，而這又給移動性增加了額外負擔。在戰場邊緣，燃料運輸不但困難危險，且成本十分高昂。而性能更高、體積更小的服務器與分布式處理的新方法相結合，可提供將更小的處理能力移動到更靠近邊緣位置的潛力，從而提高了機動性。
在支持移動應用程序方面，堅固性也是一個主要因素。在設計移動數據中心時，應確保其符合軍用環境標準，例如 MIL-STD-810，從而確保在處于惡劣溫度、振動、沖擊和電磁干擾等典型戰場環境時，還能夠以最佳狀態運行。而傳統的標準19英寸機架式數據中心設備并非為承受惡劣環境而設計，也無法在移動中運行。為了滿足機動性以及與相應安裝平臺集成的要求，新型移動云解決方案需要在對其外形尺寸按照體積小、重量輕、功率大（SWaP）原則進行優化后，提供高可靠性的計算和存儲能力，即專為關鍵任務應用程序而設計，并能夠支持海量數據。目前美國軍方以及一些防務公司已經提供了一些解決方案，能夠提供高性能計算、存儲和網絡基礎架構，以處理如此大的數據量。這些模塊化系統能夠針對程序需求進行優化，從而可以根據作戰需求，最大限度地增加CPU內核、GPU內核的數量，或提高固態存儲的容量大小。
當這些模塊化數據中心使用符合行業標準的處理器和NVidia GPU時，它們將與各種應用程序兼容，并能滿足大量C5ISR系統的需求，包括數據收集、分析/人工智能和態勢感知。這意味著，這種新型的模塊化數據中心還能夠支持新興的分布式處理、存儲/復制和超融合基礎架構軟件，從而能夠提供移動云服務。
Curtiss-Wright公司的 PacStar模塊化數據中心（MDC），是當前可投入實戰應用的模塊化數據中心之一，可在戰術邊緣支持移動云應用程序。這是一個基于商用現貨、模塊化、堅固耐用的戰術和遠征數據中心，能夠托管云/存儲、人工智能和分析應用程序。該數據中心使用成熟的小型模塊來實現計算、存儲和聯網功能，并在實現SWaP方面處于行業領先地位。這個系統可以在前沿作戰基地、指揮所、地面車輛和飛機以及更高層級的部隊中部署——供軍事、情報、執法和國土安全部門使用。根據具體的作戰需求，PacStar MDC的配置可能包含計算模塊、存儲模塊和GPU模塊的組合，以及交換/路由模塊。

安裝在聯合輕型戰術車輛（JLTV）上的 PacStar400系列網絡套件

PacStar模塊化數據中心

四、關鍵技術
隨著技術進步，現在美軍已經能夠部署新興的軟件基礎架構，來實現分布式數據處理和存儲、通信以及云復制的自動化，以確保對戰場邊緣的態勢感知優勢。大型企業正在迅速開發各種新技術，確保數據和應用程序能夠無縫地從云端傳輸到邊緣，然后回傳，幾乎不需要操作員干預。實現這一目標的幾個關鍵技術包括應用程序虛擬化和容器化、網絡虛擬化、超融合存儲基礎架構。
應用程序虛擬化和容器化，是將應用程序與底層硬件分離的技術，允許多個應用程序在單臺服務器上安全運行，通過減少處理應用程序所需的服務器數量來優化SWaP。這兩種技術還能夠實現將應用程序從一個服務器復制或遷移到另一個服務器，以及從云端復制或遷移到邊緣客戶端，平衡計算資源的可用性或最大限度地減少網絡連接的延遲。對于戰術部隊而言，這提供了將一些應用程序移動到靠近作戰人員位置的潛力，從而減少處理延遲，甚至在通信斷開連接時也能提供處理能力。
超融合存儲基礎架構（HCI）技術將應用程序數據的存儲與硬件分離，同時還消除了對傳統的網絡附加存儲（NAS）或存儲區域網絡（SAN）架構的依賴。這些新技術是在云和邊緣處理之間復制數據的基礎——使作戰人員能夠將云數據的副本帶入戰區，并在適當的時候，能夠在DIL環境中對數據進行復制和更改。
對于需要高可靠性的已部署部隊而言，HCI還能提供本地數據復制，確保即便在服務器或磁盤發生故障的情況下，也能在戰區中使用數據。這些技術的新進展，正在迅速提高戰術部隊在任何主要云提供商之間復制數據的能力，以及在戰場邊緣和云之間遷移應用程序的能力，為作戰人員提供最大程度的戰術機動性。
在網絡邊緣擁有一個采用現代軟件基礎架構的融合計算/存儲/聯網模塊化數據中心將帶來很多優勢。在DIL環境中運行時，該數據中心可以支持各種不同的作戰需求，包括托管態勢感知、任務指揮和指揮控制應用程序，支持信號情報、人力情報和圖像情報數據收集和分析工作負載，以及支持基于物聯網和傳感器融合的新興應用程序。這是一種理想方案，將確保由新的全域態勢感知驅動的作戰條令能夠取得成功，同時還能解決戰術邊緣DIL環境中的通信問題。

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