美军通用开放式架构浅析与启示

软件定义世界 

美军通用开放式架构浅析与启示

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引言

通用开放式系统架构的设计思想已经成为美军装备发展的共识，逐渐从最初的通信领域扩展到卫星、雷达、电子战等领域。最新电子信息相关装备市场的发展趋势表明，实现下一代灵活且适应性强的电子系统无论是从技术、应用场景、还是经济成本上考虑，采用通用开放式系统架构进行软件定义系统的商业化都是必然的发展趋势。本文初步探讨对于众多的开放式体系架构，美军是如何继承和发展，并逐渐走向融合，以及这种发展趋势带来的一些启示。

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通用开放式架构的必要性

随着联合多域作战态势的逐渐成熟，传统单一体制的功能性装备面临越来越大的挑战。为了跟上新技术的不断发展并减少士兵受到的威胁，必须将已部署的平台转变为具有动态适应性的实体，将软硬件紧耦合的功能实体转变为软硬件解耦的软件定义智能系统；不仅能够满足复杂多变战场环境的技战术需求，也能实现新技术的快速插入，实现低成本下的迭代升级。

相关系统设计人员面临的主要挑战之一是，当技术在市场上可用时，保持技术与最新创新保持同步需要花费巨大的费用和精力。此外，还希望具备能够快速引入新算法（即快速反应能力），并能够在多个系统之间轻松移植特定的任务能力。从单功能系统转向多元智能或多任务系统转变，可以根据备用固件或软件负载重新用于不同的功能。要想实现下一代灵活且适应性强的电子系统，还需要做更多的事情，其中最为重要的就是通用开放式系统架构的建立。

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典型的通用开放式架构简介

MORA、FACE、CMOSS、HOST、SCA等等诸如此类的名词令人眼花缭乱，各种标准规范的出现和其发展的方向总是在不断推动着整个行业的前进。创建标准往往是一个漫长而困难的过程，但它可以减小相关系统的尺寸、重量和功耗 （SWaP），提升装备的综合化水平，并通过共享硬件和软件组件来确保跨多个平台的通用性。通用的开放式设计允许在这些标准之上构建其他标准，以提高互操作性，以及减少开发、部署和成本。最重要的是，开放式标准规范有助于使用最新技术以实现更快地交付高级系统。

01 基于模块的开放式系统方法MOSA

20 世纪90 年代，美国国防部( DoD) 提出了基于模块的开放式系统方法( MOSA)。由于MOSA采用开放式的松耦合标准化模块，可选择的供应商多，新技术渗透快速，升级改造便利，同时又有效地控制和降低成本。因此，在商业和军事方面得到了重要的应用和推广。2019年1月7日，美国国防部（DoD）发布了一份由陆军、空军和海军部长签署的备忘录，要求使用模块化开放系统方法（MOSA）。该备忘录指出，“MOSA支持标准应尽可能纳入未来武器系统修改和新启动开发计划的所有要求，规划和开发活动中。事实上，MOSA的这一授权甚至被编纂成美国法律（Title 10 U.S.C. 2446a.（b），Sec 805），该法律规定所有主要的国防采购计划（MDAP）都将使用MOSA开放架构进行设计和开发。

事实上，MOSA并不像一个具体的技术规范，而更是一种装备建设的指令性思想。武器的标准化与开行系统可降低开发与整合的交易成本；把有限的国防预算专注投资于技术创新的发展路径更具优势、成本更低；MOSA将颠覆传统商业模式，该转型将对业界影响巨大。可以说，美军的通用开放式架构的装备建设思路正是遵循MOSA的基本原则发展起来的。

02 软件通信体系结构SCA 

SCA（软件通信体系结构）继承了软件定义无线电SDR的核心设计思想，构造了一个具有开放性、标准化、模块化的通用软硬件平台。海湾战争后，美军发现自身无线电装备灵活性极低，导致战场上出现大量的“信息烟囱”和“信息孤岛”，为打破军用无线电装备的信息壁垒，指导未来军用通信体系建设，解决军事电子信息系统的互联互通和一体化问题，美国国防部倡议的联合战术无线电系统（JTRS）计划将开发一种适用于所有军种要求的软件定义无线电系统。为此，制定了SCA标准规范，其目的是建立独立于设备的软件框架，确保软件和硬件的可移植性和可配置性，并确保根据SCA开发的产品之间的互通，是一种开放式和模块化的顶层设计体系结构标准。

2012年SCA作为JTRS项目被国防部认可的最高成果，移交给联合战术网络中心（JTNC）进行管理；JTNC旨在整合更大的以网络为中心的无线电通信平台，同时承担持续发布SCA的更新版本的职责。目前，JTNC与WInnForum软件定义系统委员会一起对SCA及其相关标准规范进行管理和维护。

自2012年以来，美军还将SCA作为CMOSS体系、FACE标准体系等多个关键领域的核心标准支撑。

03 硬件开放系统技术HOST

硬件开放系统技术HOST标准由美国海军海军航空系统司令部（NAVAIR）于2014年在帕图森特河发起。

HOST的主要针对航空电子处理，并主要关注系统管理架构。该硬件标准侧重于VMEBus国际贸易协会（VITA）的标准，以满足国防部和航空特定要求。HOST标准为开发美国军事防御系统的开放式嵌入式系统提供了硬件框架，包括通信系统，任务计算系统，定位导航和定时（PNT）系统以及电子战（EW）系统。HOST包含硬件要求，这些要求支持跨各种军事平台和应用程序的设计，这些设计是可验证的、开放的、可升级的和可持续的，适用于专为可扩展性而设计的计算机硬件体系结构。

HOST 使用商用现货 COTS） 技术开发非专有和公开可用的架构标准，使用HOST的系统易于升级，因为组件可以分离并与各种配置重新组合，这有助于更换过时的硬件模块以满足不断变化的平台要求。

04 未来机载能力环境FACE

未来机载能力环境（FACE联盟）成立于2010年，旨在为所有军用机载平台类型定义开放的航空电子环境。FACE技术标准是一种开放的实时标准，用于使安全关键计算操作更加健壮、可互操作更强、便携且安全。该标准的3.0版本（2017年发布）进一步提升了应用程序的互操作性和可移植性，增强了在FACE组件之间交换数据的要求，包括正式指定的数据模型，并强调定义标准的通用语言要求。通过使用标准接口，该开放标准实现了系统和组件之间的互操作性以及接口重用。图示是FACE的软件架构，共分为可移植组件单元、传输服务单元、平台特定服务单元、输入输出服务单元以及操作系统单元。

美国海军提出未来机载能力环境概念，目标是建立一个公共操作环境，以支持软件在任意机载电子系统上的移植和部署。该思想受到了移动设备中使用公共操作环境所带来优势的启发。FACE通过制定一个严格的开放标准集合，采用开放式体系结构、集成式模块化航空电子系统和模块化开放系统分析方法，使航空电子系统内部应用程序之间的互操作性最大化。

05 C5ISR模块化开放标准套件（CMOSS）

2013年，美国陆军的CERDEC小组启动了一项名为C5ISR（指挥、控制、计算机、通信、网络、情报、监视和侦察）/电子战模块化开放标准套件（CMOSS）的计划，该计划侧重于通过利用其他行业开放标准计划定义一套标准来正面解决许多雷达系统集成问题。CMOSS试图全面解决集成挑战，不仅针对硬件模块，还着眼于软件、网络和前端RF模块。

CMOSS定义了以下层：

硬件层 – 具有特定插件卡配置文件的 OpenVPX。

软件层 - 未来机载能力环境（FACE）；用于软件定义无线电（SDR）框架的软件通信架构（SCA）。

网络层 – 用于 C4ISR/EW 互操作性的车辆集成（VICTORY）。

RF – 模块化开放式射频架构 （MORA）。

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通用开放式架构的融合—SOSA

随着各个行业标准的的不断发展，MOSA基于模块的开放式系统方法已经得到了大大的认同。但与此同时，美国国防部意识到，再继续这样开展业务，每个领域的平台实际上都是一个烟囱式的领地，制定不同的标准，在那里开发技术以满足各自领域独特的需求，甚至于这些标准本身就是基于相似的思想设计的雷同架构。这种情况导致反复付费以创建相同的功能，但最终可能无法与系统外部的任何东西进行互操作，因为它的接口是为特定目的和用途而开发的。而国防部需要更快、更可靠地开发新功能，并具有长期的生命周期观点以及更为宏观和系统的视角。此外，开发成本上升和需要更快地过渡技术的关键问题，加上预算的缩减，要求国防部更加敏捷。

由于前面所列的各种标准化举措都有相似的目标，美国国防部（DoD）在所有军事部门推动了一项单一举措：传感器开放系统架构（SOSA）联盟诞生了。SOSA联盟采用了许多CMOSS标准计划，但专注于传感器处理的整体架构。如今，CMOSS、HOST和SOSA计划之间存在很多重叠，大部分新工作都是在SOSA联盟内完成的。虽然这些独立的工作一开始都专注于满足每个本地服务客户的能力需求，这些不同的标准化技术联盟意识到，通过在 SOSA下合作，他们可以降低彼此的成本。SOSA架构方法：利用现有的开放标准，如图所示。

SOSA由位于俄亥俄州赖特-帕特森空军基地的美国空军生命周期管理中心（AFLCMC）发起，并于2015年在FACE联盟中孵化。为了帮助确保由此产生的SOSA技术标准侧重于前面列出的挑战，SOSA联盟定义了互操作性、安全性、模块性、兼容性、可移植性、即插即用、可升级性、可扩展性等多个质量属性，用于指导正在进行的工作。

为了促进模块化和可移植性，SOSA技术标准更笼统地定义了模块，而不仅仅是硬件实体。虽然硬件卡可能是一个“模块”，但它也可以应用于软件功能，或卡和软件的组合。关键是模块具有明确定义的边界，可分割的，并且具有明确定义的功能。模块的使用对于使系统更容易升级为新技术或替代功能至关重要。为了适应多种用例，定义了如图所示的通用高级SOSA传感器系统。

仔细观察这些层，作为传感器开放系统架构定义的一部分，正在使用和完善多个标准。

在硬件模块级别，CMOSS和SOSA都采用了OpenVPX，但定义了插件卡配置文件的子集来限制唯一配置的数量。这是通过定义所有用户 I/O 引脚来完成的，而不是像标准 VPX 中那样将它们保留为“用户定义”。此外，这些配置文件优先考虑背板同轴电缆和光纤功能，而不是其他 I/O，将背板而不是前面板 I/O 用于光纤和射频；这些措施是简化板卡更换、避免复杂的电缆管理以及提高更高水平的可靠性和密度的关键。另一个关键措施是使用以太网作为基于 3U 和 6U 的系统的唯一结构协议。

在软件层，标准化运行时环境可能会支持几个选项。目标是利用FACE，OMS，MORA、REDHAWK，SCA等成熟标准，在这些技术标准之间寻求平衡和互相兼容的设计实现。软件可移植性和模块化将是关键，因为这是可以升级或替换新模式、新波形、新对策或其他类似功能的地方。

综上所述，SOSA计划正在努力实现一个定义明确的构建模块架构，该架构将利用COTS市场提供的模块生态系统，促进模块化雷达，SIGINT，EW和通信系统。这种系统的示例如图所示。

从 COTS 的角度来看，SOSA 将更容易替代竞争对手的产品，但仍有机会在加固、供应寿命、增强安全性和其他超出架构定义的功能方面实现差异化。

SOSA联盟以及其他类似举措必须面对的重大挑战之一是平衡和兼容众多体系规范，在不同的标准之上构建相互兼容的设计实现是SOSA取得成功的关键。以SCA与SOSA的兼容性设计为例进行说明。

SCA规范的维护机构WInnForum与SOSA联盟致力于二者的融合兼容。WInnForum启动“类SCA”计划，提出补充联合战术网络中心（JTNC）模块化无线电体系结构（SCA）的方法，并加强与相关组织的合作，以扩展SCA对新兴架构SDS的支持。

2020年1月发布了白皮书大纲，旨在启动WInnF、CMOSS和SOSA之间的对话。

2020年秋季，WInnF/SOS协议最终确定，为这两个组织之间提供了进行直接对话的平台。

2021年夏季，SCA项目成员向SOSA开发并简要介绍了两个WInnF设施的概述：收发器和定时器。

2021年，SCA项目组查看在SOSA规范中没有充分解决的通信方式相关问题，利用SDR标准SCA概念来解决通信方式中的问题；并提交战术通信标准项目建议书，主要目的演示SCA/SOSA的兼容性。SCA核心框架负责进行升级以适应跨框架交互，以尽量减少对组件的影响；SOSA资产通过SOSA互连（w/SOSA协议）或直接（通过本地SCA方法）与SCA资产进行通信。其最终目标是不对设备提出额外的要求，使得资产复用最大化。

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总结与启示

通用开放式体系架构的装备建设思路是雷达、通信、电子战等高端装备发展的技术方向，各技术标准之间的兼容融合设计是解决不同场景、不同领域的设备间互联互通互操作的关键。美国空军、陆军和海军的代表以及国防部的已经认识到，设备能力不再需要或应该与昂贵的平台挂钩，而应该以模块化的方式开发，以便在系统设计和开发过程中可以方便地更换系统，这种方法对于保持美国的竞争力尤为重要。硬件的模块化和标准化设计比较容易理解，更为关键的是软件标准化的价值主张。软件模块化的标准化创造了一个可以共享和重用软件的环境。标准化接口的充分定义允许更快地添加/部署新应用，实现新技术的快速迭代和满足更为复杂的联合作战场景需求。目前，不同组织面临的挑战是确定如何应用开放式架构方法和行业标准，以最好地满足其共同和特定的嵌入式系统需求。

美军基于通用开放式架构的装备建设路线还在持续的演进之中，其带给我们的启示主要有以下几点。

1、 通用开放式架构有利于实现新技术的快速插入，能够以更加敏捷的方式应对不断变化的外部威胁。

2、 通用开放式架构能够充分利用商业现货资源，缩短装备研发周期，降低装备研制成本，有助于在国防经费不能持续大幅增长的条件下，将更多的资金投入到高新技术的研发。

3、 通用开放式架构有助于提升系统的综合化水平，提升系统间的互联互通互操作能力，更加适用于多域联合作战的应用场景。

4、各行业制定通用开放式架构标准时，要充分考虑标准规范之间的一致性和兼容性，以免在标准之间形成新的壁垒。