系统互操作性评估技术研究与实现

一、选题意义和目标

系统互操作性是系统体系有效组合在一起的一个必要特性，主要指一个系统向另一个系统提供服务或接受服务，并利用这种交换服务一同有效工作的能力。对于军事信息系统，这种服务形式表现为部队、系统、装备之间的数据、信息、资源、技术等交换。军事信息系统中，系统体系互操作性等级的评估是系统技术和应用发展成熟度的度量标准。我军正在构建互操作性研究评估环境，为全军军事信息系统互操作性评估认证奠定基础，支持军事信息系统互操作性等级分析和互操作能力评估的工作。

本课题研究目标是：

（1）针对当前和军事信息系统和体系建设的发展趋势，研究和提出面向服务体系结构（SOA）的系统和能力的互操作性测试方法和手段。

（2）开发互操作性测试工具，为我军面向服务的信息系统和装备建设，提供系统采购、开发、集成、运行和维护过程中的互操作性评估工作提供支持。

二、选题背景

1. 军事系统建设成熟度发展及对互操作性提出的挑战

（1）体系结构框架的成熟度发展

从关注平台的军事系统建设的C4ISR AF 转变到面向国防企业的DoD AF，强调从国防企业的角度解决体系结构设计和实施。

（2）信息系统基础设施和使命应用建设成熟度演化

从关注国防信息基础设施（DII）和共用操作环境（COE）（我军“平台”）转型到GIG和企业级的网络中心操作环境（NCOE/NCES），目标是建立一个完善的、企业级的国防信息环境和应用能力。

（3）互操作性成熟度提升

基于上述军事信息系统建设在体系结构、信息基础环境和应用发展现状和趋势，系统集成过程中的互操作性成熟度也在逐渐向企业级（4级）提升，从关注系统和项目的互操作性测试、评估，转向支撑企业系统体系建设的互操作性测试、评估，重点是开展SOA结构的web service（WS）系统开发和建设的互操作方法研究和实施。表1展示了军事系统建设成熟度的发展。

 

 

表1 军事信息系统建设成熟度发展

 

（4）军事信息系统对互操作性提出的挑战

我军目前仍有大量遗留系统投入到军事指挥、作战、通信等方面的使用中，而现阶段开发的信息系统（如平台三期）之后更会大量应用到各种形式的军事作战中，因此为满足未来战争的军事需求，就必须能够实现系统之间的互联、互通、互操作，这也是进行现有体系结构设计的基本目标之一。

随着美军网络中心战理念的提出和发展，军事信息系统从面向平台（DII COE）的系统研发转向面向信息栅格（GIG）的系统体系（SoS）的建设；同时军事信息系统体系结构的发展也从作战系统体系结构框架（C4ISR）转变为面向美国防部企业的体系结构框架（DoDAF 1.5，DoDAF 2.0）的制定。在信息技术转型的过程中，系统互操作性评估也从独立系统集成的互操作测量和验证转移到注重以网络为中心的系统体系（SoS）的互操作性评估工作，系统自顶向下的建立一套面向全系统的互操作评估理论、方法、指南、解决方案和相关工具。

2.互操作性评估现状

（1）互操作性评估模型（LISI）

LISI(Levels of Information Systems Interoperability)是定义、评估、度量以及评定信息系统互操作性的一种方法，LISI是性能参考与度一个通用框架。LISI规定了信息系统互操作性评估模型和互操作性评估过程，为定义、评估和度量信息系统互操作性提供了一个可供参考的公共框架，以便于确定互操作性需求，评估现有系统的互操作性等级，以及为系统向更高级别的互操作性等级迁移提供技术指导。其应用包含从需求分析到系统开发、系统测试、系统维护和系统后续升级的各个阶段，可以帮助体系结构分析员及时发现互操作性方面存在的问题并确定可供选择的技术方案，从而强化了对信息系统的有效管理。

为了给信息系统互操作性评估提供依据, LISI设定了互操作性能力模型。它定义了五个互操作性等级：

0级：人工环境的隔离级互操作性；

1级：点到点环境的连接级互操作性；

2级：分布式环境的功能级互操作性；

3级：集成环境的领域级互操作性；

4级：全球环境的基于企业的互操作性。

并给出了系统的四类关键属性：规程（P）、应用（A）、基础设施（I）和数据（D），总称为PAID，来确定为达到各种层次的互操作所需要的性能集和可利用的技术实现。在不同等级上的系统四种属性又对应于各种评价体系，系统的互操作性若要达到某一等级，该系统必须满足该等级上所有PAID属性的要求。能力模型的模型库数量巨大，可根据不同的评价体系设定不同的模型。

（2）评估过程

1）LISI评估过程，首先以LISI能力模型的指导为前提，随着各个程序管理员（PM）和系统开发者提交他们的系统调查表，就可以对现有的和想定的系统进行评估，以确定一个特定的系统能够提供什么级别的互操作性。

2）将互操作性剖面图和互操作性比较表等互操作性评估结果（评估产品）收集起来，就可以建立互操作性结果数据库。

3）互操作性评估结果数据库的建立与管理是一项需要长期实施的工作。其数据分析、比较的结果可以在LISI评估产品表现出来，其中重要的两种评估产品就是评估矩阵和LISI评估覆盖图（系统节点关系）。

4）这些产品可以用来将系统互操作性的不足或者所建议的改进关联到对支持特定的作战任务的性能的标准影响上。再经过投资策略与技术引入的讨论会，可以辨别系统漏洞、不足、改进策略和协议。

（3）互操作性评估的使用

1）评估系统互操作性

2004年，卡内基-梅隆大学软件工程研究院教授Mark Kasunic、William Anderson根据LISI互操作性等级模型，提出了系统互操作性的评估方法。通过对系统进行技术兼容性测度、系统互操作性测度、操作互操作性测度和组织及文化测度来综合评估一个系统的的互操作性等级，并给出系统在互操作方面的改进策略。

2）面向服务（SOA）模式下系统体系的互操作性评估

采用SOA体制开发和集成军事信息系统已经成为系统建设技术的发展趋势，需要提出适用于web service的系统互操作性测试方法。互操作体现在两个实体之间的交互，在服务模式下，服务请求者和服务提供者之间的互操作性依赖于以下5个层面交互的一致性：

1层-机器级（设施级）协议；

2层-句法级协议；

3-层-语义级协议；

4-层-组织级协议；

5层-场景级（使命级）协议。

在底部的两层（机器级和句法级）由公共使用的Web Services标准解决。现存的标准允许以孤立地方式测试服务是否符合标准。

根据以上的5个层级为指标，分别在SOA环境中，进行基础设施方面的互操作性测试、服务方面互操作性测试、端到端的互操作性测试以及面向服务的标准符合度（一致性）测试，最终来综合评估系统互操作性。

3）基于互操作性的系统能力分析

复杂系统体系（SoS）的互操作性评估是全面的理解和评估信息化军事装备和信息系统能力要求、定义其能力需求和后续发展规划的重要支撑方法。然而为满足操作需要，在用户、系统和开发者之间的系统数量和复杂关系导致多方面的和频繁的不可互操作的途径。为改善这个状况，美国海军提出了作战能力包（NAVY’S MISSION CAPABILITY PACKAGE APPROACH）的概念。作战能力包运用体系结构方法提供了一种标准化和组织多种创建或用于开发这些系统的信息格式的机制，并给出了一种基于体系结构和系统工程方法的分析复杂系统的互操作性的综合方法，通过对系统进行需求分析、静态互操作性分析、动态互操作性分析并根据前述分析综合给出系统的改进策略。

三、课题研究内容

1.互操作性评估系统框架模型

（1）互操作性评估数据模型

以LISI定义的五个互操作等级为模型，依据系统的四类关键属性：规程（P）、应用（A）、基础设施（I）和数据（D）来依次建立互操作性评估系统的数据模型：

1）概念模型

2）逻辑模型

3）物理模型

（2）互操作性评估过程模型

基于体系结构和系统工程方法来分析复杂系统的互操作性，其互操作评估框架主要包括以下4个过程：

需求分析：评估系统功能

静态互操作性分析：检查系统连通性

动态互操作性分析：评估系统体系结构性能和行为

建议：系统改进策略

其中各个过程又具体的细分为不同的阶段，其分析重点、分析方法和结果都如表二所示。

表 2 系统互操作性综合评估框架过程模型

 

2.互操作性评估系统数据库建立及功能实现

根据拟定好的数据模型，建立数据库，并实现以下功能：

（1）互操作性数据采集和注册

（2）互操作性数据管理

（3）互操作性数据的查询和修改

（4）互操作性数据的访问和综合显示

（5）互操作性数据仓库的访问接口（API）

3.互操作性静态检验功能的设计与实现

互操作性静态检验功能的实现主要采用问卷式的数据采集和评估，提供静态互操作性等级评估所需的一系列逻辑功能实现工具，包括可变信息采集工具、信息采集工具、信息处理工具、结果显示工具。工具集主要功能性指标为：

（1）能够跟据项目互操作性验证需求变化、验证评估指标的变化动态生成调查问卷，例如动态生成单系统、双系统、多系统评估调查问卷；

（3）支持多种风格的提问和回答模式，选择或判定问题，单选或多选回答，文字叙述问答等；

（4）支持多种问卷证据资料的输入，包括数字表格、文本资料、图形图像资料、网络连接资料等，问卷内容涉及系统数据、传输服务、共性支撑和业务功能等各方面；

（5）提供问卷状态查询，状态包括待答问卷、问卷启动、问卷未完成、完成、确认、撤销、存档等；

（6）能够自动获取用户提供的文件信息，能够将问卷信息转化为相关检验证据；

（7）提供评估信息管理数据库，能够对问卷信息、检验证据信息、评估结果信息进行保存和管理；

（8）提供评估结果查询与显示功能，显示方式包括文字数字表格、矩阵、图形等。

4.互操作性动态检验功能的设计与实现

A．基于软件工具的数据采集和评估功能的设计

互操作性动态检验功能的设计首先是实现基于软件工具的数据采集和评估，利用这些工具可以进行各种试验，从而自动获取被测系统互操作性验证相关的证据。动态检验工具集包括基础软件互操作性检验、传输服务互操作性检验、数据模型互操作性检验、共性应用支撑互操作性检验、业务功能互操作性检验。动态检验工具集的主要性能指标如下：

（1）提供被测系统版本信息获取功能；

（2）能够将版本信息转换为互操作性证据；

（3）能够获取被测系统使用的基础软件信息，包括所使用基础软件的名称、版本等；

（4）提供将被测系统基础软件实际使用情况与其需求环境进行比较功能，找出其差异，并分析这些差异对系统互操作性造成的影响；

（5）提供被测系统接口数据和操作清单获取功能，能够进行接口数据和操作结构和语义的关系分析；

（6）提供输入数据识别能力分析、输出数据标准化程度分析功能；

（7）系统过程一致性信息的获取和正确性测试，建立信息和过程一致性关系表；

（8）具备符合性、稳定性、传输能力和传输压力检验能力；

（9）具备自动化测试能力；

B．基于场景的运行互操作性数据采集和评估的研究

系统互操作性动态检验的最终目的是达到在（作战）场景中，系统运行环境下的互操作性的评估。其主要方法是捕捉体系结构操作视图的一些侧面，诸如空军作战业务等，在每个侧面捕获所涉及到的参与者，以及为支持有效地实现整个使命，他们之间的交互、他们的功能、决策、活动、以及信息流等。以这些捕捉的元素为互操作评估的基础信息，根据预定评估模型，参考环境、业务（作战）目标等诸多因素，最终评估预定场景中，运行系统的互操作等级。

 

 

 

 

 

 

 

 

四、主要参考文献

[1]DoD Architecture Framework Version 1.0，Deskbook，9 February 2004

[2]DoD Architecture Framework Version 1.5，23 April 2007

[3]DoD Architecture Framework Version 2.0，28 May 2009

[4]DoD Architecture Framework Version 2.02

[5]DoD IT Enterprise Strategy and Roadmap Version 1.0 – 6 SEP 11，September 2011

[6]Department of Defense Net-Centric Data Strategy， 2003

[7]Department of Defense Net-Centric Services Strategy ：Strategy for a Net-Centric, Service Oriented 

DoD Enterprise ，2007

[8]Department of Defense Information Sharing Strategy， 2007

[9]Department of Defense Global Information Grid Architectural Vision：Vision for a Net-Centric, 

Service-Oriented DoD Enterprise，2007

[10]Levels of Information System Interoperability (LISI)，30 March 1998

[11]Measuring Systems Interoperability: Challenges and Opportunities，April 2004

[12]Net-Centric Implementation Framework：Net-Centric Enterprise Solutions for Interoperability (NESI) ，2007

[13]指挥自动化系统互操作性等级及评估，December 2004

[14]张家祥、方凌江、罗雪山，LISI的分析与借鉴，2003

[15]张家祥、方凌江、罗雪山、毛全胜，LISI的评估方法，

[16]王伟，C4ISR系统互操作试验平台构建，2010

[17]叶方超、吴启波、万学军，C4ISR系统的互操作性试验与评价，2010

[18]谢宇宝、孙洪伟、李钦富，信息交换标准互操作性等级及评估研究，2012

[19]罗爱民、黄力、罗雪山，信息系统互操作性评估方法研究，2009

[20]金培权、安昌全、岳丽华，作战系统互操作应用效能的综合评估方法，2007

[21]刘建涛、李广文、张家祥，建立我军信息系统互操作等级模型，2006

[22]陈　博、刘新盛、高阜乡，军事信息系统互操作性等级模型研究，2007

[23]马东堂，军事信息系统的互操作性研究，2009

[24]高阜乡、马超、欧有远，军事电子信息系统互操作性测评研究综述，2009

[25]徐正权、张华，基于Web的软件构件互操作性研究，2002

[26]丁毅、王鹏，基于ASP.NET互操作性评估工具设计与实现，2012

 

五、课题研究实验环境

操作系统：Windows XP sp3

运行环境：JDK6.0、Tomcat6.0

数据存储：MYSQL5.5

程序访问：IE浏览器8.0