ПРЕСС-ЦЕНТР

Стандарты повышения защищённости: MicroTCA готов к новым военным подвигам

МКА: ВКС №2/2011

Дэйвид Персли (David Pursley), Kontron

Используя модульные мезонинные платы AdvancedMC и дополнительные возможности, которые предоставляют альтернативные спецификации, можно создавать высоконадёжные компоненты для построения прикладных систем военного назначения.

Введение

Технология MicroTCA, которая была разработана с учётом максимально жёстких требований к условиям эксплуатации телекоммуникационных приложений, предоставляет разработчикам боевых систем весьма гибкие возможности по обеспечению надёжности и пропускной способности в соответствии с потребностями систем военного назначения. Эта платформа отличается высокой степенью конфигурируемости, возможностью применения разнообразных мезонинов стандарта AdvancedMC (Advanced Mezzanine Cards), что позволяет создавать модульные конфигурации с развитым набором функций, идеально подходящие для создания широкого спектра боевых приложений для работы в экстремальных условиях.

Однако несмотря на многообразие предоставляемых технологией MicroTCA функциональных возможностей, разработчиков приложений военного назначения более всего привлекает развитие именно прочностных спецификаций стандарта. В настоящее время появились различные производные спецификации, которые позволяют использовать обычные печатные платы AdvancedMC и, насколько это возможно, базовую спецификацию MicroTCA. Трудность для разработчиков в этой ситуации заключается в том, чтобы понять, в чём суть каждого варианта и какую роль играет каждый из его компонентов в создании высокоустойчивых к жёстким условиям эксплуатации систем. Эти прочностные стандарты дополняют спецификацию ANSI/VITA 47, определяя условия эксплуатации разрабатываемых модулей.

Во многих случаях есть несколько вариантов решений, что требует полного понимания всего спектра спецификаций MTCA.x. Для выбора наиболее подходящего раздела стандарта MicroTCA чрезвычайно важно адекватно выявить физические характеристики условий применения (например параметры ударных воздействий и вибрации, а также правильный диапазон рабочих температур).

Требования к характеристикам защищённости и не только

К системам военного назначения наряду с ограничениями в размерах, весе и энергопотреблении (параметр SWaP – Size, Weght and Power), предъявляются такие требования, как более высокая вычислительная мощность и пропускная способность системы, более высокий коэффициент готовности, большие объёмы памяти, более сложная обработка сигналов. При этом разработчики подобных приложений должны учитывать разнообразие прикладных требований со стороны всевозможных сетецентрических систем управления и командования. Военные программы типа реализуемой ВМФ США инициативы CANES (Consolidated Afloat Networks and Enterprise Services – единая компьютерная сеть корабельной и береговой инфраструктуры), программ BCTM (Brigade Combat Team Modernization – модернизация боевых бригадных групп), JTRS (Joint Tactical Radio System – объединённая система тактической радиосвязи), WIN-T (Warfighter Information Network-Tactical – тактическая войсковая информационная сеть) и прочие наземные системы командных подразделений предоставляют практически беспредельные возможности сетевых коммуникаций. Они позволяют связывать друг с другом командные центры и отдельных солдат, обеспечивая оперативную ситуативную осведомлённость каждого. Системы, применяемые в подобных программах, должны соответствовать требованиям МО США в области защищённости, мобильности, гибкости использования, механической прочности без увеличения размеров, массы и потребляемой мощности.

Решая указанные задачи, военные разработчики всё чаще начинают пользоваться открытыми и стандартизованными COTS-платформами. Именно в этой области технология MicroTCA находится в выигрышном положении, благодаря возможности реализации большой вычислительной мощности, чрезвычайно высокой пропускной способности и коэффициента готовности в компактном во всех смыслах – размер, вес, энергопотребление – виде.

Гибкость проектирования военных приложений

МТСА.0

Технология MicroTCA разрабатывалась как дополнение технологии AdvancedTCA с сохранением наиболее важнейших концепций последней (основные топологии межсоединений, структуры управления и т.п.). Если технология AdvancedTCA ориентирована на построение приложений большой производительности, то MicroTCA предназначена для создания систем более дешёвых и сравнительно меньших по физическим размерам, функциональным возможностям и производительности. В качестве основных системных компонентов используются мезонины AdvancedMC одинарной или двойной ширины, которые подключаются к общей объединительной панели напрямую и без платы-носителя и обеспечивают наличие интерфейсов PCI-Express, GbE, 10GbE или Serial RapidIO. С этими интерфейсами, а также благодаря возможности непосредственной установки на объединительную панель MicroTCA, мезонины AdvancedMC фактически превращаются в компактные blade-модули. Таким образом, системные архитекторы получают возможность строить сложнейшие системы на основе уже знакомой и испытанной инфраструктуры.

Применение технологии MicroTCA позволяет разрабатывать системы от небольших устройств без резервирования до систем с 12 мезонинами AdvancedMC и полным резервированием. Именно такая гибкость компоновки в меньшем физическом объёме и привлекает разработчиков военных систем с повышенными требованиями – систем COMSEC (Communication Security – безопасность связи), радаров, эхолотов, телеметрических устройств, SDR-систем (Software-defined radio – программно определяемое радио), систем обработки изображений и систем C4ISR (Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance – можно перевести как «Командование, Управление, Связь, Компьютеры, Анализ, Наблюдение и Разведка»). У проектировщиков появляется возможность разрабатывать как недорогие системы MicroTCA с одним или двумя мезонинами AdvancedMC, так и небольшие суперкомпьютеры, в которых все 12 слотов MicroTCA будут заняты процессорными модулями. В частности, система с шестью процессорными и шестью коммуникационными модулями может быть использована как COMSEC-приложение для обработки открытой (red), зашифрованной (black) и ложной (colorless) информации. Установка 12 процессоров была бы идеальным решением для создания приложений, требующих огромных вычислительных мощностей, таких как SDR-системы, системы обработки изображений или системы TRANSEC (Transmission Security – защищённая передача) для защищённого обмена речевыми, цифровыми и видеоданными между участниками военных действий и командными центрами.

По своей организации технологии AdvancedTCA и MicroTCA обеспечивают встроенную поддержку сетевых топологий на базе IP-протокола (Internet Protocol), что отлично соответствует задачам сетецентрических военных инициатив типа программы WIN-T. Сеть на объединительной панели MicroTCA, в которой каждый blade-модуль подключён стандартным образом, похожа на обычную локальную офисную сеть и управляется весьма просто. Это существенно упрощает разработку соответствующего программного обеспечения по сравнению с другими архитектурными подходами.

Более того, недорогие реализации AdvancedMC обеспечивают соединение от двух до четырёх мезонинов AdvancedMC непосредственно по объединительной панели. Подобная «усечённая» инфраструктура обладает всеми стандартными характеристиками AdvancedMC, отличаясь меньшей стоимостью и набором функциональных возможностей, но удовлетворяя при этом многим требованиям к системам военного назначения, таким как снижение затрат на приобретение, сокращение сроков разработки, уменьшение размеров и обеспечение конкретного уровня производительности.

Kontron AM4010

Kontron AM4010 – высокоинтегрированный процессорный модуль, выполненный в виде одноплатного среднеформатного (Mid-size) или полноформатного (Full-size) мезонина AdvancedMC. Это устройство предназначено для применения в системах АТСА, но соответствует также стандарту MicroTCA и может использоваться для построения недорогих высокопроизводительных коммуникационных MicroTCA приложений.

Дальнейшее повышение защищённости

Модули и системы MicroTCA изначально разрабатывались для приложений с воздушным охлаждением, менее требовательных к возможностям работы в жёстких условиях эксплуатации, хотя они вполне соответствуют требованиям NEBS (Network Equipment Building Systems – требования по построению операторских сетей) уровня 3. Системы, соответствующие требованиям NEBS, обладают заданными рабочими характеристиками в отношении температурных диапазонов, огнестойкости, уровня излучений и сохранения работоспособности даже во время сильного землетрясения. Системы уровня 3 разрабатываются и тестируются для работы в чрезвычайно жёстких климатических условиях, таких как экстремальные температуры, влажность, высота и землетрясения вплоть до 4-ой сейсмической зоны, или до 7 баллов по шкале Рихтера и выше. Подобные требования, предъявляемые к бесперебойно работающим телекоммуникационным системам, вполне подходят и для систем военного назначения.

Блок схема принятия решений упрощает выбор наиболее подходящей для вашего приложения спецификации MicroTCA
Блок схема принятия решений упрощает выбор наиболее подходящей для вашего приложения спецификации MicroTCA (Увеличить)

Вдобавок к этому, дополнительные спецификации MicroTCA ещё более расширяют диапазон применений этой платформы в жёстких условиях эксплуатации. Каждая «прочностная» спецификация MicroTCA (МТСА.1 и МТСА.3) определяет несколько «классов устройств», соответствующих заданным диапазонам температур, ударных нагрузок и вибраций. Таким образом, у системного проектировщика есть широкий выбор спецификаций MicroTCA и классов устройств, которые он может использовать для разработки системы в рамках принятой программы (см. блок-схему).

МТСА.1: защищённые системы MicroTCA с воздушным охлаждением

Спецификация МТСА.1, ратифицированная в 2009 году, определяет более жёсткие, по сравнению со спецификацией МТСА.0, параметры устойчивости к воздействию температур, ударных нагрузок, вибрации и влажности. Она идеально подходит для разработки мобильных устройств связи и аппаратуры для работы вне помещений, в частности аэрокосмических систем, средств промышленной автоматизации, транспортной и связной инфраструктуры. Спецификация МТСА.1 применяется совместно с базовой спецификацией МТСА.0, обеспечивая применимость последней для создания более требовательных приложений военного назначения, климатические характеристики эксплуатации которых определяются классом EAC6, а характеристики виброустойчивости – классом V2 стандарта ANSI/VITA 47.

МТСА.3: защищённые системы MicroTCA повышенной прочности с кондуктивным охлаждением

Спецификация защищённых систем MicroTCA повышенной прочности с кондуктивным охлаждением, или МТСА.3 утверждена консорциумом PICMG в начале февраля этого года. В данном расширении определяются требования к кондуктивному охлаждению, что обеспечит соответствие мезонинов AdvancedMC самым жёстким требованиям ANSI/VITA 47 в отношении термо-, вибро- и ударопрочности. Спецификация МТСА.3 предназначена для разработки систем военного назначения, эксплуатируемых в герметических пространствах без воздушных потоков. Мезонины AdvancedMC размещаются внутри металлических грейфеных шасси (clamshell) с клиновидными зажимами, которые будут надёжно фиксировать модуль в рабочем положении и обеспечивать отвод тепла через шасси во внешнее пространство.

Проведённое независимыми организациями тестирование в условиях и с параметрами, аналогичными тем, что заданы пецификацией VPX, показали, что устройства МТСА.3 будут удовлетворять предъявляемым требованиям. Таким образом, эта спецификация предоставляет разработчикам ещё одну надёжную и высокопроизводительную платформу для построения систем с кондуктивным охлаждением для применения на борту наземного и воздушного транспорта.

Блок схема принятия решений упрощает выбор наиболее подходящей для вашего приложения спецификации MicroTCA
Kontron OM5030 – пример системы MTCA с кондуктивным охлаждением в стандарте МТСА.3. Жёсткие конструкции класса МТСА.3 применяются для построения военных приложений повышенной надёжности, например систем, стационарно-монтируемых в специальных корпусах для мобильных применений типа ATR (airborne air$transport rack – шасси для крепления бортового авиационного оборудования), либо военных систем связи, предназначенных для работы на открытом воздухе.

Модульность, функциональность и гибкость AdvancedMC

Быстрому распространению технологии MicroTCA в значительной мере способствовало постоянное развитие и универсальность мезонинов AdvancedMC. Необходимая для решения конкретной прикладной задачи производительность может наращиваться постепенно. Например, для реализации интегрированных функций защиты информации мезонины AdvancedMC в составе системы MicroTCA формата 1U могут дополняться процессорными мезонинами и модулями хранения других типов. Подобное решение вполне может использоваться для построения ISR-систем анализа, наблюдения и разведки, которые становятся всё более и более сетецентрическими и требуют всё более эффективной обработки и регистрации данных. Системы даже форматов 3U и 4U могут иметь компактные размеры и состоять при этом из многоядерных blade-серверов, насчитывающих до 24 ядер. Подобную гибкость в отношении выбора производительности и пропускной способности специалисты считают самой сильной стороной технологии MicroTCA, благодаря которой проектировщики военных приложений могут создавать модульные системы небольших размеров.

Особенно быстро идёт разработка мезонинов AdvancedMC для обеспечения ввода/вывода, что в значительной мере объясняется растущими требованиями со стороны военных систем связи. Поддерживаются самые разные связные технологии: оптоволокно, последовательные порты и даже такие специализированные каналы ввода/вывода, как линии связи MIL-STD-1553, применяемые в авиационных системах. Выбирая нужные мезонины AdvancedMC, можно за очень короткое время создать системы с такими интерфейсами, как Serial RapidIO, 1 и 10 Gigabit Ethernet (10GbE), PCI Express и Fibre Channel.

Появление мезонинов AdvancedMC двойной ширины (4U) разрешит многие проблемы, связанные со снижением себестоимости и расширением функциональных возможностей. Это скажется одновременно на многих параметрах производительности, например при объединении вычислительных модулей и модулей ввода/вывода.

Выбор спецификации

Требования, которые предъявляются к работе систем военного назначения, во многом совпадают с требованиями к работе телекоммуникационных систем центральной станции – высокой пропускной способностью передачи информации, бесперебойным режимом работы и выполнением сложных операций по обработке данных зачастую в суровых физических и климатических условиях эксплуатации. Самое большое сходство с телекоммуникационным оборудованием наблюдается у стационарных военных систем, эксплуатируемых в условиях с контролируемым температурным режимом (например, в помещении, на удалённой точке либо в специальном контейнере). Для таких условий наиболее предпочтительным выбором будет спецификация МТСА.0, базовый вариант стандарта.

Если система в процессе эксплуатации будет перемещаться, то разработчикам приходится принимать во внимание различные параметры окружающей среды, например ударные нагрузки и вибрацию. При умеренной вибрации (сейсмическая активность исключается) и ударных воздействиях менее 20g наиболее подходящим выбором может стать спецификация МТСА.1, которая задаёт правила разработки защищённых систем с воздушным охлаждением. К этой категории зачастую относятся стационарные системы либо системы в вибростойком исполнении (например устанавливаемые на борту широкофюзеляжного самолёта в шкафах с амортизирующими устройствами), и, как правило, в них нужно использовать устройства класса МТСА.1.

Если система при эксплуатации должна выдерживать ударные нагрузки выше 20g, то её компоненты следует фиксировать клиновидными зажимами, что означает необходимость применения спецификации МТСА.3 (если только в конструкции системы не предусмотрены специальные устройства, снижающие воздействие ударов до величины 20 g/11 мс и вибрации до величин, определяемых профилем VITA47 V2 (случайные колебания с амплитудой 8g PSD)).

На выбор класса устройства в рамках каждой из спецификаций влияет также оценка требований к охлаждению и методов его реализации. Вариант воздушного охлаждения по спецификации МТСА.1 наиболее предпочтителен в тех условиях, когда для охлаждения системы могут быть использованы вентиляторы нагнетательного типа, которые просто обеспечивают внешний приток свежего воздуха. Герметичные системы с внутренними потоками воздуха также попадают в эту категорию, однако эффективность охлаждения в этом случае существенно зависит от температуры окружающей среды. Для систем с ограниченными потоками воздуха лучше подойдут варианты спецификации МТСА.3 (с кондуктивным охлаждением), так как они обеспечивают отвод тепла в более широких диапазонах температур окружающей среды. В эту категорию, как правило, попадают защищённые системы военного назначения, устанавливаемые, например, на борту наземного транспорта.

Испытанная защищённость в долговременной эксплуатации

Разработчики военных систем для создания оборудования повышенной надёжности, предназначенного для работы в жёстких условиях эксплуатации, найдут в технологии MicroTCA немало достоинств – высокую производительность, пропускную способность, компактность. Область её применения для военных целей охватывает обработку сигналов, защищённую передачу мультимедийных данных, обмен информацией в боевых условиях, обработку информации от датчиков и бортового радиоэлектронного оборудования и многое другое.

Испытанная живучесть этой платформы в экстремальных условиях – а также большой опыт её применения в телекоммуникационной области – могут оказаться весьма привлекательными для военного рынка, не склонного к рискованным решениям. Число развёрнутых систем уже растёт, что очень важно для создателей компьютерных комплексов военного назначения, поскольку это свидетельствует о зрелости и надёжности данной архитектуры, которая поддерживается развитой сетью производителей аппаратного и программного обеспечения, а также большим количеством квалифицированных специалистов. Всеобъемлющая экосистема MicroTCA гарантирует возможность постоянного развития, и всё большее и большее число ведущих отраслевых поставщиков начинает получать выгоду от поддержки военных проектов с длительными жизненными циклами и развитой логистикой.