ПРЕСС-ЦЕНТР

Главные требования к компьютерным системам военного назначения – защищённость и широкополосная связь

МКА:ВКС, 6/2011

David Pursley (Давид Персли), Kontron

Устойчивые позиции при создании военных систем для применения в сетецентрических войнах (в рамках концепции сетецентрического управления боевыми действиями – Network Centric Warfare) занимают технологии CompactPCI и MicroTCA. Предлагаемая ими аппаратно­программная среда и технические характеристики высокоскоростных коммуникаций значительно расширяют возможности проектировщиков при выборе платформ для создаваемых ими приложений.

Центральное место в тематике компьютерных приложений военного назначения отводится обеспечению надёжной широкополосной связи в защищённой безопасной среде. В соответствии с требованиями, сформулированными в программе WIN­T (Warfighter Information Network­Tactical) – краеугольном камне оперативно­тактической системы связи ВС США – перед разработчиками военных приложений встают всё более разнообразные компьютерные вызовы, с возрастающими требованиями к гибкости, мобильности и жёсткости исполнения. Находясь в условиях непрекращающихся военных конфликтов, армейские лидеры вынуждены балансировать между инвестированием в перспективные системы вооружения и поддержанием или совершенствованием тех, что развёрнуты в настоящее время. Чтобы соответствовать этим задачам, разработчики военных систем должны создавать и внедрять передовые продукты всё быстрее и быстрее – одновременно извлекая максимум из тех уроков, на которые богаты расширяющиеся старые и возникающие новые военные конфликты, в помощь новым разработкам адекватных вооружений для будущих войн.

Поскольку перед проектировщиками военных приложений поставлена задача создавать всё более производительные, широкополосные и надёжные специализированные системы, обладающие при этом всё более меньшими габаритами, они обращаются к уже испытанным и хорошо себя показавшим платформам – таким как CompactPCI. Системы CompactPCI создаются и эксплуатируются уже не первый год. Они хорошо показали свои возможности – широкий спектр функций специализированных модулей, исполнение с кондуктивным охлаждением и наличие высокоскоростных интерфейсов. В качестве дополнительного варианта выбора базовой архитектуры при создании военных прикладных систем может служить относительно недавно появившийся стандарт MicroTCA, который отлично соответствует всем вышеупомянутым требованиям, но при оптимальном жёстком исполнении обеспечивает более высокую полосу пропускания.

Передача данных через защищённые военные сети

Задачи информационной интеграции вооружений заключаются в совместном доступе к информации в реальном времени и взаимодействии бойцов и командования через «мобильный армейский интернет» – сетецентрическую информационную систему (network­centric information system). В данном случае подразумевается работа с информацией, поступающей с любого количества изолированных территориальных зон – анклавов (enclaves) – или защищённых сетевых доменов, в результате чего сама информация подпадает под разные виды классификации. Сетевой трафик может включать секретные данные, открытые данные и данные, которые ещё подлежат анализу и классификации. Вся поступающая информация должна быстро обрабатываться и передаваться в интегрированную сеть для дальнейшего эффективного доступа к этой информации. Это сложный процесс, который происходит в защищённой сети, объединяющей множество удалённых друг от друга анклавов, и этот стремительный вал получаемой информации требует дальнейшей обработки, чтобы заинтересованным получателям была передана только потенциально релевантная информация. И, как уже было много раз сказано, вся эта высокоинтенсивная компьютерная работа происходит в ограниченном физическом пространстве, что ставит перед проектировщиками подобных систем всё более сложные инженерные задачи.

Для поддержки задач «армейского мобильного интернета», поставленных программой WIN­T, нужна реализация единой базовой структуры, которая требует создания стандартизованных высокопроизводительных компьютерных решений, представляющих собой такой комплекс аппаратных и программных средств, который является истинным воплощением «системы систем» в рамках принятой в США программы Brigade Combat Team (BCT) Modernization (Модернизация боевых бригадных групп). Непрерывное расширение комплекса военных сил и средств, соответствующих потребностям войны 21­го века, а также модернизация сетей связи на базе современных технологических достижений означают, что основное внимание их разработчиков направлено на COTS­технологии, благодаря которым армейские системы связи способны обеспечивать широкополосную передачу данных с высокой степенью их защиты.

CompactPCI нашёл своё призвание в военных приложениях

Для управления большим числом модулей (блейдов), взаимодействующих через единую магистраль Gigabit Ethernet автономной сети, используемой в приложениях «сетецентрической войны», многие разработчики самым подходящим выбором считают технологию CompactPCI. Когда говорят о CompactPCI, то обычно имеют в виду архитектуру на основе шины PCI. Эта технология поддерживает и коммуникации через объединительную панель Gigabit Ethernet, а также и связи и соединения мульти­, или 10­гигабитного (10 Gigabit) Ethernet. Благодаря своей способности обеспечивать высокую производительность обработки данных и огромную пропускную способность ввода­вывода, архитектура CompactPCI прочно заняла нишу малогабаритных масштабируемых и жёстких систем евроформата 3U или 6U. Для приложений, обрабатывающих экстремально большие объёмы данных, могут быть использованы процессорные платы на базе четырёхъядерных процессоров.

«Врождённая» механическая прочность и надёжность архитектуры Compact PCI усиливаются применением штыревых коннекторов и фиксирующих рукояток. В отличие от ламельных или щелевых разъёмов, в CompactPCI используются герметичные штыревые разъёмы с высокой плотностью размещения контактных выводов. Эти контакты обеспечивают прочное и надёжное соединение модуля с объединительной панелью и, благодаря низким индуктивным помехам и контролируемому импедансу, минимизируют отражения сигналов. В разъёмах CompactPCI предусмотрено большое количество контактов заземления (220), что даёт ещё большую надёжность, благодаря заземлению и экранированию для уменьшения «дребезга земли» и внешних помех. Для стационарных высокопроизводительных приложений не менее успешно могут использоваться системы с ламельными и щелевыми разъёмами, однако разъёмы с очень плотно расположенными контактами, которые используются в системах CompactPCI, обеспечивают гораздо большую устойчивость к экстремальным условиям внешней среды и, в конечном счёте, более высокую надёжность всей платформы CompactPCI при работе в более жёстких условиях экслуатации.

Одна из характерных особенностей архитектуры CompactPCI – наличие тыльного ввода­вывода, что очень важно для многих военных приложений и особенно для малогабаритных конструкций в формате 3U. Благодаря такой возможности, проектировщики систем не ограничены выводом необходимых сигналов только через фронтальную панель – они могут реализовывать множество различных коммуникационных интерфейсов через разъёмы объединительной платы (последовательные порты, Ethernet, полевые шины, все межмодульные взаимодействия, выходы на внешние связи). Внешние связи обычно реализуются с помощью тыльных переходных модулей или гибких кабелей, связанных с панелью ввода­вывода.

Ещё одним достоинством архитектуры CompactPCI является широкая доступность совместимого с шиной PCI программного обеспечения, а также то, что опытом программированиям прикладного ПО для встраиваемых систем военного назначения на базе шины PCI обладают многие программисты. Хорошо знакомая компьютерная модель архитектуры CompactPCI, в сочетании с её высокой пропускной способностью и надёжностью, во многих случаях расценивается как самое подходящее решение для высокотребовательных приложений сбора и обработки данных, например систем пограничного или электронного контроля (рис. 1).

CP3002
Рис. 1. CompactPCI ­модуль системного контроллера на базе новейшей 32­нм процессорной технологии Core™ в жёстком исполнении с радиатором для кондуктивного отвода тепла. Технологические достижения в экономии занимаемого пространства и снижении энергопотребления, дополненные такими преимуществами CompactPCI, как тыльный ввод­вывод и большой объём наработок PC­совместимого программного обеспечения, привлекают внимание разработчиков военных приложений к этой технологии. Архитектура CompactPCI привлекательна также и тем, что с её помощью можно быстро создавать прикладные системы следующего поколения, в которых необходимым образом сочетаются производительность, низкая стоимость и перспективность.

В разведку – с CompactPCI

Достоинства CompactPCI хорошо проявляются в особых военных приложениях, например в системах перехвата информации из телекоммуникационных систем, которые используются в разведывательном оборудовании в составе вооружений США. Такая система выполняет высокомощный анализ активности и измерение параметров сигналов беспроводных систем, собирая сигналы разведки для таких ведомств, как Министерство Обороны и Министерство Национальной безопасности США, и передавая им предупреждения об угрозах. Для реализации подобных приложений, с интенсивной компьютерной работой, с высокой пропускной способностью и необходимостью обработки информации в реальном времени, когда­то, возможно, понадобилась бы совместная работа нескольких систем, однако в настоящее время такие результаты можно получить с помощью одного единственного портативного изделия на основе 3U CompactPCI.

Платформа Kontron FS­5985 – это шасси с форсированным воздушным кондуктивным охлаждением
Рис. 2. Платформа Kontron FS­5985 – это шасси с форсированным воздушным кондуктивным охлаждением, разработанное специально для использования в системах военного назначения. Шасси FS­5985 соответствует требованиям стандарта MIL­E­5400, предъявляемым к оборудованию класса 1 (Class 1). При установке в герметичном кожухе оно способно выдерживать экстремальные температуры, вибрацию, удары, солевой туман, песок и воздействие химических веществ. В шасси FS­5985 предусмотрено 5 кондуктивно охлаждаемых слотов для установки модулей формата 3U. Оно оптимально подходит для применения в системах высокопроизводительной обработки данных и обладает достаточной прочностью и защищённостью для реализации мобильных установок разведывательного назначения.

Платформы, уже готовые к использованию в специализированных приложениях и обладающие жёсткой отказоустойчивой конструкцией, модульностью и долгим сроком эксплуатации, могут специальным образом конфигурироваться, обеспечивая прикладной системе необходимые технические возможности и характеристики. В них, например, могут интегрироваться устройства массовой памяти и схемы сохранения целостности сигналов (рис. 2). Разведывательные системы (рис. 3) могут потребовать установки высокоскоростных массивов дисковой памяти типа RAID, состоящей из целого набора жёстких дисков на базе интерфейсов SATA­II и полупроводниковых (твердотельных) дисков (SSD), включая функции масштабирования, контроля и восстановления данных, поддерживаемых RAID­уровнями 0, 1, 5, 10. В альтернативном варианте возможна установка просто группы независимых жёстких дисков (JBOD). Если при реализации системы требуется ещё большая гибкость, то архитектура CompactPCI позволяет сконфигурировать ту же систему, например, с массивом жёстких дисков типа RAID 5, установив их на четыре платы­носителя, позволяя обеспечить заданные в проекте специальные аппаратные функции с использованием до четырёх специализированных модулей CompactPCI. Высокопроизводительная объединительная плата не требует внутренней прокладки кабелей, а возможность горячей замены плат­носителей жёстких и твердотельных дисков сводит обслуживание системы к минимуму – такая степень высокой готовности очень важна в ответственных системах.

Kontron OBSERVO – сервер массива памяти типа RAID в формате 3U CompactPCI
Рис. 3. Kontron OBSERVO – сервер массива памяти типа RAID в формате 3U CompactPCI разработан специально для приложений, обеспечивающих запись разведывательной информации и требующих оборудования хранения и защиты целостности данных, интегрированного в систему.

В идеальном случае системы могут конфигурироваться так, чтобы безотказно работать в расширенном диапазоне температур – от –40 до 85°C, в экстремальных условиях, характерных для длительных военных действий. Это особенно касается мобильных военных установок, которым приходится действовать в условиях жары, пыли, ударов и вибрации.

В безвентиляторных системах с «чистой конвекцией», каковыми являются вышеописанные приложения, системным контроллером может служить процессорный CompactPCI­модуль Kontron CP307, оснащённый пассивно охлаждаемым процессором Intel Celeron M, с частотой работы 1,06 ГГц, и напаянным ОЗУ ёмкостью 512 Мбайт, который обеспечивает оптимальное соотношение цена/производительность при минимальной потребляемой мощности. Поскольку самое главное здесь – это гибкость, то в случаях, когда нужна скорость процессорной обработки до 1,6 ГГц и ОЗУ ёмкостью 1 Гбайт, модуль системного контроллера можно заменить на Kontron CP305, с процессором Intel Atom. Размещённый на нём Ethernet­коммутатор управляет обменом данными с внешними устройствами, такими как телекамеры видеонаблюдения или интеллектуальные мониторы (НМI­устройства) на базе IP­протокола; межсистемные коммуникации управляются через плату носитель версии 4HP, оснащённой обычными модулями передачи данных по протоколам UMTS, GSM, GPS, LTE и WiFi.

Если нужна более высокая процессорная производительность или более высокая степень устойчивости к неблагоприятным условиям эксплуатации, предпочтительным решением была бы кондуктивно охлаждаемая система с процессорами Core i7. В большинстве случаев при таком решении увеличиваются параметры SWaP (размер, вес и энепргопотребление), однако такой выбор может быть обусловлен назначением прикладной системы или условиями её работы.

Эволюция военных сетей на базе MicroTCA

Архитектура MicroTCA претендует на использование в приложениях, где нужны защищённые сети с максимально высокой пропускной способностью, например в системах правительственных ведомств, где есть необходимость их постоянного обновления в целях лучшего управления передачей данных между наземными сетями через спутниковые сети связи. Проектировщики таких систем должны в первую очередь определить уровень входящего и исходящего трафика, а также задачи, которые должны выполняться пока данные перемещаются по сети. Если выяснится, что необходимые характеристики обработки информации приближаются к требованиям, которые удовлетворяются сетями 10­гигабитного Ethernet, наиболее подходящим вариантом выбора может стать архитектура MicroTCA.

Для военных систем сетецентрического управления боевыми действиями характерны те же самые требования и параметры, что и для коммерческих сетей. Поэтому архитектура MicroTCA, которая обеспечивает высокую мощность процессорной обработки данных и высокий коэффициент готовности даже при использовании модулей малого формата – 2U или 4U, представляет собой очень эффективную платформу для применения в ответственных приложениях. Эти стандарты построения малогабаритных систем отвечают требованиям высокой пропускной способности передачи данных и высокопроизводительной процессорной обработки, что очень привлекательно для проектировщиков военного оборудования, от которого как раз и требуются малые размеры, возможность наращивания функций и отличные возможности сетевого подключения. Дальнейший рост привлекательности MicroTCA для использования в военных системах вызван появлением дополнительных спецификаций, которые образуют древовидную иерархию степеней жёсткости систем MicoTCA. Сертифицированные консорциумом PICMG, эти новые спецификации (см. Примечание Редакции во врезке) регламентируют построение вариантов упрочнённых систем MicroTCA с воздушным и кондуктивным охлаждением, усиливают спецификацию ANSI/VITA 47 и определяют среду, в которой модули, созданные в соответствии с этими сертифицированными спецификациями, будут работать.

Архитектура MicroTCA хорошо соответствует требованиям, предъявляемым к высокопроизводительным компьютерным приложениям военного назначения в отношении снижения размеров, веса и энергопотребления (параметры SWAP – size, weight и power) – она позволяет сконцентрировать огромные компьютерные возможности в таких малых габаритах, как конструктив 1U. Эта платформа соответствует требованиям NEBS (Network Equipment Building Systems) Level 3, регламентирующим допустимые условия эксплуатации, при которых система сохраняет свою работоспособность, – температурные диапазоны, уровни пожароопасности, радиации, сейсмостойкости. Учитывая всё вышесказанное, платформа MicroTCA наилучшим образом подходит для реализации защищённых систем широкополосной передачи данных, работающих в экстремальных условиях, например бортовых мобильных отказоустойчивых пунктов армейской связи. Модули и системы MicroTCA, сертифицированные на соответствие требованиям NEBS, способны выдерживать экстремальные воздействия высоких температур, влажности, высоты и землетрясений, соответствующих сейсмозоне 4 (7 баллов по шкале Рихтера и выше), а также огромный спектр других экстремальных климатических воздействий.

Если сравнивать системы MicroTCA с системами на базе AdvancedTCA, то с точки зрения характеристик производительности, они в MicroTCA практически те же, что и у AdvancedTCA, только «упакованы» в виде платформы меньших размеров и с меньшим энергопотреблением. В платформах AdvancedTCA мезонинные модули AMC (Advanced Mezzanine Cards) используются именно как мезонины, а в платформах MicroTCA модули AMC подключаются к общей объединительной плате, минуя плату­носитель. При этом AMC­модули идеально совместимы с объединительной платой, без каких­либо модификаций. Производительность систем, реализованных в одном крейте MicroTCA, может быть весьма значительной, – в крейт MicroTCA можно установить до 12 AMC­мезонинов, в каждом из которых может быть реализовано, с выходом на объединительную панель, до 21 высокоскоростных последовательных соединений, пропускная способность каждого из которых может достигать 2,5 гигабит в секунду. Вдобавок к этому на каждом из 12 установленных на магистрали компьютерных блейдов, в потенциале, могут использоваться многоядерные процессоры. В системе MicroTCA формата 3U или 4U, занимающей очень малый объём, может быть интегрировано до 24 процессорных ядер. Пропускная способность передачи информации может гибко изменяться в большом диапазоне – от 40 Гбит/c до свыше 1 Тбит/c – в зависимости от реализации системы.

Защищённые армейские системы связи продолжают развиваться

Технологии CompactPCI и MicroTCA – это хорошо испытанные и отлично себя зарекомендовавшие в области военных приложений «рабочие лошадки». Технологии CompactPCI и MicroTCA стабильно развиваются, «закаляясь в боях», особенно в сферах защищённости сетей связи и увеличения пропускной способности передачи данных. Военное руководство постоянно стоит перед выбором, по какому технологическому пути следует идти, – инвестировать в развитие новых систем или поддерживать в рабочем состоянии и расширять системы, развёрнутые в настоящее время. В свою очередь, разработчики армейских систем считают, что необходимо ускорять эту гонку – создавать приложения, которые беспрепятственно могут служить сейчас, и одновременно, на основе новейших технологических достижений, разрабатывать более совершенные системы, которые будут взяты на вооружение в будущих войнах. Поэтому технологии CompactPCI и MicroTCA продолжают играть свою роль и вносить вклад в создание высоконадёжных компьютерных приложений, в рамках концепции сетецентрического управления боевыми действиями, предлагая разработчикам варианты выбора подходящей для таких ответственных задач платформы.

Врезка

Примечание Редакции

Недавно консорциум PICMG объявил о принятии спецификации Hardened Conduction Cooled MicroTCA® – «Жёсткие системы MicroTCA с кондуктивным охлаждением» (MicroTCA.3). Эта спецификация определяет требования к системам, которые должны соответствовать более жёстким условиям окружающей рабочей среды – температурным, ударным, вибрационным и другим. Она адресована тем разработчикам, которые создают военные и некоторые коммерческие системы, работающие в герметичной среде с полным отсутствием воздушного потока. Проблема охлаждения таких систем решается в спецификации MTCA.3 методом установки AMC­модулей в металлическую «раковину» (clamshell) с клиновым зажимом, с целью жёсткого закрепления каждого модуля и одновременно создания кондуктивного тракта для отвода тепла через шасси.