ПРЕСС-ЦЕНТР

Открытые технологические платформы как глобальный тренд в области разработки систем специального назначения

Виктор Синенко, ЗАО «РТСофт»

Квалифицированные кадры и время – безусловно, самые ценные ресурсы в проектах разработки ответственных аппаратно-программных решений. Возможность сконцентрироваться на конкретных вопросах в рамках собственной специализации – это сокращение проектных сроков и рациональное использование инженерного потенциала команды разработчиков. Один из подходов, увеличивающих таким образом конкурентоспособность и экономическую ценность создаваемых продуктов, рассматривается в данной статье.

Ключевые слова: открытые технологические платформы, встраиваемые компьютерные технологии для спецприменений, ускоренное проектирование аппаратно-программных комплексов.

Технологические платформы и расширение идеологии COTS

В современной экономике оборонно-промышленный комплекс (ОПК) – это не просто научно-производственная база обеспечения национальных вооруженных сил, но прежде всего самостоятельный наукоёмкий высокотехнологичный бизнес с высокой политической ответственностью и колоссальным экспортным потенциалом.

В 20-м веке продукция ОПК представляла собой сплав передовых достижений отраслевых научно-исследовательских и опытно-конструкторских центров и потенциала высокоточного производства, причём доля электронных компонентов и программного обеспечения в составе этой продукции постоянно возрастала. Трендом начала нового тысячелетия стало повышение добавленной стоимости наиболее продвинутых образцов вооружения и военной техники (ВВТ) за счёт использования комплексных услуг от специализированных инжиниринговых и сервисных компаний. При этом наиболее востребованы и успешны те решения и проекты, в рамках которых создаётся действительно эффективный симбиоз разработчиков и производителей ВВТ, с одной стороны, и их партнёров из области передовых информационных технологий (ИТ), с другой.

К числу подобных подходов относится хорошо зарекомендовавшая себя на российском рынке парадигма COTS (Commercial Off The Shelf) – использование готовых коммерческих продуктов «с полки», в рамках которой разработчики выбирают для своих проектов наиболее подходящие и легко интегрируемые базовые решения из числа уже имеющихся на рынке аппаратных средств модульного уровня. Построение более сложных и крупных систем, включая территориально распределённые, вполне может осуществляться по тому же принципу. Главное отличие будет состоять в переносе фокуса внимания разработчика с уровня модулей и плат на уровень устройств – базовых платформенных решений, быстро и эффективно модифицируемых архитектором под конкретную задачу.

Речь идёт о тех случаях, когда разработчики комплексов и систем «не заинтересованы в дискуссиях с ярыми приверженцами конкретных формфакторов или спецификаций, предпочитая решать свои конкретные проблемы независимо от наличия тех или иных ограничений в стандартах и спецификациях…» [1]. В таких обстоятельствах услуга по модификации базовой технологической платформы становится ключевым предложением партнёра по ИТ, а гибкость модификации оборудования под множество задач – существенным рыночным преимуществом для разработчика.

Платформенный подход на практике

Для наглядного представления данной концепции рассмотрим разработанную специалистами ЗАО «РТСофт» аппаратно-программную платформу для построения специализированных вычислителей различного назначения (рис. 1). В данном решении используется четыре класса устройств, выполняющих функции строительных блоков проектируемого комплекса или системы:

  • блок вычислительный серверный, который предназначен для создания целевых серверных устройств с определёнными функциями (например, универсальный сервер, сервер радиолокационной информации, сервер видеоданных, сервер-коммутатор данных, сервер экрана коллективного пользования, сервер координированного управления и т. д.); 
  • блок вычислительный операторский, предназначенный для организации клиентских рабочих мест с развитым графическим интерфейсом и прикладным ПО (реализует различные функциональные возможности, в том числе работу с навигационными данными и картографической информацией, управление разнородными корабельными системами и агрегатами); 
  • блок вычислительный – хранилище данных – для обеспечения надёжного и резервированного хранения больших объёмов информации (включая видеоданные) с доступом по сетям Ethernet 1000Base-T; состоит из устройства управления памятью и устройства хранения данных; 
  • блок коммутационный – для организации обмена данными и командами управления с периферийными устройствами и взаимодействия смежных систем (системный мост).

Рис. 1. Один из вариантов исполнения блоков Платформы для построения специализированных устройств: серверный блок (слева сверху), операторский блок (справа сверху), коммутационный блок (справа снизу), хранилище данных (слева снизу). Возможна ускоренная кастомизация типов разъмов, расположения внешних интерфейсов на корпусах блоков или доработка исполнения в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.304-98 под требования конкретного проекта.

Рис. 1. Один из вариантов исполнения блоков Платформы для построения специализированных устройств: серверный блок (слева сверху), операторский блок (справа сверху), коммутационный блок (справа снизу), хранилище данных (слева снизу). Возможна ускоренная кастомизация типов разъмов, расположения внешних интерфейсов на корпусах блоков или доработка исполнения в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.304-98 под требования конкретного проекта.

Блоки Платформы представляют собой наборы COTS-модулей в популярных стандартах встраиваемых систем CompactPCI или CompactPCI Serial (в зависимости от требований проекта и опыта заказчика) в защищнном исполнении. В аппаратной архитектуре блоков платформы традиционная для магистрально-модульных систем гибкость сочетается с повышенной стойкостью к ударным воздействиям и вибрации, пыле- и влагозащищённостью. Конструктив для всех блоков унифицирован – это «Евромеханика» высотой 4U, которая включает блок питания с различными вариантами рабочего напряжения, объединительную плату и интерфейсную панель. Устройства спроектированы с применением принудительного воздушного охлаждения, аксиального либо с забором воздуха через переднюю панель и удалением тёплого воздуха через тыльную панель, что позволяет выдерживать серьёзную тепловую нагрузку до 300 Вт.

Для сопряжения с внешними устройствами в блоках предусмотрено большое количество разнообразных интерфейсов: Ethernet 1000Base-T с возможностью замены на 10GbE, МКИО, RS232/422/485, USB 2.0/3.0 и других. Расширение или изменение аппаратной конфигурации блоков, добавление аналоговых каналов ввода-вывода, специализированных модулей и интерфейсов может быть достигнуто за счёт применения плат с интерфейсами XMC/PMC.

Отметим, что в зависимости от предъявляемых требований возможна реализация блоков с использованием архитектуры COM Express, обеспечивающей максимальные возможности модернизации и наращивания вычислительной мощности в течение длительного жизненного цикла проектируемых устройств без необходимости изменения интерфейсов, реализованных на плате-носителе COM Express. Хотя о преимуществах такого подхода известно многим разработчикам специализированных устройств, считаем необходимым ещё раз обратить внимание на красоту заложенной в него идеи [2].

Но вернемся к Платформе и её программному инструментарию. Поддержка функционала блоков Платформы обеспечивается пакетом базового системного программного обеспечения (БСПО) – набором библиотек под ОС МСВС и Astra Linux. С помощью БСПО разработчики могут ускоренно реализовывать функции резервирования каналов передачи данных и взаимодействия с сопрягаемыми устройствами в соответствии со специфическими синхронными и асинхронными протоколами, функции формирования исходящих и обработки входящих потоков данных, поступающих от сопрягаемых систем, а также функции обеспечения взаимодействия алгоритмов прикладного ПО с сопрягаемыми системами. В состав БСПО входят инструменты для создания оболочки программного резервирования вычислительных процессов и разнесения обработки прикладных алгоритмов и системного программного обеспечения на различные процессорные ядра или модули. Также с помощью этих программных средств может быть реализован мониторинг технического состояния блоков.

Для предотвращения несанкционированного доступа предусмотрено использование одного из популярных на рынке модулей доверенной загрузки, сертифицированного ФСТЭК России для применения в автоматизированных системах до класса 1Б включительно, а также по 2-му уровню контроля на отсутствие недекларированных возможностей.

Как удобство разработки способствует повышению экономической эффективности

Основное преимущество, которое получает разработчик при использовании Платформы, заключается в максимальной технологической гибкости, заложенной в её аппаратно-программный инструментарий: целевая система собирается из базовых блоков на манер конструктора (рис. 2). В результате системный архитектор может сфокусировать свой инженерный потенциал на прикладных программных алгоритмах, сопряжении проектируемой системы со сторонними устройствами, контроле соответствия её параметров и логики отраслевым стандартам и внутрифирменным регламентам. При этом все действия по модификации аппаратной части блоков и доработке БСПО осуществляются поставщиком Платформы.

Рис. 2. Вычислительные, серверные и коммутационные устройства – это далеко не полный перечень возможных применений аппаратно-программных средств Платформы при построении корабельных систем. Гибкий и универсальный инструментарий позволяет на манер конструктора собирать из исходных базовых блоков системы различных классов.

Рис. 2. Вычислительные, серверные и коммутационные устройства – это далеко не полный перечень возможных применений аппаратно-программных средств Платформы при построении корабельных систем. Гибкий и универсальный инструментарий позволяет на манер конструктора собирать из исходных базовых блоков системы различных классов.

Примером может служить наиболее часто встречающаяся задача подобного рода – ускоренная кастомизация типов разъёмов и расположения внешних интерфейсов на корпусах блоков или доработка исполнения в соответствии с проектными требованиями по ГОСТ РВ 20.39.304-98. В программной части такие работы связаны, как правило, с адаптацией БСПО для обеспечения взаимодействия со специализированными модулями или протоколами передачи данных под популярными на рынке операционными системами семейства Linux , QNX, LynxOS и VxWorks.

Разработчики хорошо знают, что такие технологические операции на этапах проектирования и макетирования ответственных систем требуют затрат большого количества времени и внушительных объёмов финансирования. Однако наличие готового базового инструментария позволяет уйти от разработки «с нуля» и адаптировать готовые инструменты под задание на основе наработанной базы схемотехнических и программных решений. То есть, существенно сократить время и стоимость разработки на старте: так, максимальный период, который компания «РТСофт» стремится обеспечить для модификации блоков и БСПО Платформы под специфические требования, не превышает полугода. Из нашей практики мы можем отметить и другие преимущества использования инструментов Платформы – сокращение затрат на тестирование и обновление БСПО, отладку и модернизацию аппаратных средств, масштабирование системы и снижение её общей стоимости.

Особое значение платформенный подход приобретает в свете отраслевых требований к управлению жизненным циклом продукции и её обслуживанию в течение длительного периода, вплоть до 25 лет, с возможностью своевременной модернизации базовой вычислительной платформы. Довольно ёмко комплексность таких вызовов сформулирована зарубежным экспертом в области встраиваемых компьютерных технологий для спецприменений Дэвидом Пёрсли: «Производительность и надёжность имеют большое значение как для уже развёрнутых, так и для вновь разворачиваемых систем, которые должны постоянно обновляться и совершенствоваться, дабы отвечать современным требованиям в части совместного использования данных, защищённости и производительности. Например, эсминец может пережить первое крупное обновление технологий сразу после его постройки и перед спуском на воду. Его сенсоры и радарные башни навсегда останутся там, где их возвели строители, а вот компьютерные платформы и всё остальное, что подпадает под определение «бортовых ИТ», будут обновляться в промежутках между длительными походами» [3]. Здесь необходимо отметить, что работа с блоками платформы предполагает перекладку «головной боли», связанной с контролем рыночной доступности аппаратных компонентов, обновления БСПО и тому подобных хлопот на плечи сервисного партнёра по информационным технологиям. Разработчик комплекса или конечной системы получает готовые к установке функционального ПО блоки устройств (что особенно ценно с точки зрения минимизации затрат при сопровождении уже поставленной продукции), проводит серию тестов – и оборудование готово к отправке хоть на Кольский полуостров, хоть на берег Южно-Китайского моря. То есть платформенный подход позволяет сохранять высокие уровни готовности, производительности и обслуживаемости систем на протяжении их жизненного цикла.

Мировые тенденции на российской почве

Стремясь идти в ногу с прогрессом, предприятия-разработчики конечных систем могут выбрать один из двух путей: накапливать компетенции в области базовых аппаратных и программных технологий, второстепенных в контексте их основной деятельности, либо использовать готовый базовый инструментарий с опорой на открытые стандарты. Последний, более рациональный и дальновидный сценарий, предполагает возрастание роли консалтинговой поддержки со стороны высокотехнологичных компаний-партнёров, позволяющей на старте разработки минимизировать риски в инженерных стратегиях развития изделия. Данная схема организации взаимодействия между предприятиями-разработчиками и изготовителями спецсистем и сервисными ИТ-компаниями, предлагающими базовые аппаратно-программные платформы в комплексе с услугами по их адаптации под требования проекта, весьма популярна в оборонной отрасли и является одним из глобальных трендов. Например, французская фирма Thales использовала многопроцессорные системы 6U VME немецкого холдинга Kontron на базе процессорных модулей POWERNODE3, PENTXM2 и PENTXM4 для создания многофункциональной РЛС Herakles и инфракрасной системы наблюдения и сопровождения Artemis для французского проекта FREMM [4].

Особенно ярко достоинства платформенного пути проявляются в проектах с несколькими предприятиями-разработчиками, где естественным образом возникает необходимость опоры на удобную для всех сторон унифицированную аппаратно-программную платформу. Так, компания General Electric Intelligent Platforms предоставляет партнёрам по североамериканскому консорциуму разработчиков перспективной авионики FACE процессорные модули 3U SBC312 и 6U SBC625 в стандарте VPX и программные средства разработки, а также соответствующее решение системного уровня FACEREF [5].

Высокую степень экономической привлекательности данного подхода для разработчиков российских систем специального назначения подтверждает опыт работы компании «РТСофт», давно и успешно участвующей в реализации такой модели на практике. Платформенный метод уже нашел свое применение в проектах создания аппаратно-программных комплексов для информационных и управляющих систем как в наземных пунктах управления разнородными средствами, так и для управления различными корабельными системами, в том числе реального времени. Не исключено, что в условиях растущего объёма государственного оборонного заказа и повышения требований к сопровождению продукции военного назначения на всех стадиях жизненного цикла именно такие способы взаимодействия будут приводить к появлению наиболее конкурентоспособных отечественных систем специального назначения.

Литература

  1. Ханер, Ирен. От коммутации к услугам: современный заказчик «тяготеет» к вендорам, способным поддерживать свои предложения услугами по разработке и интеграции готовых аппаратных платформ // Мир компьютерной автоматизации: встраиваемые компьютерные системы. – 2011. – № 6. – С. 34–35. 
  2. Пёрсли, Дэвид. Стратегии обновления технологий облегчают труд разработчиков военных систем // Мир компьютерной автоматизации: встраиваемые компьютерные системы. – 2012. – № 1. – С. 34–38. 
  3. http://www.kontron.com/applicationstorydetail/turnkey-platform-for-navy
  4. http://defense.ge-ip.com/news/ge-intelligent-platforms-joins-face-consortium-to-help-drive-innovation-and-lower-cost-for-avionics-systems/n3060
  5. http://defense.ge-ip.com/news/new-rugged-platform-from-ge-allows-face-developers-to-minimize-cost-risk-and-time-to-market/n3013.