Technologie wird von Jahr zu Jahr wichtiger für Militär- und Verteidigungseinsätze. Um dies zu bekräftigen, brauchen wir nur einen Blick auf das jüngste Dokument und die Haushaltsüberprüfung der britischen Regierung des Verteidigungskommandos zu werfen, wobei die Priorität des Landes offenbar darin besteht, die technologischen Kapazitäten auf dem Schlachtfeld zu stärken. Allerdings geht es bei der Militärtechnologie um mehr als nur Drohnenschwärme oder neue gepanzerte Boxer-Fahrzeuge; Es geht um die schnelle und effektive Weitergabe von Informationen an vorderster Front.
Der Militär- und Verteidigungssektor hat eine lange Geschichte als Vorreiter des technologischen Fortschritts. Heutzutage gängige Technologien wie GPS, Drohnen und sogar Mikrowellen haben ihren Ursprung im Verteidigungssektor. Kein Wunder also, dass die britische Regierung in einer Zeit kontinuierlicher technologischer Entwicklung die Modernisierung ihrer Streitkräfte und die Einführung neuer Technologien im Visier hat.
Das eigentliche Interesse an der neuen Industriestrategie für Verteidigung und Sicherheit in Großbritannien liegt jedoch nicht in der Technologie, in die es ursprünglich investiert, sondern in der Konzentration auf Forschung und Entwicklung. Insbesondere das britische Strategic Command wird voraussichtlich in den nächsten zehn Jahren 1.5 Mrd. GBP investieren, um „ein„ digitales Rückgrat “aufzubauen und aufrechtzuerhalten, um große Datenmengen über die Cloud und sichere Netzwerke gemeinsam zu nutzen und zu nutzen“, so der Verteidigungsminister Ben Wallace MP.
Eingebettete militärische Systeme bilden die Grundlage für diesen datengesteuerten Verteidigungsansatz. Diese Systeme sind für das Sammeln, Analysieren und Kommunizieren von Daten vom Schlachtfeld oder von Außenposten aus von entscheidender Bedeutung. Dies bedeutet, dass sie strenge gesetzliche Standards erfüllen, physisch robust sein müssen, um rauen Umgebungsbedingungen standzuhalten, und eine schnelle, zuverlässige und sichere Datenkommunikation unterstützen müssen.
Es ist die letztere Anforderung, die die größte Herausforderung für das Embedded Computing im Militär darstellt und gleichzeitig am meisten von den gestiegenen Investitionen in neue Technologien profitiert. Viele der neueren Verteidigungsanwendungen, die aus fortschrittlichen Technologien hervorgegangen sind, wie beispielsweise eine verbesserte Videoverarbeitung zur Verbesserung des Situationsbewusstseins, erfordern einen verteilten militärischen Computeransatz, der die Vernetzung mit hardwarebeschleunigtem Computer über FPGA-Geräte (Field Programmable Gate Array) kombiniert.
Verteiltes militärisches Computing erfordert eine geringe Latenz, hohe Verfügbarkeit, Interoperabilität zwischen vernetzten Geräten und hohe Bandbreite, um effektiv zu sein. Die Herausforderung ergab sich traditionell aus der weit verbreiteten Verwendung von Ethernet für die Vernetzung. Obwohl billig und allgegenwärtig, ist es im Allgemeinen nicht deterministisch - vorteilhaft für die Zuverlässigkeit, aber nicht ideal für geschäftskritische Systeme, die eine Datenübertragung in Echtzeit erfordern.
Ethernet der nächsten Generation
Standard-Ethernet-Funktionen durch Senden von Datenpaketen in einer Weise, die weitgehend von der Netzwerklast abhängt. Dies ist nicht für Netzwerkgeräte geeignet, die einen hohen Grad an Synchronisation benötigen. Es entstehen neue Standards wie IEC 62439-3 und TSN Time-Sensitive Networking (eine Reihe von Standards, die von der Task Group Time-Sensitive Networking der IEEE 802.1-Arbeitsgruppe entwickelt werden), die dazu beitragen, unternehmenskritische Netzwerkanforderungen zu erfüllen . Diese Standards treiben neben der Entwicklung in diesem technologischen Bereich Innovationen in militärischen Netzwerken voran.
Ein solches Unternehmen ist das System-on-Chip-Engineering (SoC-e), ein Experte für FPGA-basierte Ethernet-Lösungen, mit dem Recab UK eng zusammenarbeitet, um Hochverfügbarkeitssysteme für Verteidigungs-Ethernet-Netzwerke anzubieten. SoC-e ist auch ein aktiver Teilnehmer an vielen führenden Industrie- und akademischen Gruppen, die Standards für deterministisches Ethernet entwickeln und regeln. Diese Gruppen waren aktiv an der Definition und Entwicklung neuer Ethernet-basierter Protokolle wie HSR (High Availability Seamless Redundancy), PRP (Parallel Redundancy Protocol) und TSN (Time-Sensitive Networking) beteiligt.
HSR
HSR ist neben PRP eines von zwei in IEC 62439-3 standardisierten Protokollen. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Protokollen besteht darin, dass sich HSR auf die Bereitstellung nahtloser Redundanz in zeitlich begrenzten Netzwerken konzentriert, während PRP nahtlose Redundanz über zwei unabhängige Standard-Ethernet-Netzwerke bereitstellen kann. PRP führt Redundanz zu den Knoten ein.
Das Erfordernis einer Ringtopologie kann jedoch bei der Implementierung von HSR im militärischen Edge-Computing einschränkend sein. In ähnlicher Weise erfordert HSR, dass alle Knoten alle Datenpakete entweder verarbeiten oder weiterleiten, was die Verarbeitungsanforderungen erhöhen und die Netzwerklatenz erhöhen kann.
PRP
Das PRP-Protokoll erstellt parallele Pfade in redundanten Netzwerken, durch die doppelte Datenpakete geleitet werden können. Dual Attached Nodes (DANs) sind mit zwei unabhängigen und lokalen Standard-Ethernet-Netzwerken (LAN A und LAN B) verbunden, wobei identische Frames über beide Netzwerke gesendet werden.
Der PRP-Mitarbeiter stellt den Empfang aller Informationen sicher, auch wenn ein Netzwerk ausfällt.
Nicht-PRP-Knoten können die Frames ignorieren, wodurch die Verarbeitungsanforderungen reduziert werden. Das PRP-Protokoll ist mit Standard-Ethernet-Hardware kompatibel.
TSN
Derzeit werden mehrere IEEE-Standards entwickelt, die bestimmte Funktionen von TSN beschreiben, darunter Synchronisation (802.1AS), geplanter Verkehr (802.1Qbv), reservierter Verkehr (802.1Qav), nahtlose Redundanz (802.1CB) und Frame-Vorabnahme (802.1Qbu) und 802.3br). Obwohl nicht alle Standards zur Unterstützung von TSN erforderlich sind, bieten Netzwerke und Switches, die diese Standards erfüllen können, in militärischen Umgebungen einen klaren Vorteil. Die Auswahl der oben genannten Unterstandards gehört zu den relevantesten für die militärische Vernetzung.
Der Synchronisationsstandard (802.1AS) ist natürlich zwingend und wohl der wichtigste im militärischen und verteidigungspolitischen Kontext. Basierend auf dem IEEE 1588-2008 Standard Precision Time Protocol (PTP) ermöglicht die Synchronisation in TSN Geräten im Netzwerk, dieselbe Zeitreferenz innerhalb eines Nanosekunden-Zeitbereichs gemeinsam zu nutzen. Dies bedeutet, dass Ethernet-Netzwerke eine Synchronisationsstufe bereitstellen können, die mit GPS vergleichbar ist.
Die hohe Verfügbarkeit auf TSN kann durch Hinzufügen einer Frame-Replikation und -Eliminierung gemäß IEEE 802.1CB erreicht werden. In ähnlicher Weise wie für HSR definiert, enthalten die Frames eine Sequenznummer und werden repliziert, wobei jede Kopie über einen anderen Pfad im Netzwerk gesendet wird.
Um die geringstmögliche Latenz in technischen Netzwerken zu erreichen, wird die Time Aware Shaper-Funktionalität im IEEE 802.1Qbv-Verkehrsplanungsstandard eingeführt. Dies funktioniert mit Anwendungen, bei denen zeitkritische Daten in regelmäßigen Abständen gesendet werden, und basiert auf dem Hinzufügen von Zeitfenstern zu jeder Warteschlange an einem Port. Dies wird durch die von IEEE 802.1Qbu und 802.3br unterstützte Voreinstellung ergänzt. Ein Frame mit höherer Priorität kann die Frame-Übertragung mit niedrigerer Priorität unterbrechen und die Latenz zeitkritischer Streams verringern.
Deterministisches militärisches Ethernet
Die Realisierung dieser neuen Ethernet-Technologien in Verteidigungsanwendungen erfordert die Verwendung eines Systems, das die Flexibilität bietet, das richtige Protokoll für eine bestimmte Anwendung zu unterstützen. Zu diesem Zweck hat Recab eine Partnerschaft mit SoC-e geschlossen, dessen Relyum-Sortiment eine ideale All-in-One-Lösung bietet, um Hersteller von Originalgeräten (OEMs) für Militär und Verteidigung in Großbritannien und Nordeuropa zu unterstützen. Produkte in diesem Bereich sind nach militärischen Standards getestet und zertifiziert, einschließlich MIL-STD-810G und MIL-STD-461G.
Relyum von SoC-e ist eine Reihe von militärischen kommerziellen handelsüblichen (COTS) verwalteten 1 / 10G-Ethernet-Switch-, Router- und Edge-Computing-Geräten. Die RELY-MIL-SWITCH-ROUTER-Plattform unterstützt bis zu 20x 1G Kupfer- und bis zu 6x 1 / 10G Glasfaseranschlüsse. Die Unterstützung für verschiedene Medientypen und deren Verteilung in den MIL-DTL-38999-Anschlüssen ermöglicht ein vollständiges und kostengünstiges Netzwerk Infrastrukturen.
Das Produkt verfügt speziell über ein Xilinx Ultrascale + MPSoC-Gerät, das sechs ARM-CPUs, eine GPU und ein FPGA in derselben integrierten Schaltung enthält. Die Switching- und Routing-Funktionen werden durch Hardware im FPGA-Bereich beschleunigt, wodurch die Flexibilität besteht, verschiedene militärische Anforderungen zu erfüllen. Diese Flexibilität ermöglicht es dem Relyum, HSR / PRP- oder TSN-Protokolle mit derselben Hardware zu unterstützen. Faseroptische Ringe, die diese Protokolle kombinieren, sind dank des von SoC-e entwickelten Koordinationsmechanismus zwischen Schaltern möglich. Darüber hinaus unterstützen Relyum-Geräte eine Vielzahl von Sicherheitsfunktionen, um die strengsten Anforderungen für diese Art von Anwendungen zu erfüllen.
Die Flexibilität macht es zu einer idealen Option für zahlreiche militärische Anwendungen, ob an Land, in der Luft oder auf See. Militärische Landfahrzeuge profitieren beispielsweise von einer verzögerungsfreien Wiederherstellungszeit und einer deterministischen Ethernet-Kommunikation und können die Ausrüstung auch zum Einbetten von Hardware-Software-Mikrodiensten nutzen, die auf die Vorverarbeitung von Sensordaten ausgerichtet sind. Der RELY-MIL-SWITCH-ROUTER ist außerdem GVA-konform (Generic Vehicle Architecture) und eignet sich daher ideal für Verteidigungsfahrzeuge.
Es sind Innovationen wie diese, die einen datengesteuerten Ansatz für Militär und Verteidigung vorantreiben, indem sie Frontline-Geräte verbinden und die zuverlässige und sichere Übertragung geschäftskritischer Daten unterstützen. Embedded Military Computing und Networking sind das wahre digitale Rückgrat moderner Verteidigungsoperationen, obwohl sie in der britischen Industriestrategie für Verteidigung und Sicherheit etwas von gepanzerten Fahrzeugen und Drohnen überschattet werden. Die kontinuierliche Entwicklung und Investition in diesem Bereich wird den Streitkräften helfen, in den kommenden Jahren und Jahrzehnten weiterhin neue technologische Grenzen zu überschreiten.
Andy Conway ist Verkaufsleiter beim Spezialisten für militärische eingebettete Systeme Recab UK
Bilder: System-on-Chip-Engineering (SoC-e)