Tecnologia diventa sempre più importante per le operazioni militari e di difesa ogni anno che passa. Basta guardare al recente documento del Comando della Difesa del Regno Unito e alla revisione del bilancio per riaffermare ciò, poiché la priorità del paese sembra essere quella di rafforzare la capacità tecnologica sul campo di battaglia. Tuttavia, la tecnologia militare va ben oltre gli sciami di droni o i nuovi veicoli corazzati Boxer; si tratta della trasmissione rapida ed efficace delle informazioni in prima linea.
Il settore militare e della difesa ha una lunga storia di essere in prima linea nel progresso tecnologico. Le tecnologie oggi comuni, come il GPS, i droni e persino le microonde, trovano la loro origine nel settore della difesa. Non sorprende, quindi, che in un momento di continuo sviluppo tecnologico, il governo del Regno Unito abbia puntato sulla modernizzazione delle sue forze armate e sull'adozione di nuove tecnologie.
Tuttavia, la vera area di interesse nella nuova strategia industriale per la difesa e la sicurezza del Regno Unito non è la tecnologia in cui sta investendo inizialmente, ma piuttosto l'attenzione alla ricerca e allo sviluppo. In particolare, si prevede che il comando strategico del Regno Unito investirà 1.5 miliardi di sterline nei prossimi dieci anni per "costruire e sostenere una 'dorsale digitale' per condividere e sfruttare enormi quantità di dati, attraverso il cloud e reti sicure", secondo il Segretario alla Difesa. Ben Wallace MP.
I sistemi militari incorporati sono la base di questo approccio alla difesa basato sui dati. Questi sistemi sono fondamentali per la raccolta, l'analisi e la comunicazione dei dati dal campo di battaglia o dagli avamposti. Ciò significa che devono soddisfare rigorosi standard normativi, essere fisicamente resistenti per resistere a condizioni ambientali difficili e supportare una comunicazione dei dati rapida, affidabile e sicura.
È quest'ultimo requisito che pone la sfida più grande per il computing embedded militare, pur essendo allo stesso tempo in grado di trarre il massimo vantaggio da maggiori investimenti in nuove tecnologie. Molte delle più recenti applicazioni di difesa derivate da tecnologie avanzate, come una maggiore elaborazione video per migliorare la consapevolezza della situazione, richiedono un approccio informatico militare distribuito che combini il networking con l'elaborazione accelerata dall'hardware tramite dispositivi FPGA (field-programmable gate array).
L'elaborazione militare distribuita richiede una bassa latenza, alta disponibilità, interoperabilità tra dispositivi in rete e larghezza di banda elevata per essere efficace. La sfida è stata tradizionalmente derivata dall'ampio uso di Ethernet per il networking. Sebbene economico e onnipresente, è generalmente di natura non deterministica - vantaggioso per l'affidabilità, ma tutt'altro che ideale per i sistemi mission critical che richiedono la trasmissione di dati in tempo reale.
Ethernet di nuova generazione
L'Ethernet standard funziona inviando pacchetti di dati in un modo che dipende in gran parte dai carichi di rete, il che non è adatto per i dispositivi in rete che richiedono alti gradi di sincronizzazione. Stanno emergendo nuovi standard, come IEC 62439-3 e TSN Time-Sensitive Networking (una serie di standard in fase di sviluppo dal task group Time-Sensitive Networking del gruppo di lavoro IEEE 802.1), che stanno contribuendo a soddisfare le esigenze di rete mission-critical . Questi standard, insieme allo sviluppo in questo spazio tecnologico, stanno guidando l'innovazione nelle reti militari.
Una di queste società in prima linea in questo è l'ingegneria System-on-Chip (SoC-e), un esperto in soluzioni Ethernet basate su FPGA con cui Recab UK lavora a stretto contatto per offrire sistemi ad alta disponibilità per reti Ethernet di difesa. SoC-e è anche un partecipante attivo in molti importanti gruppi industriali e accademici che stanno sviluppando e governando gli standard per Ethernet deterministico. Questi gruppi sono stati attivi nella definizione e nello sviluppo di nuovi protocolli basati su Ethernet come High-availability Seamless Redundancy (HSR), Parallel Redundancy Protocol (PRP) e Time-Sensitive Networking (TSN).
HSR
HSR è uno dei due protocolli standardizzati in IEC 62439-3, insieme a PRP. La differenza fondamentale tra questi due protocolli è che HSR si concentra sulla fornitura di ridondanza senza interruzioni in reti con vincoli di tempo, mentre PRP è in grado di fornire ridondanza senza interruzioni tramite due reti Ethernet standard indipendenti. PRP introduce la ridondanza ai nodi.
Tuttavia, il requisito di una topologia ad anello può essere limitante nell'implementazione di HSR nell'edge computing militare. Allo stesso modo, HSR richiede che tutti i nodi elaborino o trasmettano tutti i pacchetti di dati, il che può aumentare i requisiti di elaborazione e aumentare la latenza di rete.
PRP
Il protocollo PRP funziona creando percorsi paralleli in reti ridondanti per il passaggio di pacchetti di dati duplicati. I nodi doppi (DAN) sono collegati a due reti Ethernet locali standard e indipendenti (LAN A e LAN B), con frame identici inviati su entrambe le reti.
L'operatore PRP garantisce la ricezione di tutte le informazioni, anche in caso di guasto di una rete.
I nodi non PRP possono ignorare i frame, riducendo i requisiti di elaborazione e il protocollo PRP è compatibile con l'hardware Ethernet standard.
TSN
Esistono diversi standard IEEE in fase di sviluppo che delineano caratteristiche specifiche di TSN, tra cui sincronizzazione (802.1AS), traffico pianificato (802.1Qbv), traffico riservato (802.1Qav), ridondanza senza interruzioni (802.1CB) e prelazione dei frame (802.1Qbu e 802.3br). Sebbene non tutti gli standard siano necessari per supportare TSN, le reti e gli switch che possono soddisfare questi standard offrono un chiaro vantaggio negli ambienti militari. La selezione di sotto-standard di cui sopra sono tra le più rilevanti per il networking militare.
Lo standard di sincronizzazione (802.1AS) è, ovviamente, imperativo e probabilmente il più importante in un contesto militare e di difesa. Basato sul protocollo PTP (Preciso Standard Time Protocol) IEEE 1588-2008, la sincronizzazione in TSN consente ai dispositivi nella rete di condividere lo stesso riferimento temporale entro un intervallo di tempo di nanosecondi. Ciò significa che è possibile che le reti Ethernet forniscano un livello di sincronizzazione paragonabile al GPS.
L'elevata disponibilità su TSN può essere ottenuta aggiungendo la replica e l'eliminazione dei frame come definito in IEEE 802.1CB. In modo simile a quanto definito per HSR, i frame includono un numero di sequenza e vengono replicati, con ciascuna copia inviata attraverso un percorso diverso nella rete.
Per ottenere la latenza più bassa possibile nelle reti ingegnerizzate, la funzionalità Time Aware Shaper è stata introdotta nello standard di pianificazione del traffico IEEE 802.1Qbv. Funziona con le applicazioni in cui i dati critici in termini di tempo vengono inviati a intervalli periodici regolari e si basa sull'aggiunta di gate temporali su ciascuna coda su una porta. Ciò è completato dalla prelazione supportata da IEEE 802.1Qbu e 802.3br. Un frame con priorità più alta può interrompere la trasmissione del frame con priorità più bassa, riducendo la latenza dei flussi sensibili al tempo.
Ethernet militare deterministico
La realizzazione di queste nuove tecnologie Ethernet nelle applicazioni per la difesa richiede l'uso di un sistema che offra la flessibilità necessaria per supportare il protocollo corretto per una data applicazione. A tal fine, Recab ha stretto una partnership con SoC-e, la cui gamma Relyum offre una soluzione all-in-one ideale, per supportare i produttori di apparecchiature originali (OEM) militari e per la difesa nel Regno Unito e nel Nord Europa. I prodotti di questa gamma sono testati e certificati secondo gli standard militari tra cui MIL-STD-810G e MIL-STD-461G.
Relyum di SoC-e è una gamma di switch ethernet 1 / 10G gestiti da COTS (Military Commercial Off-the-Shelf), router e apparecchiature di edge computing. La piattaforma RELY-MIL-SWITCH-ROUTER supporta fino a 20 porte in rame da 1G e fino a 6 porte in fibra ottica da 1 / 10G, con supporto per diversi tipi di media e la sua distribuzione nei connettori MIL-DTL-38999 che consentono una rete completa ed economica infrastrutture.
Il prodotto vanta in particolare un dispositivo Xilinx Ultrascale + MPSoC che include sei CPU ARM, una GPU e un FPGA nello stesso circuito integrato. Le funzioni di commutazione e instradamento sono accelerate dall'hardware nella sezione FPGA, che gli conferisce la flessibilità per soddisfare vari requisiti militari. Questa flessibilità consente a Relyum di supportare i protocolli HSR / PRP o TSN con lo stesso hardware. Gli anelli in fibra ottica che combinano questi protocolli sono realizzabili grazie al meccanismo di coordinamento tra gli interruttori sviluppato da SoC-e. Inoltre, le apparecchiature Relyum supportano un'ampia serie di funzionalità di sicurezza, al fine di soddisfare i requisiti più severi in questo tipo di applicazioni.
La flessibilità lo rende un'opzione ideale per numerose applicazioni militari, sia a terra, in aria o in mare. Ad esempio, i veicoli terrestri militari beneficiano di tempi di ripristino a ritardo zero, comunicazione Ethernet deterministica e possono anche sfruttare l'apparecchiatura per incorporare microservizi hardware-software orientati alla pre-elaborazione dei dati dei sensori. Il RELY-MIL-SWITCH-ROUTER è anche conforme alla Generic Vehicle Architecture (GVA), rendendolo ideale per i veicoli per la difesa.
Sono innovazioni come queste che stanno guidando un approccio basato sui dati alle forze armate e alla difesa, collegando dispositivi in prima linea e supportando la trasmissione affidabile e sicura di dati mission-critical. Sebbene oscurati in qualche modo dai veicoli blindati e dai droni nella strategia industriale per la difesa e la sicurezza del Regno Unito, i computer e le reti militari incorporati sono la vera spina dorsale digitale delle moderne operazioni di difesa. Lo sviluppo e gli investimenti continui in questo settore aiuteranno le forze armate a continuare ad attraversare le nuove frontiere tecnologiche negli anni e nei decenni a venire.
Andy Conway è direttore delle vendite presso lo specialista di sistemi embedded militari Recab UK
Immagini: ingegneria System-on-Chip (SoC-e)