Technologie wordt elk jaar belangrijker voor militaire en defensieoperaties. We hoeven alleen maar naar het recente Defense Command-document en de begrotingsevaluatie van de Britse regering te kijken om dit opnieuw te bevestigen, waarbij de prioriteit van het land schijnbaar ligt in het versterken van de technologische capaciteit op het slagveld. Militaire technologie gaat echter over meer dan alleen zwermen drones of nieuwe Boxer-pantservoertuigen; het gaat om het snel en effectief doorgeven van informatie aan de frontlinie.
De militaire en defensiesector heeft een lange geschiedenis als voorloper op het gebied van technologische vooruitgang. Technologieën die tegenwoordig gemeengoed zijn, zoals gps, drones en zelfs magnetrons, vinden hun oorsprong in de defensiesector. Het is dan ook geen verrassing dat de Britse regering in een tijd van voortdurende technologische ontwikkeling haar zinnen heeft gezet op het moderniseren van haar strijdkrachten en het aannemen van nieuwere technologieën.
Het echte interessegebied van de nieuwe industriële strategie voor defensie en veiligheid van het VK is echter niet de technologie waarin het aanvankelijk investeert, maar eerder de focus op onderzoek en ontwikkeling. In het bijzonder wordt verwacht dat het Britse Strategic Command in de komende tien jaar £ 1.5 miljard zal investeren om "een 'digitale backbone' te bouwen en te onderhouden om grote hoeveelheden gegevens te delen en te exploiteren, via de cloud en beveiligde netwerken", aldus minister van Defensie. Ben Wallace MP.
Ingebouwde militaire systemen vormen de basis van deze datagedreven benadering van defensie. Deze systemen zijn essentieel bij het verzamelen, analyseren en communiceren van gegevens van het slagveld of buitenposten. Dit betekent dat ze moeten voldoen aan strenge regelgevingsnormen, fysiek robuust moeten zijn om zware omgevingsomstandigheden te weerstaan en snelle, betrouwbare en veilige datacommunicatie moeten ondersteunen.
Het is de laatste vereiste die de grootste uitdaging vormt voor militaire embedded computing, terwijl het tegelijkertijd het meest kan profiteren van verhoogde investeringen in nieuwe technologieën. Veel van de nieuwere defensietoepassingen die voortkomen uit geavanceerde technologieën, zoals verbeterde videoverwerking om situationeel bewustzijn te verbeteren, vereisen een gedistribueerde militaire computerbenadering die netwerken combineert met hardwareversnelde computers via FPGA-apparaten (field-programmable gate array).
Gedistribueerde militaire computergebruik vereist een lage latentie, hoge beschikbaarheid, interoperabiliteit tussen netwerkapparaten en een hoge bandbreedte om effectief te zijn. De uitdaging komt traditioneel voort uit het brede gebruik van Ethernet voor netwerken. Hoewel goedkoop en alomtegenwoordig, is het over het algemeen niet-deterministisch van aard - gunstig voor de betrouwbaarheid, maar minder dan ideaal voor bedrijfskritische systemen die real-time gegevensoverdracht vereisen.
Ethernet van de volgende generatie
Standaard Ethernet-functies door het verzenden van datapakketten op een manier die grotendeels afhankelijk is van de netwerkbelasting, wat niet geschikt is voor netwerkapparaten die een hoge mate van synchronisatie nodig hebben. Er ontstaan nieuwe standaarden, zoals IEC 62439-3 en TSN Time-Sensitive Networking- (een reeks standaarden in ontwikkeling door de Time-Sensitive Networking-taakgroep van de IEEE 802.1-werkgroep), die helpen voldoen aan bedrijfskritische netwerkvereisten . Deze normen, naast ontwikkeling in deze technologische ruimte, zijn de motor achter innovatie in militaire netwerken.
Een van die bedrijven die hierin voorop loopt, is System-on-Chip engineering (SoC-e), een expert in FPGA-gebaseerde Ethernet-oplossingen waarmee Recab UK nauw samenwerkt om systemen met hoge beschikbaarheid aan te bieden voor Ethernet-netwerken voor defensie. SoC-e is ook een actieve deelnemer in veel toonaangevende industriële en academische groepen die de standaarden voor deterministisch Ethernet ontwikkelen en beheren. Deze groepen zijn actief geweest in het definiëren en ontwikkelen van nieuwe op Ethernet gebaseerde protocollen zoals High-availability Seamless Redundancy (HSR), Parallel Redundancy Protocol (PRP) en Time-Sensitive Networking (TSN).
HSR
HSR is een van de twee protocollen die naast PRP zijn gestandaardiseerd in IEC 62439-3. Het belangrijkste verschil tussen deze twee protocollen is dat HSR zich richt op het leveren van naadloze redundantie in netwerken met beperkte tijd, terwijl PRP in staat is om naadloze redundantie te bieden via twee onafhankelijke standaard Ethernet-netwerken. PRP introduceert redundantie in de knooppunten.
De vereiste van een ringtopologie kan echter beperkend zijn bij de implementatie van HSR in militaire edge computing. Evenzo vereist HSR dat alle knooppunten alle datapakketten verwerken of doorgeven, wat de verwerkingsvereisten kan verhogen en de netwerklatentie kan vergroten.
PRP
Het PRP-protocol werkt door parallelle paden te creëren in redundante netwerken waar dubbele datapakketten doorheen kunnen. Dual Attached Nodes (DAN's) zijn verbonden met twee onafhankelijke en standaard lokale Ethernet-netwerken (LAN A en LAN B), met identieke frames verzonden over beide netwerken.
De PRP-medewerker zorgt ervoor dat alle informatie wordt ontvangen, zelfs als een netwerk uitvalt.
Niet-PRP-knooppunten kunnen de frames negeren, waardoor de verwerkingsvereisten worden verminderd, en het PRP-protocol is compatibel met standaard Ethernet-hardware.
TSN
Er zijn verschillende IEEE-standaarden in ontwikkeling die specifieke kenmerken van TSN beschrijven, waaronder synchronisatie (802.1AS), gepland verkeer (802.1Qbv), gereserveerd verkeer (802.1Qav), naadloze redundantie (802.1CB) en framevoorkeuze (802.1Qbu). en 802.3br). Hoewel niet alle standaarden nodig zijn om TSN te ondersteunen, bieden netwerken en switches die aan deze standaarden kunnen voldoen een duidelijk voordeel in militaire omgevingen. De selectie van bovenstaande substandaarden behoort tot de meest relevante voor militaire netwerken.
De synchronisatiestandaard (802.1AS) is natuurlijk noodzakelijk en misschien wel de belangrijkste in een militaire en defensiecontext. De synchronisatie in TSN is gebaseerd op het IEEE 1588-2008-standaard nauwkeurige tijdprotocol (PTP) en stelt apparaten in het netwerk in staat om dezelfde tijdreferentie te delen binnen een nanoseconde tijdsbereik. Dit betekent dat Ethernet-netwerken een synchronisatieniveau kunnen bieden dat vergelijkbaar is met GPS.
De hoge beschikbaarheid op TSN kan worden bereikt door frame-replicatie en eliminatie toe te voegen, zoals gedefinieerd in IEEE 802.1CB. Op dezelfde manier als gedefinieerd voor HSR, bevatten de frames een volgnummer en worden ze gerepliceerd, waarbij elke kopie via een ander pad in het netwerk wordt verzonden.
Om de laagst mogelijke latentie in technische netwerken te bereiken, is de Time Aware Shaper-functionaliteit geïntroduceerd in de IEEE 802.1Qbv-standaard voor verkeersplanning. Dit werkt met applicaties waarbij tijdkritische gegevens met regelmatige tussenpozen worden verzonden en is gebaseerd op het toevoegen van tijdpoorten aan elke wachtrij op een poort. Dit wordt aangevuld door de voorrang die wordt ondersteund door IEEE 802.1Qbu en 802.3br. Een frame met een hogere prioriteit kan de frametransmissie met een lagere prioriteit onderbreken, waardoor de latentie van tijdgevoelige streams wordt verminderd.
Deterministisch militair Ethernet
Het realiseren van deze nieuwe Ethernet-technologieën in defensietoepassingen vereist het gebruik van een systeem dat de flexibiliteit biedt om het juiste protocol voor een bepaalde toepassing te ondersteunen. Hiertoe is Recab een partnerschap aangegaan met SoC-e, wiens Relyum-assortiment een ideale alles-in-één oplossing biedt, ter ondersteuning van OEM's (Original Equipment Manufacturers) voor defensie en defensie in het VK en Noord-Europa. Producten in deze reeks zijn getest en gecertificeerd volgens militaire normen, waaronder MIL-STD-810G en MIL-STD-461G.
Relyum van SoC-e is een reeks militaire commerciële off-the-shelf (COTS) beheerde 1 / 10G ethernet switch, router en edge computing-apparatuur. Het RELY-MIL-SWITCH-ROUTER-platform ondersteunt tot 20x 1G koper- en tot 6x 1 / 10G glasvezelpoorten, met ondersteuning voor verschillende mediatypen en de distributie ervan in de MIL-DTL-38999-connectoren waardoor een compleet en kosteneffectief netwerk mogelijk is infrastructuren.
Het product beschikt specifiek over een Xilinx Ultrascale + MPSoC-apparaat met zes ARM-CPU's, één GPU en een FPGA in hetzelfde geïntegreerde circuit. De schakel- en routeringsfuncties worden versneld door hardware in de FPGA-sectie, waardoor het de flexibiliteit biedt om aan verschillende militaire vereisten te voldoen. Door deze flexibiliteit kan de Relyum HSR / PRP- of TSN-protocollen met dezelfde hardware ondersteunen. Vezeloptische ringen die deze protocollen combineren, zijn mogelijk dankzij het inter-switch coördinatiemechanisme ontwikkeld door SoC-e. Bovendien ondersteunt Relyum-apparatuur een breed scala aan beveiligingsfunctionaliteiten om te voldoen aan de strengste eisen in dat soort toepassingen.
De flexibiliteit maakt het een ideale optie voor tal van militaire toepassingen, zowel op het land, in de lucht als op zee. Militaire landvoertuigen profiteren bijvoorbeeld van een hersteltijd zonder vertraging, deterministische Ethernet-communicatie en kunnen ook profiteren van de apparatuur om hardwarematige microservices in te bouwen die zijn gericht op de voorverwerking van sensorgegevens. De RELY-MIL-SWITCH-ROUTER voldoet ook aan de Generic Vehicle Architecture (GVA), waardoor hij ideaal is voor defensievoertuigen.
Het zijn innovaties zoals deze die een datagestuurde benadering van leger en defensie stimuleren, door frontlinie-apparaten met elkaar te verbinden en de betrouwbare, veilige overdracht van bedrijfskritische gegevens te ondersteunen. Hoewel enigszins overschaduwd door gepantserde voertuigen en drones in de Britse industriële strategie voor defensie en beveiliging, vormen embedded militaire computers en netwerken de echte digitale ruggengraat van moderne defensieoperaties. Voortdurende ontwikkeling en investeringen op dit gebied zullen de strijdkrachten helpen om de komende jaren en decennia nieuwe technologische grenzen te blijven overschrijden.
Andy Conway is salesmanager bij Recab UK, specialist in militaire embedded systemen
Afbeeldingen: System-on-Chip engineering (SoC-e)