Công nghệ trở nên quan trọng hơn đối với các hoạt động quân sự và quốc phòng mỗi năm trôi qua. Chúng ta chỉ cần nhìn vào tài liệu gần đây của Bộ Tư lệnh Quốc phòng và đánh giá ngân sách của Chính phủ Anh để khẳng định lại điều này, với ưu tiên của nước này dường như là tăng cường năng lực công nghệ trên chiến trường. Tuy nhiên, công nghệ quân sự không chỉ nói về những đàn máy bay không người lái hay xe bọc thép Boxer mới; đó là về việc chuyển tiếp thông tin nhanh chóng và hiệu quả trên tuyến đầu.
Lĩnh vực quân sự và quốc phòng có lịch sử lâu đời luôn đi đầu trong lĩnh vực công nghệ tiên tiến. Các công nghệ phổ biến ngày nay, chẳng hạn như GPS, máy bay không người lái và thậm chí cả lò vi sóng, tìm thấy nguồn gốc của chúng trong lĩnh vực quốc phòng. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi vào thời điểm phát triển công nghệ liên tục, Chính phủ Vương quốc Anh đã đặt mục tiêu hiện đại hóa các lực lượng vũ trang của mình và áp dụng các công nghệ mới hơn.
Tuy nhiên, lĩnh vực thực sự được quan tâm trong Chiến lược Công nghiệp Quốc phòng và An ninh mới của Vương quốc Anh không phải là công nghệ mà nước này đang đầu tư ban đầu, mà là tập trung vào nghiên cứu và phát triển. Đặc biệt, Bộ Chỉ huy Chiến lược Vương quốc Anh dự kiến sẽ đầu tư 1.5 tỷ bảng Anh trong XNUMX năm tới để “xây dựng và duy trì một 'xương sống kỹ thuật số' để chia sẻ và khai thác lượng dữ liệu khổng lồ, thông qua đám mây và các mạng an toàn", theo Bộ trưởng Quốc phòng. Ben Wallace MP.
Hệ thống quân sự nhúng là nền tảng của phương pháp tiếp cận quốc phòng theo hướng dữ liệu này. Các hệ thống này rất quan trọng trong việc thu thập, phân tích và liên lạc dữ liệu từ chiến trường hoặc tiền đồn. Điều này có nghĩa là chúng phải đáp ứng các tiêu chuẩn quy định nghiêm ngặt, được đảm bảo về mặt vật lý để chịu đựng các điều kiện môi trường khắc nghiệt và hỗ trợ truyền thông dữ liệu nhanh chóng, đáng tin cậy và an toàn.
Đó là yêu cầu thứ hai đặt ra thách thức lớn nhất đối với máy tính nhúng quân sự, đồng thời có thể hưởng lợi nhiều nhất từ việc tăng cường đầu tư vào các công nghệ mới. Nhiều ứng dụng quốc phòng mới hơn phát sinh từ các công nghệ tiên tiến, chẳng hạn như tăng cường xử lý video để nâng cao nhận thức tình huống, yêu cầu phương pháp tính toán quân sự phân tán kết hợp mạng với tính toán tăng tốc phần cứng thông qua thiết bị mảng cổng lập trình hiện trường (FPGA).
Máy tính quân sự phân tán yêu cầu cung cấp độ trễ thấp, tính sẵn sàng cao, khả năng tương tác giữa các thiết bị được nối mạng và băng thông cao để có hiệu quả. Thách thức theo truyền thống đã nảy sinh từ việc sử dụng rộng rãi Ethernet cho mạng. Mặc dù rẻ và phổ biến, về bản chất, nó thường không mang tính xác định - có lợi cho độ tin cậy, nhưng ít lý tưởng hơn cho các hệ thống quan trọng yêu cầu truyền dữ liệu thời gian thực.
Ethernet thế hệ tiếp theo
Ethernet tiêu chuẩn hoạt động bằng cách gửi các gói dữ liệu theo cách phụ thuộc phần lớn vào tải mạng, điều này không phù hợp với các thiết bị nối mạng cần mức độ đồng bộ hóa cao. Các tiêu chuẩn mới đang phát sinh, chẳng hạn như IEC 62439-3 và Mạng nhạy cảm theo thời gian TSN- (một bộ tiêu chuẩn đang được phát triển bởi nhóm nhiệm vụ Mạng nhạy cảm với thời gian của nhóm công tác IEEE 802.1), đang giúp đáp ứng các nhu cầu mạng quan trọng . Các tiêu chuẩn này, cùng với sự phát triển trong không gian công nghệ này, đang thúc đẩy sự đổi mới trong các mạng quân sự.
Một công ty đi đầu trong lĩnh vực này là System-on-Chip engineering (SoC-e), một chuyên gia về các giải pháp Ethernet dựa trên FPGA mà Recab UK hợp tác chặt chẽ để cung cấp các hệ thống sẵn sàng cao cho các mạng Ethernet phòng thủ. SoC-e cũng là một thành viên tích cực trong nhiều nhóm công nghiệp và học thuật hàng đầu đang phát triển và quản lý các tiêu chuẩn cho Ethernet xác định. Các nhóm này đã hoạt động tích cực trong việc xác định và phát triển các giao thức dựa trên Ethernet mới như Dự phòng liền mạch độ khả dụng cao (HSR), Giao thức dự phòng song song (PRP) và Mạng nhạy cảm theo thời gian (TSN).
HSR
HSR là một trong hai giao thức được tiêu chuẩn hóa trong IEC 62439-3, cùng với PRP. Sự khác biệt chính giữa hai giao thức này là HSR tập trung vào việc cung cấp khả năng dự phòng liền mạch trong các mạng bị giới hạn thời gian, trong khi PRP có khả năng cung cấp dự phòng liền mạch thông qua hai mạng Ethernet tiêu chuẩn độc lập. PRP giới thiệu dự phòng cho các nút.
Tuy nhiên, yêu cầu về cấu trúc liên kết vòng có thể hạn chế trong việc triển khai HSR trong tính toán biên quân sự. Tương tự, HSR yêu cầu tất cả các nút phải xử lý hoặc truyền theo tất cả các gói dữ liệu, điều này có thể làm tăng các yêu cầu xử lý và thêm vào độ trễ của mạng.
PRP
Giao thức PRP hoạt động bằng cách tạo ra các đường dẫn song song trong các mạng dự phòng để các gói dữ liệu trùng lặp đi qua. Các nút đi kèm kép (DAN) được kết nối với hai mạng Ethernet cục bộ độc lập và tiêu chuẩn (LAN A và LAN B), với các khung giống hệt nhau được gửi qua cả hai mạng.
PRP operative đảm bảo nhận được tất cả thông tin, ngay cả khi một mạng bị lỗi.
Các nút không phải PRP có thể bỏ qua các khung, giảm yêu cầu xử lý và giao thức PRP tương thích với phần cứng Ethernet tiêu chuẩn.
TSN
Có một số tiêu chuẩn IEEE đang được phát triển phác thảo các tính năng cụ thể của TSN, bao gồm đồng bộ hóa (802.1AS), lưu lượng theo lịch trình (802.1Qbv), lưu lượng dành riêng (802.1Qav), dự phòng liền mạch (802.1CB) và phân quyền trước khung (802.1Qbu và 802.3br). Mặc dù không phải tất cả các tiêu chuẩn đều được yêu cầu để hỗ trợ TSN, các mạng và thiết bị chuyển mạch có thể đáp ứng các tiêu chuẩn này mang lại lợi thế rõ ràng trong môi trường quân sự. Việc lựa chọn các tiêu chuẩn phụ ở trên là một trong những tiêu chuẩn phù hợp nhất cho mạng quân sự.
Tất nhiên, tiêu chuẩn đồng bộ hóa (802.1AS) là bắt buộc và được cho là quan trọng nhất trong bối cảnh quân sự và quốc phòng. Dựa trên giao thức thời gian chính xác tiêu chuẩn IEEE 1588-2008 (PTP), đồng bộ hóa trong TSN cho phép các thiết bị trong mạng chia sẻ cùng một tham chiếu thời gian trong phạm vi thời gian nano giây. Điều này có nghĩa là mạng Ethernet có thể cung cấp mức độ đồng bộ hóa có thể so sánh với GPS.
Tính sẵn sàng cao trên TSN có thể đạt được bằng cách thêm tính năng sao chép và loại bỏ khung như được định nghĩa trong IEEE 802.1CB. Theo cách tương tự như được định nghĩa cho HSR, các khung bao gồm một số thứ tự và được sao chép, với mỗi bản sao được gửi qua một đường dẫn khác nhau trong mạng.
Để đạt được độ trễ thấp nhất có thể trong các mạng được thiết kế, chức năng Time Aware Shaper được giới thiệu trong tiêu chuẩn lập lịch lưu lượng IEEE 802.1Qbv. Điều này hoạt động với các ứng dụng trong đó dữ liệu quan trọng về thời gian được gửi theo các khoảng thời gian định kỳ đều đặn và nó dựa trên việc thêm các cổng thời gian trên mỗi hàng đợi trên một cổng. Điều này được bổ sung bởi tính năng tiền quyền được hỗ trợ bởi IEEE 802.1Qbu và 802.3br. Khung có mức ưu tiên cao hơn có thể làm gián đoạn việc truyền khung có mức ưu tiên thấp hơn, làm giảm độ trễ của các luồng nhạy cảm với thời gian.
Ethernet quân sự xác định
Việc hiện thực hóa các công nghệ Ethernet mới này trong các ứng dụng quốc phòng đòi hỏi phải sử dụng một hệ thống cung cấp tính linh hoạt để hỗ trợ giao thức phù hợp cho một ứng dụng nhất định. Để đạt được mục tiêu này, Recab đã hợp tác với SoC-e, công ty có dòng sản phẩm Relyum cung cấp giải pháp tất cả trong một lý tưởng, để hỗ trợ các nhà sản xuất thiết bị gốc quân sự và quốc phòng (OEM) ở Anh và Bắc Âu. Các sản phẩm trong phạm vi này được kiểm tra và chứng nhận theo các tiêu chuẩn quân sự bao gồm MIL-STD-810G & MIL-STD-461G.
Relyum của SoC-e là một loạt các thiết bị chuyển mạch ethernet 1 / 10G được quản lý thương mại cho quân đội (COTS), bộ định tuyến và thiết bị điện toán biên. Nền tảng RELY-MIL-SWITCH-ROUTER hỗ trợ cổng đồng lên đến 20x 1G và tối đa 6x 1 / 10G, với sự hỗ trợ cho các loại phương tiện khác nhau và sự phân phối của nó trong các đầu nối MIL-DTL-38999 cho phép mạng hoàn chỉnh và tiết kiệm chi phí cơ sở hạ tầng.
Sản phẩm đặc biệt tự hào có thiết bị Xilinx Ultrascale + MPSoC bao gồm sáu CPU ARM, một GPU và một FPGA trong cùng một mạch tích hợp. Các chức năng chuyển mạch và định tuyến được tăng tốc bởi phần cứng trong phần FPGA, giúp nó linh hoạt đáp ứng các yêu cầu quân sự khác nhau. Tính linh hoạt này cho phép Relyum hỗ trợ các giao thức HSR / PRP hoặc TSN với cùng một phần cứng. Các vòng sợi kết hợp các giao thức này là khả thi nhờ vào cơ chế phối hợp giữa các công tắc do SoC-e phát triển. Ngoài ra, thiết bị Relyum hỗ trợ một loạt các chức năng bảo mật, để đạt được các yêu cầu nghiêm ngặt nhất trong các loại ứng dụng đó.
Tính linh hoạt khiến nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng quân sự, cho dù trên bộ, trên không hay trên biển. Ví dụ, các phương tiện quân sự trên bộ được hưởng lợi từ thời gian khôi phục không có độ trễ, giao tiếp Ethernet xác định và cũng có thể tận dụng lợi thế của thiết bị để nhúng các vi dịch vụ phần cứng-phần mềm theo định hướng xử lý trước dữ liệu cảm biến. RELY-MIL-SWITCH-ROUTER cũng tuân thủ Kiến trúc Xe Chung (GVA), làm cho nó trở nên phù hợp lý tưởng cho các phương tiện phòng thủ.
Đó là những cải tiến như những cải tiến này đang thúc đẩy phương pháp tiếp cận theo hướng dữ liệu cho quân sự và quốc phòng, bằng cách kết nối các thiết bị tuyến đầu và hỗ trợ truyền tải dữ liệu quan trọng về sứ mệnh một cách đáng tin cậy, an toàn. Mặc dù bị lu mờ phần nào bởi các phương tiện bọc thép và máy bay không người lái trong Chiến lược Công nghiệp Quốc phòng và An ninh của Vương quốc Anh, mạng và máy tính quân sự nhúng là xương sống kỹ thuật số thực sự của các hoạt động quốc phòng hiện đại. Tiếp tục phát triển và đầu tư vào lĩnh vực này sẽ giúp các lực lượng vũ trang tiếp tục vượt qua các biên giới công nghệ mới trong những năm và thập kỷ tới.
Andy Conway là giám đốc kinh doanh tại chuyên gia hệ thống nhúng quân sự Recab UK
Hình ảnh: Kỹ thuật hệ thống trên chip (SoC-e)