BC/NW 2015 № 2 (27):4.1
ОРГАНИЗАЦИЯ ОБМЕНА ДАННЫМИ В НОВЕЙШИХ СИСТЕМАХ ВКО
Луньков А.П., Гарькин Е.В., Климов Ф.Н., Кочев М.Ю.
На данный момент во всех предыдущих поколения систем ПВО для взаимодействия комплексов средств автоматизации (КСА) друг с другом для обмена данными использовались аналоговые каналы связи тональной частоты. Скорость обмена данными не превышала 9600-14400 бит/с, достоверность передачи данных находилась на уровне от 10-3 до 10-5.
В новейшем поколении АСУ ВКО возникают новые требования к системам передачи данных [1]. Эти требования заключаются:
- в создании новых принципов межобъектового обмена данными и в повышении в десятки и в сотни раз скоростей обмена данными;
- в существенном повышении надежности и качества передачи данных;
- во взаимодействии с КСА старого парка через аппаратуру передачи данных;
- в резком уменьшении влияния на эффективность работы АСУ переменных составляющих задержек передачи информации [2].
Поскольку срок службы КСА составляет обычно до 25 лет, возникает необходимость в использовании аппаратуры для сопряжения как со старыми КСА, так и аппаратуры для сопряжения с новейшими КСА.
Для выполнения этих требований, предъявляемых к КСА новейшего поколения, необходимо выполнить переход на цифровую связь. Этот переход повысит скорости передачи данных в десятки и в сотни раз. Вероятностные характеристики доведения данных резко улучшатся.
Использование для межобъектового обмена в АСУ цифровых каналов связи существенным образом меняет структурные решения в КСА. Аппаратура передачи данных в перспективных структурных решениях уже не требуется, функции защиты от ошибок, возникающих в каналах связи, реализуются программно в ЦВК, а преобразования сигналов, осуществлявшегося ранее в устройствах преобразования сигналов (УПС), не требуется.
На рис.1 представлена структурная схема перспективного КСА для обмена данными по цифровым каналам связи. Центральный вычислительный комплекс (ЦВК), соединен через локальную сеть с цифровыми мультиплексорами (МП). Связь с взаимодействующими объектами осуществляется цифровыми потоками Е1 через коммутаторы локальных сетей (КЛС). Сигналы ЛВС коммутаторами локальных сетей преобразуются в сигналы первичного цифрового потока Е1 с суммарной скоростью 2048 кбит/с.
Рис 1. Структурная организация перспективного КСПД для обмена по цифровым каналам связи.
В структуре, показанной на рис. 1, наряду с дублированием ЦВК предусмотрено и дублирование ЛВС. Дублирование каналов обмена с абонентом может быть осуществлено за счет организации основного и резервного кагалов связи по географически разнесенным трассам через разные мультиплексоры по разным каналам Е1.
В новом поколении АСУ ВКО, мобильные системы межобъектового обмена должны быть необслуживаемыми (в периоды боевой работы), в крайних случаях могут управляться с рабочих мест операторов боевого управления, а также должны иметь высокий уровень автоматизации установления соединения с взаимодействующими объектами. Задача автоматического установления соединения с другими КСА для подвижных КП чрезвычайно важна, т.к. при смене позиции происходит смена взаимодействующих объектов, как следствие – смена типов алгоритмов, смена каналов связи, а значит смена видов модуляции, скоростей и других настроечных параметров. Ручная перенастройка параметров работы всех трактов передачи данных занимает значительное время, боевая эффективность КСА падает.
Автоматизация установления соединения на уровне УЗО в нашем случае требует разработки программ решения этой задачи. Первые решения в этой области уже найдены [3]. В новых КСА необходимы их реализация и проверка найденных решений.
Надежность каналов связи, существенно ниже надежности КСА. Именно поэтому во всех предыдущих поколениях автоматизированных систем использовалось резервирование или дублирование каналов связи. Для функционального контроля в модуле связи КСА использовалась отдельная аппаратура контроля. В некоторых современных КСА функции аппаратуры контроля выполняются программно, но в других современных комплексах средств передачи данных (КСПД) эта функция не реализована. Функция резервирования (дублирования) направлений связи является определяющей по показателям надежности (коэффициента готовности) территориальных АСУ и несомненно в новом поколении КСА должна быть реализована.
Перспективным с точки зрения объема задач решаемых программно и использования унифицированных микроэлементов большой и сверхбольшой степени интеграции является использование многопроцессорных комплексов (МПК), в которых все функции КСПД будут выполняться программно. Габариты, вес, энергопотребление и многие другие показатели КСПД в таком варианте перейдут на новый уровень.
Произведем оценку возможности построения КСПД на новейших принципах использования многопроцессорных вычислительных структур. Для этого, используя метод системного анализа, все функциональные задачи, выполняемые КСПД, подразделяем на три группы. К первой группе отнесем задачи, выполняемые в устройствах преобразования сигналов, ко второй группе относим задачи засекречивания и имитозащиты данных, к третьей группе относим задачи повышения достоверности передачи данных, выполняемые в устройствах защиты от ошибок.
Суммарный состав задач, решаемых КСПД, относится к категории сложных. Сложность вычислительной задачи измеряют суммарным числом операций выполняемых для ее решения в единицу времени.
Производительность, требуемая для решения всех задач КСПД, составляет
где Vi, Vj , Vз – производительности, требуемые для решения задач обработки сигналов соответственно по первому этапу в i - ом дискретном канале связи n –го типа, по третьему этапу в j – ом канале передачи данных k – го типа и по второму этапу для засекречивания данных Vз. Используя имеющиеся оценки, получим требуемую суммарную производительность для КСПД с 24 трактами передачи данных Vk = 1,69•108 операций/с.
Оценивая требуемую производительность для КСПД при использовании цифровых каналов связи, в отсутствии необходимости преобразования сигналов в устройствах преобразования сигналов, получаем
где Vi, Vз – производительности, требуемые для решения задач обработки сигналов соответственно по первому этапу защиты от ошибок в i - ом дискретном канале связи n –го типа и по этапу, обеспечивающему засекречивания данных Vз. Требуемая суммарная производительность для КСПД с 24 трактами передачи данных составит Vk = 1,09•108 операций/с.
В настоящее время в России серийно выпускаются многопроцессорные вычислительные комплексы семейства «Эльбрус», разработанных в ЗАО «МЦСТ» (г. Москва). Серийно выпускаются четырехядерный «Эльбрус -4С», проходит испытания восьмиядерный «Эльбрус-8С», в плане дальнейших разработок шестнадцатиядерный «Эльбрус-16С».
ЭВМ на базе процессора «Эльбрус-4С» реализует пиковую производительность 50 Гфлопс, и на базе четырех до 200 Гфлопс. Данные вычислительные комплексы способны обеспечить выполнение всех задач перспективных КСА.
Организация КСПД с выполнением почти всех функциональных задач программно в выделенных процессорах из общего числа процессоров многопроцессорной структуры позволит уменьшить габариты, стоимость, КСА, повысить производительность и снизить величины задержек обрабатываемых данных. Перспективный структурный вариант, представленный на рис. 1, предполагает использование ЦВК в виде многопроцессорной машины.
Надежность сети связи – это свойство сохранять во времени в установленных пределах значения параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах в мирных условиях. Количественной оценкой надежности систем связи является коэффициент готовности Kг – вероятность того, что система будет работоспособна в произвольно выбранный момент времени.
(3)
где To – средняя наработка на отказ, а tв – среднее время восстановления работоспособного состояния.
Живучесть сетей связи территориальных АСУ ВКО характеризуется теми же количественными показателями Кг, То и tВ, но уже в условиях жестких поражающих воздействий противником на систему [4].
Высокие показатели надежности и живучести достигаются в первую очередь резервированием и/или дублированием каналов связи и оборудования. Во всех предыдущих и в современных территориальных АСУ каналы связи резервировались (дублировались) с целью достижения требуемых значений коэффициента готовности каналов связи 0,999. В перспективных КСА этот показатель желателен не менее 0,9999. Достижение таких показателей возможно созданием обходных маршрутов – методом, предлагаемым авторами. Рассмотрим предложение.
Цифровой канал минимального потока Е1 реализуют передачу данных с общей пропускной способностью 2048 кбит/с. В этом потоке необходимо выделить пропускную способность в n*64000 бит/с для организации n каналов оперативно-командной речевой связи. Если n=3, то n*64000 = 192 кбит/с. Для организации эффективного обмена данными потребуется, как показано в [5], не менее 200 кбит/с. В итоге можно утверждать, что для организации взаимодействия двух объектов потребуется не менее 400. Можно предположить, что потребуется организация еще каких то каналов, например оперативно-командной связи, служебной связи. Пусть на все эти каналы потребуется еще 600 кбит/с, но даже после этого свободным остается поток данных в 1000 кбит/с. Используя эту оставшуюся свободной часть общего потока в 2048 кбит/с, можно иметь дополнительно до пяти каналов обмена данными. Каждый со скоростью 200 кбит/с. И так, в каждом направлении обмена, а значит можно строить обходные связи через другие взаимодействующие объекты.
На рис.2 приведен пример обходного маршрута, обеспечивающий взаимодействие объекта 1 и объекта 3, в условиях отказа основного и резервного каналов связи. Свободные пропускные способности уже имеющихся каналов позволяют организовать такой маршрут. Аналогичным способом в реальной насыщенной системе связи можно создать значительное количество обходных маршрутов.
Рис 2. Пример повышения живучести сети за счет организации обходных маршрутов.
Расчет повышения численных показателей живучести, выполняемый для конкретной сети может быть выполнен по методу расчета вероятности отказа всех элементов, составляющих обходной маршрут. Вероятность эта равна вероятности пребывания системы связи в состоянии, когда отказали i элементов и определяется по формуле Бернулли (4), где p -вероятность отказа элемента включенного в обходной маршрут
(4)
Проведенные авторами расчеты показывают, что при использовании обходных маршрутов в сетях связи достижимы показатели коэффициента готовности каналов связи в 0,9999.
Литература.
1. Савватеев В.С. «Вопросы дальнейшего развития средств и систем связи и передачи данных в КСА ВКО», журнал «Вопросы радиоэлектроники» серия СОИУ, 2010 г., выпуск 1.
2. Рекомендация МСЭ-Т (МККТТ) V.34 «Модем, обеспечивающий передачу данных со скоростями до 28800 бит/с для использования на коммутируемой сети общего пользования и на двухточечных двухпроводных выделенных каналах телефонного типа», сентябрь 1994г.
3. Власов И.И., Птичников М.М., «Измерения в цифровых сетях связи», изд. «Постмаркет», Москва, 2005 г.
4. Надежность и живучесть систем связи, Под редакцией Дудника Б.Я., М., Радио и связь, 1984 г.
5. Нимира М.Г., Савватеев В.С. «Вопросы обеспечения вероятностно-временных характеристик при работе по цифровым трактам в АСУ ВКО», в сборнике материалов научно-технической конференции ОАО ГСКБ «Алмаз-Антей», «Актуальные вопросы развития систем и средств воздушно-космической обороны», 2014 г.