ОПК 
15 января 2022

Современные KVM-технологии АО «НТЦ ЭЛИНС»

В АО «НТЦ ЭЛИНС» непрерывно развивается научно-производственная база, повышаются и расширяются компетенции в области проектирования высокоскоростных цифровых интерфейсов

АлексейМосквинРуководитель направления высокопроизводительных цифровых решений АО «НТЦ ЭЛИНС»

Компания АО «НТЦ ЭЛИНС» исторически является разработчиком и изготовителем сложных вычислительных средств: от малогабаритных пультов управления до автоматизированных рабочих мест оператора. Алгоритмическая сложность боевых задач непрерывно возрастает вместе с количеством применяемых вычислителей в комплексе, при этом возникают задачи организации рабочего места оператора для централизованного управления и администрирования, отвечающие современным требованиям быстродействия, надежности, защищенности от несанкционированного доступа (НСД) и эргономики.

Задача организации рабочего места оператора для управления вычислительными комплексами и кластерами может быть решена путем применения коммутируемого интерфейса пользователя.

Для решения этой задачи нами предложена концепция консоли управления (далее – KVM-консоли от английской аббревиатуры Keyboard, Video, Mouse), локально или удаленно подключаемой к одному или нескольким управляемым вычислительным средствам, что позволяет достичь высокой эффективности работы в сочетании с максимальной экономией пространства.

Алексей Москвин Алексей Москвин
Алексей Москвин

Консоль представляет собой заключенные в единый компактный корпус форм-фактора «ноутбук» средства ввода/вывода: видеомонитор, манипулятор указателя и полноразмерная клавиатура, которые предоставляют пользователю эргономичный коммутируемый интерфейс к внешней вычислительной аппаратуре, например, к вычислительному блоку, серверу, сетевому хранилищу данных и другим вычислительным средствам.

KVM-консоль не имеет собственного жесткого диска и не требует наличия высокопроизводительного процессора, потребляет от 15 до 50 Вт электроэнергии и способна работать от типовой бортовой сети постоянного тока 14–36 В или от бытовой сети переменного тока 220 В, 50 Гц посредством сетевого адаптера.

Существуют следующие варианты реализации KVM-консоли:

Локальный

Реализован на основе коммутирующих устройств – в этом случае KVM-консоль физически переключает свои интерфейсы ввода/вывода между каналами управления, т.е. переключает свой монитор на разные видеоисточники, коммутирует USB-хост интерфейсы от разных устройств на USB-устройства ввода KVM-консоли.

Преимущества локальной KVM-консоли:

• быстрый отклик;

• непосредственное подключение не требует дополнительного оборудования.

Недостатки локальной KVM-консоли:

• количество подключаемых управляемых блоков ограничено количеством разъемов;

• расстояние между KVM-консолью и управляемыми системными блоками ограничено физическими характеристиками коммутируемых интерфейсов;

• требуется большое количество дорогих кабелей для подключения (например DVI, USB) на каждый отдельный канал.

Удаленный

Реализован на основе локальной вычислительной сети Ethernet, использует в качестве среды передачи единственный кабель типа дифференциальная пара или оптический кабель – в этом случае консоль логически подключает свои интерфейсы ввода/вывода к выбранному управляемому устройству, используя IP-адресацию, по сети Ethernet. В мировой практике устройства, реализующие такую схему коммутации, известны под названием IP KVM (от англ. KVM over Internet Protocol).

Преимущества IP KVM:

• большее возможное количество подключаемых управляемых блоков (ограничение только по размеру адресного пространства);

• простота монтажа и единственный кабель для подключения по сети Ethernet;

• простота масштабирования – добавление новых вычислительных блоков производится простым подключением к Ethernet-коммутатору;

• неограниченное расстояние до управляемых вычислительных блоков (при использовании оптоволокна) и возможность управления по сети Интернет.

Недостатки IP KVM:

• задержки в канале – десятки миллисекунд, обусловленные протоколами компрессии и задержками при прохождении сетевого трафика через Ethernet-коммутаторы;

• необходимость в дополнительном оборудовании при подключении:

– Ethernet-коммутаторы для организации управляемых блоков и Терминала в сеть Ethernet;

– конвертеры медиа (данных видео, аудио и управления) в информационные пакеты, пригодные для транспортировки средствами TCP/IP.

KVM-консоль АО «НТЦ ЭЛИНС»

Разработанная в нашей компании KVM-консоль представляет собой 8-канальный коммутируемый интерфейс пользователя KVM для локального управления вычислительными средствами (Фото 1).

KVM-консоль АО «НТЦ ЭЛИНС KVM-консоль АО «НТЦ ЭЛИНС
KVM-консоль АО «НТЦ ЭЛИНС

KVM-консоль обладает следующими конкурентными преимуществами:

• работает в расширенном диапазоне температур от -40°С до +55°С;

• обеспечивает дальность подключения управляемых компьютеров не менее 15м;

• герметичные внешние соединители отечественного производства;

• дополнительный USB-канал коммутации для Flash-накопителей, расположенный на фронтальной панели;

• дополнительный канал коммутации считывателя сенсорного ключа пользователя для аутентификации аппаратного модуля доверенной загрузки (АПМДЗ) управляемых вычислительных блоков;

• для сервисных нужд предусмотрен дополнительный встроенный видеоканал для вывода On-screen display (OSD) меню поверх изображения на видеомониторе, встроенное меню используется для настроек изображения видеомонитора, проведения процедур самодиагностики и считывания времени наработки изделия;

• на основании заключения экспертной организации KVM-консоль не классифицируется как средство вычислительной техники и не требует дорогостоящей сертификации программного обеспечения на соответствие требованиям защиты от НСД;

• KVM-консоль спроектирована преимущественно на основе отечественной ЭКБ (более 60% от всей номенклатуры).

Дальнейшее развитие KVM-технологий

Понимая все преимущества и недостатки обоих способов управления, наша компания осознает важность реализации удаленного способа управления (по сети Ethernet). На базе имеющегося задела можно создать компьютер – «тонкий клиент», имеющий компактную моноблочную конструкцию форм-фактора типа «ноутбук» (Схема 1) и использующего для трансляции медиа данных видеокодек стандарта H.264 собственной разработки.

Схема 1. Концепт IP-KVM «Тонкий клиент» –  управление одним вычислительным блоком Схема 1. Концепт IP-KVM «Тонкий клиент» –  управление одним вычислительным блоком
Схема 1. Концепт IP-KVM «Тонкий клиент» –  управление одним вычислительным блоком

Наличие встроенных средств ввода/вывода в моноблочной конструкции «ноутбук» и встроенных средств трансляции интерфейса пользователя по сети Ethernet значительно уменьшает и упрощает внешние кабельные подключения, что повышает надежность комплекса в целом.

Такое решение также налагает дополнительное требование и на управляемые вычислительные блоки, которые должны иметь в своем составе платы трансляции KVM-интерфейса, либо внешние KVM-адаптеры трансляции.

На Схеме 2 показан сценарий управления несколькими вычислительными средствами с помощью консоли удаленного управления IP KVM.

Схема 2. Концепт IP-KVM «Тонкий клиент» – управление несколькими вычислительными блоками Схема 2. Концепт IP-KVM «Тонкий клиент» – управление несколькими вычислительными блоками
Схема 2. Концепт IP-KVM «Тонкий клиент» – управление несколькими вычислительными блоками

Проблемы целостности сигналов

В подавляющем большинстве случаев при проектировании изделий для образцов военной техники выбор внешних соединителей обусловлен, в первую очередь, требованиями стойкости и прочности к внешним воздействиям, характерным для экстремальных условий эксплуатации. Кроме этого, существуют требования спецификаций промышленных стандартов применяемых цифровых интерфейсов (таких как IEEE802.3ab, DVI1.0, HDMI1.4, USB3.0 и пр.), а также требования к механической части – соединителей и кабелей. Эти два важных технических аспекта нередко находятся в противоречии, и разработчику приходится принимать компромиссное решение, удовлетворяющее в достаточной степени всем требованиям. По этой причине при выборе схемотехнических решений для KVM-консоли особое внимание уделяется вопросам обеспечения надежности работы внешних цифровых интерфейсов с точки зрения целостности сигналов.

Для обеспечения приема и отображения видео высокой четкости (с разрешением 1920x1080 и кадровой частотой 60 Гц) в KVM-консоли локального управления целесообразно использовать интерфейс стандарта DVI/HDMI как наиболее устойчивый канал цифровой передачи видеоданных. Оценка обеспечения целостности сигналов интерфейса DVI/HDMI может быть получена на этапе отладки, при проведении исследования глазковых диаграмм высокоскоростных цифровых интерфейсов. На Рисунке 1 представлен пример диаграммы исходного TMDS-сигнала интерфейса DVI, снятой на контактах входного соединителя (а) и диаграммы восстановленного TMDS-сигнала, снятой в точке входа приемника TMDS (б).

Рисунок 1 (а). Глазковая диаграмма TMDS-сигнала, снятая на входном соединителе интерфейса DVI Рисунок 1 (а). Глазковая диаграмма TMDS-сигнала, снятая на входном соединителе интерфейса DVI
Рисунок 1 (а). Глазковая диаграмма TMDS-сигнала, снятая на входном соединителе интерфейса DVI

Рисунок 1 (б). Глазковая диаграмма восстановленного TMDS-сигнала, снятая в точке входа приемника TMDS Рисунок 1 (б). Глазковая диаграмма восстановленного TMDS-сигнала, снятая в точке входа приемника TMDS
Рисунок 1 (б). Глазковая диаграмма восстановленного TMDS-сигнала, снятая в точке входа приемника TMDS

Анализ этих двух диаграмм позволяет сделать вывод о том, что примененные решения эффективно борются с межсимвольной интерференцией (Intersymbol interference) – составляющей детерминированного джиттера, обусловленной затуханием высокочастотных компонент сигнала при прохождении по линии передачи, но не устраняют фазовый джиттер.

С целью определения наиболее вероятного источника появления фазового джиттера строится гистограмма распределения плотности вероятностей джиттера для случайной и детерменированной составляющих (Рисунок 2). Желтый график соответствует составляющей детерминированного джиттера, обусловленной неоднородностями параметров среды передачи, которые становятся причинами отражений некоторой доли амплитуды сигнала, и искажающих его форму. Именно это явление часто становится наиболее труднопреодолимым препятствием к применению новых более производительных стандартов, таких как USB3.0 и DisplayPort.

Рисунок 2. Гистограмма распределения плотности вероятностей джиттера для случайной и детерменированной составляющих TMDS-сигнала Рисунок 2. Гистограмма распределения плотности вероятностей джиттера для случайной и детерменированной составляющих TMDS-сигнала
Рисунок 2. Гистограмма распределения плотности вероятностей джиттера для случайной и детерменированной составляющих TMDS-сигнала

Для борьбы с искажениями формы сигнала, обусловленными неоднородностями среды, вносимыми элементами конструкции соединителей, кабелей или печатных плат, в АО «НТЦ ЭЛИНС» для KVM-изделий разработаны оригинальные решения, позволяющие восстанавливать форму сигнала практически до исходной – активные кабели и интерфейсная плата специальной конструкции, построенные на основе цифровых самотактируемых повторителей вместо аналоговых. Эти решения позволят оснащать изделия KVM более современными и производительными интерфейсами, в то же время оставляя возможность использовать нестандартные соединители отечественного производства.

Проблемы распределения тепла

Среди прочих требований в части обеспечения эргономических показателей, KVM-консоль должна обеспечивать температурный градиент по корпусу не более 15°C. Ввиду требований герметичности и прочности к механическим воздействиям, возможность отвода тепла ограничена только пассивным способом – за счет внутренних элементов конструкции, распределяющих тепло по внутренним стенкам корпуса.

Для оценки эффективности примененных способов охлаждения проводятся исследования распределения тепла, позволяющие выявить наиболее «горячие» участки корпуса (Таблица 1).

Работа в условиях пониженной температуры окружающей среды

Для обеспечения выполнения требования устойчивости к пониженной рабочей температуре окружающей среды в изделиях KVM применяется электронно-компонентная база, работающая в широком диапазоне температур, включая ЖК-панель видеомонитора. Дополнительно, для обеспечения более комфортной работы оператора, предусмотрена возможность автоматического включения подогрева ЖК-панели при критичной отрицательной температуре окружающей среды. Таким образом, KVM-консоль способна выполнять свои функции в условиях работы на холоде, так же, как и в нормальных климатических условиях (Фото 2).

Фото 2. Испытание работы KVM?консоли при -40°C Фото 2. Испытание работы KVM?консоли при -40°C
Фото 2. Испытание работы KVM?консоли при -40°C

Наш потенциал

В АО «НТЦ ЭЛИНС» непрерывно развивается научно-производственная база, повышаются и расширяются компетенции в области проектирования высокоскоростных цифровых интерфейсов. Интерес к исследованиям методов их проектирования вызван, в частности, стремлением выработки надежных производительных решений по широкому спектру номенклатуры изделий, выпускаемых компанией. Накопленные в этой сфере знания и наработанный задел в области видео кодирования позволяют создавать KVM-решения практически для любого типа конфигурации аппаратных вычислительных средств и с соблюдением всех необходимых требований и норм, предъявляемых к ним как к изделиям, применяемым в образцах вооружения военной и специальной техники.