В АО «НТЦ ЭЛИНС» непрерывно развивается научно-производственная база, повышаются и расширяются компетенции в области проектирования высокоскоростных цифровых интерфейсов
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.
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.
Разработанная в нашей компании KVM-консоль представляет собой 8-канальный коммутируемый интерфейс пользователя KVM для локального управления вычислительными средствами (Фото 1).
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).
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.
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.
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).
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.
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.
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).
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).
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.
