Inti perangkat lunak dari infrastruktur cyber on-board pemogokan pemogokan terpadu F-35

Tinjauan umum komponen kunci dari "Sistem Informasi Logistik Otonomi" (ALIS) dari pemogokan tempur terpadu F-35. Analisis terperinci dari "unit pendukung tempur" dan empat komponen utamanya: 1) antarmuka sistem manusia, 2) sistem kontrol eksekutif, 3) sistem kekebalan di kapal, 4) sistem avionik. Beberapa informasi tentang firmware pesawat tempur F-35 dan tentang alat-alat yang digunakan untuk perangkat lunaknya. Perbandingan dibuat dengan model pejuang tempur sebelumnya, dan prospek untuk pengembangan lebih lanjut dari penerbangan tentara juga ditunjukkan.

- Pendahuluan
- Sistem informasi logistik otonom
- Unit pendukung tempur
- Antarmuka manusia-sistem
- Sistem eksekusi dan kontrol
- Sistem kekebalan tubuh
- Sistem avionik tingkat lanjut
- Arsitektur kernel ALIS

Fighter F-35 adalah segerombolan terbang semua jenis sensor teknologi tinggi, memberikan total "kesadaran situasional 360 derajat."

Pendahuluan

Sistem perangkat keras angkatan udara menjadi semakin kompleks dari waktu ke waktu. [27] Infrastruktur dunia maya mereka (komponen perangkat lunak dan perangkat keras yang memerlukan penyetelan algoritmik yang bagus) secara bertahap menjadi lebih rumit. Dengan menggunakan contoh Angkatan Udara AS, orang dapat melihat bagaimana infrastruktur cyber pesawat militer - dibandingkan dengan komponen perangkat keras tradisionalnya - secara bertahap diperluas dari kurang dari 5% (untuk F-4, pesawat tempur generasi ketiga) menjadi lebih dari 90% (untuk F-35, pejuang generasi kelima). [5] Untuk menyempurnakan konfigurasi algoritmik infrastruktur cyber ini, F-35 bertanggung jawab atas perangkat lunak terbaru yang dikembangkan khusus untuk tujuan ini: "Sistem Informasi Logistik Otonomi" (ALIS).

Sistem Informasi Logistik Otonom

Di era pejuang generasi ke-5, keunggulan militer diukur, pertama-tama, oleh kualitas kesadaran situasional. [10] Oleh karena itu, pesawat tempur F-35 adalah segerombolan terbang semua jenis sensor berteknologi tinggi, memberikan total kesadaran situasional 360 derajat. [11] Sebuah hit baru dalam hal ini adalah yang disebut "Arsitektur sensor terintegrasi" (ISA), yang meliputi sensor yang saling berinteraksi secara dinamis secara dinamis satu sama lain (tidak hanya dalam lingkungan yang tenang, tetapi juga dalam lingkungan taktis yang diperebutkan), yang, secara teoritis, harus mengarah pada peningkatan yang lebih besar dalam kualitas kesadaran situasional. [7]. Namun, agar teori ini dapat dipraktikkan, diperlukan pemrosesan algoritmik berkualitas tinggi dari semua data yang berasal dari sensor.

Oleh karena itu, F-35 secara konstan membawa perangkat lunak pada papannya, ukuran total kode sumber yang melebihi 20 juta baris, yang sering disebut "komputer terbang". [6] Karena keunggulan tempur diukur oleh kualitas kesadaran situasional pada saat ini, pejuang mogok era kelima, hampir 50% dari kode program ini (8,6 juta baris) melakukan pemrosesan algoritmik yang rumit - untuk menempelkan semua data yang berasal dari sensor ke dalam satu gambar teater operasi. Dalam waktu nyata.

Dinamika pergeseran untuk memastikan fungsionalitas jet tempur AS - menuju perangkat lunak

"Sistem Informasi Logistik Otonom" (ALIS) bertanggung jawab untuk ini di atas kapal F-35, yang memberikan para pejuang keterampilan seperti 1) perencanaan (melalui sistem avionik canggih), 2) mempertahankan (kemampuan untuk bertindak sebagai unit tempur terkemuka), dan 3) memperkuat (Kemampuan untuk bertindak sebagai unit tempur yang dipandu). [4] "Bonding code" adalah komponen utama ALIS, yang menyumbang 95% dari seluruh kode program on-board pesawat tempur F-35. 50% lainnya dari kode ALIS melakukan operasi yang agak sekunder, tetapi juga secara algoritma sangat intensif. [12] Oleh karena itu, F-35 adalah salah satu sistem pertempuran paling rumit yang pernah dikembangkan. [6]

ALIS adalah sistem autopilot bersyarat yang menggabungkan kompleks terintegrasi dari berbagai subsistem udara; dan juga termasuk interaksi yang efektif dengan pilot dengan memberinya informasi berkualitas tentang ruang operasi (kesadaran situasional). Kernel perangkat lunak ALIS terus berjalan di latar belakang, membantu pilot dalam membuat keputusan dan memberinya tip pada waktu penerbangan yang kritis. [13]

Memerangi unit pendukung

Salah satu subsistem terpenting dari ALIS adalah "unit pendukung penggunaan tempur", yang terdiri dari lima elemen utama [13]:

1) "Antarmuka sistem manusia" - memberikan visualisasi teater perang yang berkualitas tinggi (ergonomis, komprehensif, ringkas). [12] Menonton teater ini, pilot membuat keputusan taktis dan memberikan tim tempur, yang pada gilirannya diproses oleh unit ICS.

2) "Eksekusi dan sistem kontrol" (IKS) - berinteraksi dengan unit kontrol senjata di atas kapal, memastikan eksekusi tim tempur yang diberikan pilot melalui antarmuka sistem manusia. IKS juga mencatat kerusakan aktual dari penggunaan masing-masing tim tempur (melalui sensor umpan balik), untuk analisis selanjutnya oleh sistem avionik.

3) “Sistem kekebalan terpasang” (LSI) - memonitor ancaman eksternal dan, ketika terdeteksi, melakukan tindakan pencegahan yang diperlukan untuk menghilangkan ancaman. Pada saat yang sama, LSI dapat menikmati dukungan dari unit tempur ramah yang berpartisipasi dalam operasi taktis bersama. [8] Untuk ini, LSI berinteraksi erat dengan sistem avionik - melalui sistem komunikasi.

4) “Sistem Avionik” - mengubah aliran data mentah yang berasal dari semua jenis sensor menjadi kesadaran situasional berkualitas tinggi, dapat diakses oleh pilot melalui antarmuka sistem manusia.

5) “Sistem komunikasi” - mengendalikan lalu lintas jaringan dan eksternal eksternal, dll berfungsi sebagai penghubung antara semua sistem terpasang; serta antara semua yang berpartisipasi dalam operasi taktis bersama, unit tempur.

Antarmuka sistem manusia

Untuk memenuhi kebutuhan akan kewaspadaan situasional yang berkualitas tinggi dan komprehensif, komunikasi dan visualisasi di kokpit pejuang sangat penting. Wajah ALIS secara umum dan unit pendukung tempur khususnya adalah "subsistem tampilan untuk visualisasi panorama" (L-3 Communications Display Systems). Ini termasuk layar sentuh definisi tinggi besar (LADD) dan saluran komunikasi broadband. Perangkat lunak L-3 berjalan pada Integrity 178B OS (sistem operasi real-time Green Hills Software), yang merupakan sistem operasi utama dari pesawat tempur F-35.

Arsitek infrastruktur cyber F-35 memilih Integrity 178B OS, dipandu oleh enam fitur khusus untuk sistem operasi ini: 1) kepatuhan dengan standar arsitektur terbuka, 2) kompatibilitas Linux, 3) kompatibilitas API POSIX, 4) alokasi memori aman, 5) alokasi memori aman, 5) persyaratan khusus keamanan dan 6) dukungan untuk spesifikasi ARINC 653. [12] ARINC 653 adalah antarmuka perangkat lunak aplikasi untuk digunakan dalam avionik. Antarmuka ini mengatur pemisahan temporal dan spasial dari sumber daya sistem komputer penerbangan sesuai dengan prinsip-prinsip avionik modular terintegrasi; dan juga mendefinisikan antarmuka program yang harus digunakan perangkat lunak aplikasi untuk mengakses sumber daya sistem komputer.

Tampilkan subsistem visualisasi panorama

Sistem Kontrol Eksekutif

Seperti yang telah disebutkan di atas, ICS, berinteraksi dengan unit kendali senjata di atas kapal, memastikan eksekusi tim tempur dan pencatatan kerusakan aktual dari penggunaan setiap tim tempur. Jantung ICS adalah superkomputer, yang secara alami juga disebut sebagai "senjata udara".

Karena volume tugas yang diberikan pada superkomputer onboard sangat besar, ini telah meningkatkan kekuatan dan memenuhi persyaratan tinggi untuk toleransi kesalahan dan kekuatan pemrosesan; Itu juga dilengkapi dengan sistem pendingin cair yang efisien. Semua langkah-langkah ini telah diambil untuk memastikan bahwa sistem komputer on-board mampu secara efisien memproses array data yang sangat besar dan melakukan pemrosesan algoritmik tingkat lanjut - yang memberikan pilot dengan kesadaran situasional yang efektif: memberinya informasi komprehensif tentang ruang operasi. [12]

Superkomputer on-board dari pesawat tempur F-35 mampu melakukan 40 miliar operasi per detik secara terus-menerus, yang mana hal ini memberikan eksekusi multitask dari algoritma sumber daya intensif avionik canggih (termasuk pemrosesan data elektro-optik, inframerah dan radar). [9] Secara real time. Untuk pesawat tempur F-35, tidak mungkin untuk melakukan semua perhitungan intensif algoritmik ini di samping (agar tidak melengkapi setiap unit tempur dengan superkomputer), karena intensitas aliran total data yang berasal dari semua sensor melebihi throughput sistem komunikasi tercepat dengan setidaknya 1000 kali. [12]

Untuk memastikan peningkatan keandalan, semua sistem on-board kritis dari pesawat tempur F-35 (termasuk sampai batas tertentu superkomputer onboard) diimplementasikan dengan menggunakan prinsip redundansi: sehingga beberapa perangkat yang berbeda berpotensi melakukan tugas yang sama di papan. Selain itu, persyaratan redundansi sedemikian rupa sehingga elemen duplikat dikembangkan oleh produsen alternatif dan memiliki arsitektur alternatif. Karena ini, kemungkinan kegagalan simultan yang asli dan duplikat berkurang. [1, 2] Termasuk, karena itu, komputer host menjalankan sistem operasi mirip Linux, dan para budak menjalankan Windows. [2] Juga, agar salah satu komputer gagal, unit pendukung tempur dapat terus berfungsi (setidaknya dalam mode darurat), arsitektur kernel ALIS dibangun di atas prinsip "server-klien multi-threaded untuk komputasi terdistribusi." [18]

Sistem kekebalan udara

Dalam lingkungan taktis yang diperebutkan, mempertahankan imunitas on-board memerlukan kombinasi efektif stabilitas, redundansi, keragaman, dan fungsi yang didistribusikan. Penerbangan militer kemarin tidak memiliki sistem kekebalan udara tunggal (BIS). Nya, penerbangan, LSI terfragmentasi dan terdiri dari beberapa komponen yang bertindak secara independen. Masing-masing komponen ini telah dioptimalkan untuk menahan serangkaian sistem senjata yang sempit: 1) proyektil balistik, 2) rudal yang menunjuk pada sumber frekuensi radio atau sinyal elektro-optik, 3) radiasi laser, 4) radiasi radar, dll. Ketika serangan terdeteksi, subsistem LSI yang sesuai diaktifkan secara otomatis dan mengambil tindakan balasan.

Komponen LSI kemarin dirancang dan dikembangkan secara independen oleh berbagai kontraktor. Karena komponen-komponen ini, sebagai suatu peraturan, memiliki arsitektur tertutup, modernisasi LSI - ketika teknologi baru dan sistem senjata baru tersedia - dirubah untuk menambahkan komponen LSI independen lainnya. Kelemahan mendasar dari LSI yang terfragmentasi seperti itu - terdiri dari komponen-komponen independen dengan arsitektur tertutup - adalah bahwa fragmen-fragmennya tidak dapat saling berinteraksi dan tidak dapat menerima koordinasi terpusat. Dengan kata lain, mereka tidak dapat berkomunikasi satu sama lain dan melakukan operasi bersama, yang membatasi keandalan dan kemampuan beradaptasi seluruh LSI secara keseluruhan. Misalnya, jika salah satu subsistem imun gagal atau hancur, subsistem lainnya tidak dapat secara efektif mengganti kerugian ini. Selain itu, fragmentasi LSI sering menyebabkan duplikasi komponen teknologi tinggi, seperti prosesor dan display, [8] yang, dalam konteks "masalah hijau abadi", mengurangi SWaP (ukuran, berat dan konsumsi daya) [16] - sangat boros. Tidak mengherankan bahwa LSI awal ini secara bertahap menjadi usang.

LSI yang terfragmentasi digantikan oleh sistem kekebalan on-board tunggal yang didistribusikan, dikendalikan oleh "Pengendali Kognitif Cerdas" (ICC). KIC adalah program khusus, sistem saraf pusat onboard, yang berfungsi di atas subsistem terintegrasi yang termasuk dalam LSI. Program ini mengintegrasikan semua subsistem LSI ke dalam satu jaringan terdistribusi (dengan informasi umum dan sumber daya bersama), dan juga menghubungkan semua LSI dengan prosesor pusat dan sistem on-board lainnya. [8] Dasar dari asosiasi semacam itu (termasuk integrasi dengan komponen yang akan dikembangkan di masa depan) adalah konsep yang diterima secara umum tentang "sistem sistem" (SoS), [3] dengan karakteristik yang membedakannya seperti skalabilitas, spesifikasi publik, dan arsitektur terbuka. perangkat keras dan perangkat lunak.

KIC memiliki akses ke informasi semua subsistem BIS; fungsinya adalah untuk membandingkan dan menganalisis informasi yang berasal dari subsistem LSI. KIC secara terus-menerus bekerja di latar belakang, terus-menerus berinteraksi dengan semua subsistem LSI - mengidentifikasi setiap potensi ancaman, melokalisasikannya, dan akhirnya merekomendasikan pilot serangkaian tindakan penanggulangan yang optimal (dengan mempertimbangkan kemampuan unik masing-masing subsistem LSI). Untuk ini, KIC menggunakan algoritma kognitif tingkat lanjut [17-25].

T.O. Setiap pesawat memiliki KIC tersendiri. Namun, untuk mencapai integrasi yang lebih besar (dan, sebagai hasilnya, keandalan yang lebih besar), ICC dari semua pesawat yang berpartisipasi dalam operasi taktis disatukan ke dalam satu jaringan bersama, yang dikoordinasikan oleh "Sistem Informasi Logistik Otonomi" (ALIS). [4] Ketika salah satu KIC mengidentifikasi ancaman, ALIS menghitung tindakan pencegahan paling efektif, menggunakan informasi semua KIC dan dukungan semua unit tempur yang berpartisipasi dalam operasi taktis. ALIS “mengetahui” karakteristik individu dari masing-masing KIC, dan menggunakannya untuk menerapkan tindakan pencegahan terkoordinasi.

LSI yang didistribusikan berkaitan dengan ancaman eksternal (terkait dengan permusuhan musuh) dan internal (terkait dengan cara piloting dan nuansa operasional). Di atas pesawat tempur F-35, sistem avionik bertanggung jawab untuk memproses ancaman eksternal, dan VRAMS ("sistem cerdas untuk melaporkan risiko yang terkait dengan manuver berbahaya peralatan") bertanggung jawab untuk memproses ancaman internal. [13] Tugas utama VRAMS adalah untuk memperpanjang periode pengoperasian pesawat di antara sesi perawatan yang diperlukan. Untuk melakukan ini, VRAMS mengumpulkan informasi waktu-nyata tentang kesehatan subsistem onboard dasar (mesin pesawat terbang, drive tambahan, komponen mekanis, subsistem listrik) dan menganalisis kondisi teknis mereka; dengan mempertimbangkan parameter akun seperti puncak suhu, penurunan tekanan, dinamika getaran dan semua jenis gangguan. Berdasarkan informasi ini, VRAMS memberikan rekomendasi terlebih dahulu kepada pilot tentang cara melanjutkan agar pesawat tetap aman dan sehat. VRAMS “memprediksi” konsekuensi apa yang dapat ditimbulkan oleh tindakan pilot ini atau lainnya, dan juga memberikan rekomendasi tentang cara menghindarinya. [13]

Patokan yang diperjuangkan oleh VRAMS adalah pemeliharaan nol dengan tetap mempertahankan keandalan super dan mengurangi kelelahan struktural. Untuk mencapai tujuan ini, laboratorium penelitian sedang mengerjakan pembuatan bahan dengan struktur cerdas - yang akan dapat bekerja secara efektif dalam kondisi tanpa pemeliharaan. Para peneliti di laboratorium ini sedang mengembangkan metode untuk mendeteksi microcracks dan fenomena lain yang mendahului kerusakan, untuk mencegah kemungkinan kerusakan di muka. Penelitian juga sedang dilakukan menuju pemahaman yang lebih baik tentang fenomena kelelahan struktural untuk menggunakan data ini untuk mengatur manuver pesawat untuk mengurangi kelelahan struktural - dan sebagainya. memperpanjang masa manfaat pesawat. [13] Dalam hal ini, menarik untuk dicatat bahwa sekitar 50% dari artikel dalam jurnal "Advanced in Engineering Software" dikhususkan untuk analisis kekuatan dan kerentanan beton bertulang dan struktur lainnya.

Sistem komunikasi risiko cerdas untuk manuver berbahaya peralatan

Sistem avionik canggih

Unit on-board untuk memastikan penggunaan tempur pesawat tempur F-35 mencakup sistem avionik canggih yang dirancang untuk menyelesaikan tugas ambisius:

Sistem avionik kemarin termasuk beberapa subsistem independen (mengendalikan sensor inframerah dan ultraviolet, radar, sonar, peperangan elektronik dan lainnya), yang masing-masing dilengkapi dengan tampilan sendiri. Karena itu, pilot harus bergiliran melihat masing-masing layar dan menganalisis secara manual dan membandingkan data yang berasal dari mereka. , , F-35 – , , ; . T.O. – , ; . , , .

– F-22. , , 1,7 . , 90% Ada. , – ALIS, – F-35, F-22 .

ALIS F-22. 1,7 , – 8,6 . , C/C++. , , – , . , , , . T.O. , F-35, , - – . [12]

ALIS

, , : ; ; ; , , , ; . ALIS – , F-35.

Namun, arsitektur ini, seperti semua cerdik, sederhana. Konsep mesin negara terbatas diambil sebagai dasarnya. Penerapan konsep ini dalam kerangka ALIS diimplementasikan di mana semua komponen perangkat lunak on-board pesawat tempur F-35 memiliki struktur terpadu. Dalam kombinasi dengan arsitektur server klien multi-threaded untuk komputasi terdistribusi, inti otomatis ALIS memenuhi semua persyaratan yang saling bertentangan yang dijelaskan di atas. Setiap komponen perangkat lunak ALIS terdiri dari antarmuka “file .h” dan konfigurasi algoritmik dari “file .cpp”. Struktur umum mereka diberikan dalam file sumber yang dilampirkan pada artikel (lihat tiga spoiler berikut).

#include "battle.h" CBattle::~CBattle() { } BOOL CBattle::Battle() { BATTLE_STATE state; switch (m_state) { case AU_BATTLE_STATE_1: if (!State1Handler(...)) return FALSE; m_state = AU_STATE_X; break; case AU_BATTLE_STATE_2: if (!State2Handler(...)) return FALSE; m_state = AU_STATE_X; break; case AU_BATTLE_STATE_N: if (!StateNHandler(...)) return FALSE; m_state = AU_STATE_X; break; } return TRUE; } 

 #ifndef AUTOMATA1_H #define AUTOMATA1_H typedef enum AUTOMATA1_STATE { AU1_STATE_1, AU1_STATE_2, ... AU1_STATE_N }; class CAutomata1 { public: CAutomata1(); ~CAutomata1(); BOOL Automata1(); private: BOOL State1Habdler(...); BOOL State2Handler(...); ... BOOL StateNHandler(...); AUTOMATA1 m_state; }; #endif 

 #include "automata1.h" void main() { CAutomata1 *pAutomata1; pAutomata1 = new CAutomata1(); while (pAutomata->Automata1()) {} delete pAutomata1; } 

Kesimpulannya, dapat dicatat bahwa dalam lingkungan taktis yang disengketakan, unit-unit tempur Angkatan Udara memiliki infrastruktur cyber di atas kapal yang secara efektif menggabungkan stabilitas, redundansi, keragaman, dan fungsi terdistribusi. KIC dan ALIS penerbangan modern memenuhi persyaratan ini. Namun, tingkat integrasi mereka di masa depan juga akan diperluas menjadi interaksi dengan unit militer lainnya, sementara sekarang integrasi Angkatan Udara yang efektif hanya mencakup unitnya.