Главная \ Статьи \ Анализ направлений развития нано- и IT-технологий для построения специализированных сетевых коммуникационных систем нового поколения

Статьи

« Назад

Анализ направлений развития нано- и IT-технологий для построения специализированных сетевых коммуникационных систем нового поколения  07.07.2015 11:03

Аннотация

В работе отмечается общая тенденция формирования коммуникационных систем сетевой информационной инфраструктуры, заключающаяся в стремлении к созданию единого информационно-коммуникационного пространства на принципах сетецентризма и сервис-ориентированной архитектуры, что обеспечивает гибкость применения различных сервисов в рамках данного пространства и доступ пользователей к необходимой информации в любое время и в любом месте. Проводится содержательный анализ приоритетных направлений исследований в области сетевых технологий на примере ведущих зарубежных компаний. Отмечается комплексный характер проводимых исследований. Обсуждаются  основные программы исследований, проводимых DARPA, а также ведущими научными центрами и ведущими компаниями США и Европы. Отдельное внимание уделяется анализу текущих разработок, осуществляемых DARPA. Определяются основные технологические тренды и наиболее важные в сфере сетецентрического управления и коммуникаций направления исследований.   Ключевые слова: коммуникационные системы, сетецентрическое управление; сервис-ориентированная архитектура, сетевые технологии.  

Annotation

A common tendency of communications systems network information infrastructure forming is pointed out. The tendency lies in seeking ways to build the unified information-communication field based on the principals of network-centric approach and service-oriented architecture.  Such an approach may an assure the adaptable  services in the field and the information readily available for users. The analyses of priority investigations in the field of network  technologies are carried out by the example of leading foreign companies. A complex character of investigations conducted is stressed. The main research programs conducted by DARPA and other research centers and companies in USA and Europe are discussed. Special attention is paid to updating DARPA developments. The basic technological trends and the most important lines of investigations in the field of network-centric communications are pointed out. Keywords: communications systems, network-centric approach, service-oriented architecture, network  technologies.  

Общей тенденцией формирования коммуникационных систем сетевой информационной инфраструктуры является  стремление к созданию единого информационно-коммуникационного пространства на принципах сетецентризма и сервис-ориентированной архитектуры, что обеспечивает гибкость применения различных сервисов в рамках данного пространства и доступ пользователей к необходимой информации в любое время и в любом месте [1-3]. В этом плане целесообразно проанализировать основные направления исследований, осуществляемых ДАРПА (США) как наиболее авторитетной структуры в части инициирования перспективных направлений исследований. 

Приоритетные направления ДАРПА

Новые вызовы обусловили потребность в новых подходах и развитии новых направлений исследований, что постоянно учитывается при планировании исследований, осуществляемых ДАРПА.В настоящее время на первый план выходят исследования в области информационных и коммуникационных технологий, нанотехнологий и наноматериалов, когнитивных технологий и систем интеллектуального анализа информации [6].Разрабатываемые и планируемые с горизонтом 3-5 лет новые исследовательские программы ДАРПА условно  группируются в 3 основных направления:-технологии роботов;-технологии человека;-сетевые технологии.Ниже в таблице 1 и на рисунке 1 представлено распределение затрат по новым программам ДАРПА на 2015 год [5]Таблица1Объем исследований по основным направлениям

№ п/п Направление К-во программ Финансирование (тыс. долл.)
1 Технологии роботов 8 60 210
2 Технологии человека 9 82 000
3 Сетевые технологии 21 196 220

  Рис.1 Структура приоритетных направлений DARPA. Как видно, исследования в области сетевых технологий имеют наибольший объем финансирования.  В свою очередь сетевые технологии, обеспечивая оперирование совокупностью объектов и систем, инициируют широкий круг исследований в различных областях науки – в математике, физике, кибернетике и др.  Особенности построения сетевых коммуникаций, обеспечивающих формирование единого информационного пространства, в разных странах обусловлены как принятой  идеологией построения информационного общества, так и финансовыми и техническими возможностями государства. Формирование единого информационного пространства и внедрение принципов сетецентризма требуют существенного увеличения объёма и скорости передачи информации. На стратегическом и оперативном уровнях данная задача решается за счёт комплексного применения оптических (лазерных) и радиочастотных технологий, а также сети интернет. На тактическом уровне проблема повышения пропускной способности систем коммуникаций решается путём внедрения адаптивных технологий использования радиочастотного спектра и построения самоорганизующихся сетей. Формирование в США и в странах НАТО единого информационного пространства на основе коммуникационной сети ведётся по двум взаимно дополняющим друг друга направлениям: 1) модернизация существующих систем связи и передачи данных и  2) разработка и внедрение перспективных технологий, получаемых в ходе научных исследований. Основу коммуникационной сети составляют: - оптические каналы (волоконные и беспроводные) высокой пропускной способности; - спутниковые системы связи на основе оптических и радиочастотных технологий построения каналов; - мобильные тактические сети с высокой степенью адаптации и самоорганизации. Реализация концепции сетецентрического управления (СЦУ) носит комплексный характер и в ее создании участвуют DARPA, ведущие научные центры США и Европы В целом, анализ основных направлений разработки перспективных систем коммуникаций и сетецентрических принципов управления показывает, что наиболее интенсивно исследования по развитию и работы по внедрению сетецентрической модели построения архитектуры коммуникаций идут в США. Движущей силой в данной области выступает DARPA вместе с ведущими научными центрами и ведущими компаниями США, обеспечивая как системную интеграцию усилий, так и разработку отдельных систем в сфере сетевых коммуникаций. При этом работы по созданию информационной решетки сетецентрического управления ведутся по двум стратегическим взаимосвязанным направлениям (рис.2): - создание основных элементов СЦУ и системы в целом; - создание базовой совокупности нано- и IT-технологий обеспечивающих достижение заданных технических, функциональных и экономических характеристик элементов системы и системы в целом. Рис.2 Три уровня системы СЦУ Рис.3 Основные элементы системы СЦУ Сети СЦУ, стратегический, оперативный и тактический уровни. На рис.3 представлены основные программы исследований, проводимых DARPA вместе с ведущими научными центрами и ведущими компаниями США и Европы [7-9]. Основные направления развития специализированных коммуникационных систем СЦУ представлены на рис.4 Рис. 4 Основные направления развития специализированных коммуникационных систем СЦУ Анализ программ и направлений исследований ДАРПА[5-21], ведущих научных центров и компаний США и Европы[22-39] позволил построить диаграммы активностей и участия организаций по основным направлениям исследований (рис.5,6) Рис.5 Диаграмма активностей по основным направлениям исследований Анализ интенсивности исследований (количество программ по каждому из ключевых направлений) показывает, что наиболее значительные усилия направлены на повышение пропускной способности систем коммуникаций, повышение уровня защиты информации и разработку алгоритмов и программного обеспечения. Отдельный комплекс исследований образуют работы по развитию технологий сетецентрической вооруженной борьбы [6-21, 26]. В настоящее время на первый план выходят исследования в области информационных и коммуникационных технологий, нанотехнологий и наноматериалов, когнитивных технологий и систем интеллектуального анализа информации.  В рамках работ на 2015г. в этом направлений ДАРПА заявлен ряд программ, связанных с созданием [6]:         -высокоэнергетических лазеров для нейтрализации большого спектра угроз для летательных аппаратов; -единой интегрированной системы сбора информации с распределенных датчиков и планирования нанесения комплексного удара;   Рис.6. Диаграмма участия в исследованиях -методов оптимальной интеграции системных архитектур различных программных сред для использования в многокомпонентных коммуникационных системах; -высокопроизводительных архитектур, сочетающих аспекты параллельных и облачных вычислений с адаптацией к изменению условий внешней среды и ряд других. Значительное внимание [8-10] уделяется разработкам принципиально новых технологий, обеспечивающих повышение пропускной способности каналов коммуникаций (адаптивные режимы работы, методы сжатия, динамическое распределение спектра частот и т.п.), а также решение проблем создания новых материалов, быстродействующей мико- и наноэлектроники, фотоники, технологий связи в новых средах и в сложных условиях, включая: -связь с подводными лодками в морской среде на глубине; - сверхбыструю (100Гиг) передачу информации в  высотной воздушной среде - коммуникации в городских условиях, защиту сетей и др. То есть в направлениях не имеющих, на данный момент эффективных вариантов реализации существующими способами.  Выше были выделены два ключевых направления исследований, в наибольшей степени влияющих на реализацию функциональных и технических возможностей коммуникационных систем и собственно концепции сетецентрического управления. Это технологии создания наносистем и наноматериалов и IT-технологии.   Рис.8. Основные направления развития нанотехнологий  Основные направление развития нанотехнологий в проекции на основные тренды развития систем СЦУ представлены на рис. 8. Иерархия технологий  позволяет сформировать основные тренды развития технологических направлений: - с учетом времени достижения результатов по каждой из технологий нижнего уровня;  - с учетом  реализации технологий более высокого ранга на основе групп технологических результатов полученных на нижних. На рис.8  представлены основные направления развития нанотехнологий для  реализации определенных трендов  создания СЦУ. На рис.9 представлена взаимосвязь терабитной системы CORONET и технологических трендов и технологий, необходимых для её создания. Рассматриваемое иерархическое представление технологических направлений и собственно технологий обеспечивает проведение их содержательного анализа и Рис.9. Взаимосвязь системы CORONET и технологий Рис. 10 Дорожные карты развития нанотехнологий, наносистем, наноматериалов для создания сетевых коммуникаций СЦУ. позволяет сформировать приоритеты и построить соответствующие дорожные карты (рис.10, 11).   Таким образом основными  технологическими трендами являются: - интеграция на чипе - высокопроизводительные вычисления  - фотоника  -технологии новых сред передачи данных  - технологии автономных сиcтем - системы теплоотвода Основные направление развития IT-Технологий  в проекции на основные тренды развития систем СЦУ представлены на рис.11. В целом можно сделать вывод что ведущее положение в создании сетецентрического управления и коммуникационных систем, безусловно, принадлежит DARPA, которая проводит исследования по 53 программам.  Среди инициаторов исследований следует выделить  Министерство обороны США, НАТО и крупнейшие компании США  Northrop Grumman, Raytheon Technologies, Lockheed Martin.  Можно заключить также, что при всем многообразии научных областей, наиболее важными в сфере сетецентрического управления и коммуникаций являются вопросы: - построения самоорганизующихся, самовосстановляющихся и быстродействующих систем; - защиты информации в процессе обмена информацией; - разработки надежного интеллектуального программного обеспечения, способного самостоятельно осуществлять контроль за сетями и принимать решения. - предупреждения и отражения кибератак; - синхронизации разнородных сетей путем создания шлюзов, универсальных протоколов обмена информацией и т.п. Рис.11. Дорожная карта ИТ-технологий Библиографический список 1 Балыбердин В.А., Белевцев А.М., Бендерский Г.П. Прикладные методы оценки и выбора решений в стратегических задачах инновационного менеджмента. – М.: Дашков, 2013.- 240 с. 2 Балыбердин В.А., Белевцев А.А., Степанов О.А. Технологические аспекты повышения функциональной эффективности специализированных информационных систем. Таганрог, Известия ЮФУ, Технические науки, №5, 2012г., с.8-12. 3 Белевцев А.М., Балыбердин В.А. Вопросы стратегического анализа направлений инновационного развития высокотехнологичных предприятий.  Таганрог, Известия ЮФУ, Технические науки, № 5, 2011г., 196-202. 4. И.Д. Клабуков, М.Д. Алехин, С.В.Мусиенко. Сумма  технологий национальной  безопасности  и развития. Москва, 2014. 5. Бюджет DARPA на 2015 год. Fiscal Year (FY) 2015 Budget Estimates 6. Исследовательская программа DARPA на 2015 год http://mipt.ru/education/chairs/theor_cybernetics/government/upload/3af/Program_darpa2015_rus.pdf 7.http://www.darpa.mil/Our_Work/STO/Programs/Advanced_Wireless_Networks_for_the_Soldier_(AWNS).aspx 8.http://www.darpa.mil/Our_Work/STO/Programs/Advanced_RF_Mapping_(Radio_Map).aspx 9.http://www.darpa.mil/Our_Work/STO/Programs/Adaptable_Navigation_Systems_(ANS).aspx 10.http://www.darpa.mil/Our_Work/MTO/Programs/Adaptive_RF_Technologies_(ART).aspx 11. http://www.technewsdaily.com/8210-military-tiny-atomic-clock.html 12.http://www.darpa.mil/Our_Work/I2O/Programs/Integrated_Cyber_Analysis_System_(ICAS).aspx 13. http://www.darpa.mil/Our_Work/I2O/Programs/Plan_X.aspx 14.http://www.darpa.mil/Our_Work/I2O/Programs/Mission-oriented_Resilient_Clouds_(MRC).aspx 15.http://www.darpa.mil/Our_Work/I2O/Programs/Automated_Program_Analysis_for_Cybersecurity_(APAC).aspx 16.http://www.darpa.mil/Our_Work/STO/Programs/Computational_Leverage_Against_Surveillance_Systems_(CLASS).aspx 17.http://www.darpa.mil/Our_Work/STO/Programs/Wireless_Network_Defense.aspx 18.http://www.darpa.mil/Our_Work/I2O/Programs/Active_Authentication.aspx 19.http://www.darpa.mil/Our_Work/I2O/Programs/Vetting_Commodity_IT_Software_and_Firmware_(VET).aspx 20.http://www.darpa.mil/Our_Work/I2O/Programs/PROgramming_Computation_on_EncryptEd_Data_(PROCEED).aspx 21.http://www.darpa.mil/Our_Work/STO/Programs/ 22. http://www.iarpa.gov/index.php/research-programs/stonesoup 23.http://www.darpa.mil/Our_Work/I2O/Programs/Adaptive_Radar_Countermeasures_(ARC).aspx 24. Журнал Raytheon Technology today Issue 01/2012 http://www.raytheon.com/newsroom/technology_today/archive/2012_i1.pdf 25. Журнал Raytheon Technology today Issue 02/2012 http://www.raytheon.com/newsroom/technology_today/archive/2012_i2.pdf 26. Журнал Raytheon Technology today Issue 01/2013 http://www.raytheon.com/newsroom/technology_today/archive/2013_i1.pdf 27. Журнал Raytheon Technology today Issue 01/2014 http://www.raytheon.com/news/technology_today/2014_i1/pdf/2014_i1.pdf 28. Перечень текущих исследований IARPA http://www.iarpa.gov/index.php/research-programs 29. Брошюра Science and Technology Capabilities, Defence Science Communications Australia, май, 2014 http://www.dsto.defence.gov.au/publication/science-and-technology-capabilities 30. http://www.lockheedmartin.com/us/innovations.html 31. Направления исследований лаборатории Линкольньна https://www.ll.mit.edu/mission/index.html 32. Направления исследований Northrop Grumman http://www.northropgrumman.com/Capabilities/Pages/default.aspx 33. http://www.qinetiq.com/Pages/capabilities.aspx 34. http://research.illinois.edu/research-illinois/research-centers-and-programs 35. http://research.universityofcalifornia.edu/ 36. http://www.generaldynamics.uk.com/solutions-and-capabilities/research-and-development 37. http://www.research-innovation.ed.ac.uk/WorkingWithUs/SponsoredResearch.aspx 38. http://www.ox.ac.uk/research/research-impact/impact-case-studies 39. http://www.cam.ac.uk/research/research-at-cambridge