sobota 20. dubna 2013

INTEROPERABILNÍ OTEVŘENÁ ARCHITEKTURA

Interoperabilní otevřená architektura a současné systémy C4ISR

 

(Co je IOA a proč má mimořádnou důležitost)

 
V současné době je téměř každý významný vojenský elektronický systém spadající do kategorie C4ISR svým charakterem 'systémem systémů'. Pro takové systémy (ať již je to například operačně taktický systém velení a řízení, nebo třeba elektronická výbava velitelských, bojových a speciálních vozidel), má dnes interoperabilní otevřená architektura (IOA) klíčový význam. Chápe se jako možnost systémů a jejich uživatelů (jednotek druhů vojsk a služeb) zajišťovat funkce a služby pro jiné systémy a jejich uživatele a opačně - využívat funkce a služby poskytované jinými systémy a jejich provozovateli. Jde tedy o vzájemnou výměnu služeb tak, aby mohly být efektivně provozovány společně.
 
Jednoduše řečeno - interoperabilita v otevřené architektuře umožňuje kterémukoli systémovému integrátorovi funkčně i fyzicky propojovat celou řadu komponent vyvinutých v různých dobách, různými výrobci a dodavateli.
 
To je mimořádně důležité nejen pro efektivní uspokojování operačně taktických potřeb velitelů a štábů, ale i pro nemalé úspory nákladů, jak na straně vojenského zadavatele, tak i na straně systémového integrátora a zúčastněných vývojových a výrobních organizací. Je zřejmé, že v dnešních ekonomických podmínkách jsou rozpočtové úspory kritickým faktorem.
 
Potřeba a význam IOA pro vojenské elektronické systémy
 
Vypracování architektury moderních vojenských elektronických systémů (zejména s charakterem 'systému systémů') je při zajišťování kombinovaných atributů funkčnosti, výkonu, škálovatelnosti a spolehlivosti značně obtížným úkolem. Doplňkové požadavky uživatelů na další, mimofunkční vlastnosti (interoperabilitu, modularitu, portabilitu, aj.) činí úkol ještě obtížnějším. To se samozřejmě promítá i do výdajů při pořizování (nákupu) nových a modernizaci existujících systémů. Právě v oblasti pořizování vojenských systémů dochází v poslední době ve světě k radikálnímu myšlenkovému posunu. Namísto systémových integrátorů začínají definovat architekturu významných elektronických systémů (včetně jejich potřebného softwarového vybavení) samy orgány ministerstev obrany. Tím, že ministerstva obrany berou na sebe "vlastnická práva" na architekturu systémů, a stanovují důsledně plně interoperabilní otevřenou architekturu, přispívají k vytvoření reálného otevřeného konkurenčního prostředí.
 
Hned poznamenejme, že IOA není totéž co otevřená architektura (OA). Sice z ní vychází, ale představuje její další významné rozvinutí. Jak již sám název říká, je nejdůležitějším ukazatelem nového přístupu interoperabilita. Nový přístup s IOA se ovšem musí ve formě úspor promítnout do cenových ukazatelů v oblasti dodávek pro armádu.
 
Aby byly různé systémy (vyvinuté a vyrobené v různých obdobích, s různými hardwarovými komponentami, s různou strukturou a charakterem softwaru, s různou technologií, ale i s různým využíváním dat a systémových informací) opravdu smysluplně interoperabilní, musejí být jejich komponenty snadno a účelně integrovatelné.



Přehled základních pojmů

Pojem interoperabilita se v praxi často zaměňuje nebo směšuje s jinými příbuznými pojmy a dochází tak k zmatečnému chápání interoperability s možnými negativními důsledky. Proto nebude od věci zpřesnit chápání obsahu jednotlivých, často těsně souvisejících, pojmů. K tomu slouží níže uvedená tabulka. 
 

 


Pojem

Technická definice

Vztah k interoperabilitě a komerční souvislosti

 Interoperabilita

 Schopnost systémů a jejich uživatelů    (jednotek, druhů vojsk a služeb) zajišťovat služby pro jiné systémy a jejich uživatele, a rovněž využívat služby poskytované jinými systémy a jejich uživateli. Týká se to i vzájemně vyměňovaných služeb, které musí být možné efektivně provozovat společně.

 Základní podmínka pro otevřený řetězec možných konkurenčních dodávek. Definuje počáteční možnosti služeb systému při vývoji a konečné možnosti služeb pro provoz. Umožňuje systémovému integrátorovi propojovat potřebné komponenty vyvinuté různými výrobci bez nutnosti jejich změn.

 Integrovatelnost

 Možnost vytvářet, kombinovat nebo koordinovat různé díly do jednoho funkčního (příp. konstrukčního) nebo unifikovaného celku.

 Nenárokuje požadavek na systémovou interoperabilitu. V krajním případě je každý softwarový systém integrovatelný, je to otázkou ceny. Nezahrnuje žádný atribut doškolování.

 Nahraditelnost

 Schopnost, která zajistí to, že věc nebo osoba může nahradit jinou věc nebo osobu (náhradním dílem, náhradníkem nebo nástupcem).

 Je-li nahraditelný podsystém vlastněn, nelze očekávat to, že nahrazující systém je zdokonalen nebo jakkoli změněn, jeho funkčnost bude nejspíš identická.

 Zaměnitelnost

 Vlastnost znamenající to, že nový předmět pro záměnu může být umístěn v pozici původního předmětu, nebo oba předměty se mohou vzájemně zaměňovat bez narušení funkce.

 Zdokonalení nahraditelnosti neboť podsystémy budou pravděpodobně schopné chovat se v systému po jejich vložení odlišně. To však musí být předem stanoveno a dokumentováno.

 Rozšiřitelnost

 Schopnost doplňovat do systému nové komponenty, podsystémy a rozšiřovat jeho schopnosti.

 Při integraci nového podsystému nejsou žádná omezení na dominový efekt změny požadavků týkajících se zbytku systému. To platí i tehdy, když to způsobí, že nový systém si bude moci smysluplně vyměňovat informace s jakýmkoli podsystémem, který v systému již je.

 Komponovatelnost

 Softwarový balíček, služby nebo moduly nesoucí příslušné funkce, které komunikují přes definovaná rozhraní.

 Užitečný stavební blok v softwarových architekturách, jehož rozhraní však nemusí být nutně otevřeně definováno pro zajištění interoperability.

 Modularita

 Charakteristika vyjadřující strukturu funkčních bloků systému s přiřazením vlastností a funkčních schopností jednotlivým modulům.

 Zlepšuje udržovatelnost, avšak nezakládá požadavky na interoperabilitu, jelikož rozhraní mohou být uzavřená a proprietární.

 Přenositelnost (portabilita)

 Možnost snadného přenesení prvků systému, obvykle softwarových aplikací, z jednoho prostředí do druhého, což je zpravidla dáno společnou (jednotnou) platformou.

 I když tato vlastnost umožňuje opakovaně používat aplikaci, nijak nesouvisí s interoperabilitou aplikace s jinými aplikacemi v prostředí, do kterého byla přenesena. Pouze zajišťuje integrovatelnost v rámci platformy.

 Otevřený systém

 Systém, pro jehož určitou úroveň se zajišťuje schopnost, která vyjadřuje interoperabilitu, portabilitu a použití otevřených standardů.

 Neexistuje žádný standard, který by definoval úroveň otevřenosti systému, ani takový, ke kterému by se vztahovala interoperabilita.


Interoperabilita jako klíčový atribut 'systému systémů'

Interoperabilita, jako požadavek na systémy, který má být nedělitelnou součástí architektury, se dostala do popředí zájmu orgánů ministerstev obrany a armád, a to nejen z hlediska nových systémů, ale všech systémů téže nebo příbuzné kategorie (např. elektronických systémů bojových a velitelských vozidel). IOA je typickou architekturou 'systému systémů', která je založena na otevřených standardech, jež mohou zajistit interoperabilitu mezi dílčími systémy, podsystémy a aplikacemi vytvořenými a zavedenými v různých dobách. Otevřené standardy umožňují vojenským orgánům učinit vybranou architekturu závaznou pro dodavatele a nepodléhat možným zájmovým tlakům, případně potenciálnímu diktátu dodavatelů.
 
Velice důkladně jsou metody a způsoby implementace IOA rozpracované například pro oblast bezpilotních letadel (USA) a elektronické výábavy vozidel (Spojené království). Klíčem k dosažení žádoucího stavu v IOA v příslušném systému je řízení a kontrola dat. Nástrojem k tomu jsou datové modely systému (nebo 'systému systémů'). Definování architektury na základě dat systému vyvolává potřebu otevřeného standardu datově orientovaného middleware (na middleware pohlížíme jako na cíleně volené obslužné aplikace). Základním produktem je slovník systémových dat 'systému systémů' vypracovaný na základě dat jednotlivých dílčích systémů (podsystémů), který umožní uskutečňovat mezi nimi komunikace (výměnu dat). Obecný přístup k sestavení slovníku systémových dat (SDD - System Data Dictionary) zahrnuje nejen jazyk pro komunikace mezi podsystémy a aplikacemi, ale také sémantický význam dat. Takže se z toho hlediska rozeznávají tři úrovně interoperability:
  • Technická interoperabilita - na úrovni bitů a bajtů dat s jednoznačnou výměnou dat pomocí standardizovaných komunikačních protokolů.
  • Syntaktická interoperabilita - v rámci ní se definuje společný formát dat umožňující jednoznačné sdílení informací.
  • Sémantická interoperabilita - informace nesoucí obsahový význam dat se vyměňují na základě společného modelu informací tak, že je zaručeno jednoznačné definování a sdílení významu informací.
 
První dva druhy interoperability jsou běžné a poměrně dobře známé, zatímco třetí -sémantická interoperabilita, ač důležitá, není v současné době běžnou praxí. Z toho pak vyplývají mnohé praktické problémy.
 
Výběr middleware IOA
 
Komunikační middleware pro IOA představuje počítačové programové vybavení, které umožňuje dvěma různým softwarovým komponentám, procesům nebo aplikacím, vzájemnou výměnu informací (ať již v rámci jednoho hardwarového prvku, nebo mezi několika prvky). Jde o specifický druh middleware - vrstvu, která leží mezi operačním systémem (např. Windows, MAC OS, Linuxem, nebo např. operačním systémem reálného času QNX) a různými uživatelskými, případně i systémovými aplikacemi a umožňuje potřebné komunikace mezi softwarovými komponentami (viz obrázek níže).
 
 
 
Komunikační middleware může být přímo zabudován, nebo doplněn do jedné či více aplikací. Někdy se mu také přezdívá "potrubí", protože propojuje dvě nebo více aplikací, tj. umožňuje, aby přes ně procházela data. Zjednodušuje návrh, programování a řízení softwarových aplikací tím, že zefektivňuje způsob, jakým aplikace přijímají a zpracovávají data. Komunikační middleware se používá se širokou varietou softwarových systémů v nejrůznějších počítačových prosředcích - od mobilních zařízení (personálních digitálních asistentů, chytrých mobilních telefonů s Androidem, iPadů, počítačových tabletů apod.) až po velké podnikové systémy, včetně databázových. Zařízení v informačních systémech se mohou lišit obrazovkami, možnostmi vizuálního zobrazování, informační propustností i výpočetním výkonem. Komunikační middleware umožňuje komunikace i mezi takovými odlišnými zařízeními a jejich softwarem. Může rozumět a podporovat řadu programovacích jazyků (např. "C", "C++", Java, PHP aj.). Jako příklad je možné uvést výměnu informací mezi chytrým mobilním telefonem a PC. I když funkčně mají obě zařízení značně odlišné možnosti, pomocí komunikačního middleware jsou schopny se vzájemně "domlouvat" a "spolupracovat". To platí i pro zařízení, která sice mají podobné možnosti, ale pracují s odlišnými operačními systémy (např. spolupráci Mac Apple s PC, speciálního vyhodnocovacího softwaru třeba s textovým editorem apod.).
 
Řešitelé vojenských elektronických systémů jsou při tvorbě rozsáhlejších soustav zainteresováni na integraci původních nezávislých aplikací s novými vyvinutými prvky a technologiemi. Integrační proces zahrnuje "zděděné" aplikace, včetně starších a třeba i zastaralých, avšak osvědčených softwarových produktů. Mnohé z nich mohou používat pouze svá vlastní nestandardní rozhraní a jejich modifikace je příliš nákladná, nebo jinak nepřijatelná. Takový problém se může vyskytnout když je nutné aktualizovat softwarové produkty, nebo když je jedna organizace předává druhé a jejich odlišné systémy mají pracovat společně. Právě tyto problémy je možné řešit na bázi komunikačního middleware, jehož základem je služba distribuce dat (DDS - Data Distribution Service).


Názorný příklad přínosů řešení systémů na bázi IOA

Jako příklad vezměmě třeba elektronické podsystémy kolového obrněného transportéru. Když obrněný transportér opouští výrobní linku je zprojektován a vyroben tak, aby všechny významné komponenty zajišťovaly možnost vzájemné interakce a mohly pracovat společně (viz obrázek níže).
 
 
Modernizuje-li se však vybavení obrněného transportéru a doplňují-li se do něj nové elektronické komponenty dalších výrobců nebo dodavatelů, bývá zpravidla obtížné zajistit, aby se původní a nové komponenty mohly navzájem "domluvit". Zadavatel, nebo koncový uživatel, bývá omezen tím, co je systémový integrátor schopen při modernizaci zajistit, protože on je jediný, který ví, jak mohou být podsystémy integrovány (viz obrázek níže).
 
 
Použije-li se řešení s využitím middleware, který bude řídit a kontrolovat činnost celého systému a jeho jednotlivých podsystémů, vytvoří se předpoklady pro implementaci IOA, která umožní kterémukoli systémovému integrátorovi propojit potřebný počet a druhy podsystémů, a to i tehdy, když jsou vyvinuty různými stranami (viz obrázek níže).
 

 
 
Možné úspory v plánovaných nákladech při implementaci IOA
 
Vezmou-li se v úvahu všechny důležité organizační, technické a další faktory rozvoje moderních vojenských elektronických systémů, představuje orientace na IOA mimořádně významný posun ve strategii pořizování 'systémů systémů' vojenskými orgány. Mění se nejen nákladovost při zajišťování interoperability v rámci otevřené architektury systémů, ale i položky jejího strukturního členění. To názorně ukazuje níže uvedený obrázek s vyjádřením položek zahrnutých ve výdajích na pořízení příslušného systému pro armádu.
 




 
 
Vlevo na obrázku se uvádějí položky, které odpovídají oblastem (činnostem) zabezpečovaným vojenskými orgány (MO), průmyslem představovaným systémovým integrátorem (SI) a ty, o které se dělí obě dané strany. Šířka (průměr) kužele v příslušných úrovních symbolicky znázorňuje podíl dané oblasti v rámci celkových nákladů na systém. Obrázek znázorňuje možnost dosažení úspor při zajišťování interoperability v případě významného zapojení vojenských orgánů MO do tvorby architektury nově vznikajícího systému.
 
Co má pro IOA zvláštní význam
 
Závěrem zdůrazněme pro IOA význam (především ekonomický) integrovatelnosti nových podsystémů, prvků a funkčních schopností do existujících (dříve pořízených) systémů, což se v současné epoše extrémního omezování vojenských rozpočtů i těch nejvyspělejších států, stává faktorem zásadní důležitosti.
 
Rozhodující roli zde hraje správný přístup k definování integrační strategie ze strany vojenských orgánů, který musí zajistit, aby strategie respektovala:
 
  • Dodržení zásady modularizace podsystémů a komponent.
  • Co nejjednodušší modernizaci a nahrazování podsystémů a prvků v celém průběhu technického života systému.
  • Možnost efektivního provádění inovací v podsystémech a komponentách.
  • Technicky a softwarově racionální způsob zabudování nových inovativních podsystémů a prvků.
  • Zabránění nutnosti nesystémového a nestandardního propojování jakýchkoli podsystémů.
  • Možnost zdůvodněného včlenění a integrace dřívějších  ("zděděných") podsystémů a prvků, které svým provedením neodpovídají nové otevřené architektuře. 
 
 óóóóóóó