Разработка блокчейн-модуля для хранения данных
на малом космическом аппарате
на малом космическом аппарате
Продвинутая система хранения данных для малых космических аппаратов
Наши партнёры
Описание проекта
Проект направлен на создание инновационного решения для безопасного и надежного хранения данных на малом космическом аппарате с использованием блокчейн-технологии и системы RAID. Подобная система полностью исключает возможность утраты полезных научных данных, хранящихся на спутнике.
Проблематика и актуальность проекта
Нынешние системы хранения данных на спутниках уязвимы к аппаратным сбоям, воздействию космической среды и искажению данных, что может привести к потере ценных научных сведений.
Существует два основных типа памяти, используемых для хранения данных на космических аппаратах: радиационно-стойкая память FRAM/MRAM и стандартная коммерческая FLASH-память. Микросхемы FRAM (Ferroelectric RAM) и MRAM (Magnetoresistive RAM) основаны на ферроэлектрических и магнитных материалах соответственно, что обеспечивает их высокую устойчивость к радиационному воздействию. Однако эти типы памяти обладают малым объемом и низкой плотностью ячеек памяти, обычно порядка сотен-тысяч килобит. В то же время, FLASH-память, имеющая больший объем и широко используемая в коммерческих устройствах, уязвима к воздействию высокоэнергетических частиц, которые могут изменять состояние её ячеек, что делает её менее устойчивой к радиации.
В случае, когда необходимо хранить большие объемы информации, защищенная память FRAM/MRAM не подходит ввиду своей малой плотности, поэтому единственно-оправданным в малых космических аппаратах является использование FLASH-памяти. Для повышения её устойчивости к радиации можно применять пассивную защиту с использованием радиационно-стойких материалов. Однако такие материалы имеют высокую стоимость, а более доступные варианты могут значительно ухудшить массо-инерционные характеристики аппарата, что является критическим фактором в условиях проектирования малых космических спутников. В данной работе рассматривается альтернативный подход - использование специальных алгоритмов и дублирования данных для обеспечения устойчивости системы хранения данных в агрессивных условиях космического пространства.
Современные исследования FLASH-памяти показывают, что воздействие радиации порядка 200 грей значительно нарушают функциональность памяти, а дозы, приближающиеся к 1000 грей, вызывают критические неполадки в её работе (Duhoon, Achal & Lee, Jordan & Dennison, J.. (2021). Beta Radiation Damage Thresholds and Failure Rates of Micro-SD Cards., NASA Radiation Tests of Highly Scaled High Density Commercial Nonvolatile Flash Memories).
Существует два основных типа памяти, используемых для хранения данных на космических аппаратах: радиационно-стойкая память FRAM/MRAM и стандартная коммерческая FLASH-память. Микросхемы FRAM (Ferroelectric RAM) и MRAM (Magnetoresistive RAM) основаны на ферроэлектрических и магнитных материалах соответственно, что обеспечивает их высокую устойчивость к радиационному воздействию. Однако эти типы памяти обладают малым объемом и низкой плотностью ячеек памяти, обычно порядка сотен-тысяч килобит. В то же время, FLASH-память, имеющая больший объем и широко используемая в коммерческих устройствах, уязвима к воздействию высокоэнергетических частиц, которые могут изменять состояние её ячеек, что делает её менее устойчивой к радиации.
В случае, когда необходимо хранить большие объемы информации, защищенная память FRAM/MRAM не подходит ввиду своей малой плотности, поэтому единственно-оправданным в малых космических аппаратах является использование FLASH-памяти. Для повышения её устойчивости к радиации можно применять пассивную защиту с использованием радиационно-стойких материалов. Однако такие материалы имеют высокую стоимость, а более доступные варианты могут значительно ухудшить массо-инерционные характеристики аппарата, что является критическим фактором в условиях проектирования малых космических спутников. В данной работе рассматривается альтернативный подход - использование специальных алгоритмов и дублирования данных для обеспечения устойчивости системы хранения данных в агрессивных условиях космического пространства.
Современные исследования FLASH-памяти показывают, что воздействие радиации порядка 200 грей значительно нарушают функциональность памяти, а дозы, приближающиеся к 1000 грей, вызывают критические неполадки в её работе (Duhoon, Achal & Lee, Jordan & Dennison, J.. (2021). Beta Radiation Damage Thresholds and Failure Rates of Micro-SD Cards., NASA Radiation Tests of Highly Scaled High Density Commercial Nonvolatile Flash Memories).
На средних и высоких орбитах спутники получают именно такую дозу радиации, которая потенциально может нарушить работу FLASH-памяти. Например, спутники FY4-A (геостационарная орбита) или BD3-M15 (средняя околоземная орбита) получили следующую дозу радиации ->>
Малые космические аппараты и кубсаты за срок эксплуатации обычно получают дозу радиации порядка 20 Грей, однако это не исключает возможность выхода из строя накопителей SD.
График справа показывает снижение скорости записи на SD-накопители после облучения подобной дозой радиации (Radiation Survivability of Micro-SD Cards in a Simulated Exposure to Prolonged Low Earth Orbit Space Environments).
График справа показывает снижение скорости записи на SD-накопители после облучения подобной дозой радиации (Radiation Survivability of Micro-SD Cards in a Simulated Exposure to Prolonged Low Earth Orbit Space Environments).
Кроме радиации, на накопители могут воздействовать экстремальные температуры и другие опасные факторы космической среды. Их влияние также может снизить срок службы микросхем FLASH-памяти и привести к потере ценных научных данных.
В данной работе в качестве накопителей выбраны SD-карты, так как они обладают высокой емкостью и удобством использования в малых космических аппаратах.
В данной работе в качестве накопителей выбраны SD-карты, так как они обладают высокой емкостью и удобством использования в малых космических аппаратах.
Описание разработанной системы
В рамках данного проекта разработан прототип модуля (системы) хранения данных для малого космического аппарата, использующего технологии блокчейн и RAID для обеспечения целостности и сохранности данных. Модуль был разработан для работы на кубсате формата 3U - компактном спутнике размером 10×10×30 см.
В ходе работы FLASH-накопителя могут возникнуть повреждения памяти в результате попадания высокоэнергетических частиц в ячейки памяти или экстремальных перепадов температур. Дабы сохранить данные, нужно вовремя обнаружить повреждения памяти и восстановить поврежденные данные из хранящейся в системе копии.
Для решения этой задачи разработанный прототип системы использует частный блокчейн. Каждый блок содержит хеш предыдущего блока, временную метку, порядковый номер, размер, данные и собственный хеш. Это позволяет быстро обнаруживать поврежденные или измененные данные. Для хеширования разработана специальная функция turboHash64, обеспечивающая высокую чувствительность к изменениям данных, что позволяет оперативно идентифицировать поврежденные блоки.
Для повышения надежности системы используется технология RAID 01, которая сочетает преимущества RAID 0 (чередование дисков для повышения производительности) и RAID 1 (зеркалирование дисков для надежности). Это обеспечивает высокую скорость чтения и записи данных, а также позволяет восстановить данные в случае отказа одной или нескольких SD-карт.
Прототип системы состоит из трех микроконтроллеров ATmega. Основной микроконтроллер управляет двумя дочерними микроконтроллерами, к которым подключены SD-карты. Мастер-микроконтроллер получает тестовые данные автоматической идентификации судов через радиомодуль (NRF24L01) по протоколу SPI и передает их дочерним микроконтроллерам по UART, которые затем распределяют данные между SD-картами.
Процесс работы системы включает запись данных на SD-карты в формате блоков, где каждый блок содержит хэш предыдущего блока, обеспечивая цепочку неизменяемых записей. При изменении данных в блоке хеш-функция обнаруживает несовпадение хеша, сигнализируя о повреждении данных. Поврежденные данные восстанавливаются из зеркального блока, что обеспечивает непрерывность и целостность хранения данных.
В ходе работы FLASH-накопителя могут возникнуть повреждения памяти в результате попадания высокоэнергетических частиц в ячейки памяти или экстремальных перепадов температур. Дабы сохранить данные, нужно вовремя обнаружить повреждения памяти и восстановить поврежденные данные из хранящейся в системе копии.
Для решения этой задачи разработанный прототип системы использует частный блокчейн. Каждый блок содержит хеш предыдущего блока, временную метку, порядковый номер, размер, данные и собственный хеш. Это позволяет быстро обнаруживать поврежденные или измененные данные. Для хеширования разработана специальная функция turboHash64, обеспечивающая высокую чувствительность к изменениям данных, что позволяет оперативно идентифицировать поврежденные блоки.
Для повышения надежности системы используется технология RAID 01, которая сочетает преимущества RAID 0 (чередование дисков для повышения производительности) и RAID 1 (зеркалирование дисков для надежности). Это обеспечивает высокую скорость чтения и записи данных, а также позволяет восстановить данные в случае отказа одной или нескольких SD-карт.
Прототип системы состоит из трех микроконтроллеров ATmega. Основной микроконтроллер управляет двумя дочерними микроконтроллерами, к которым подключены SD-карты. Мастер-микроконтроллер получает тестовые данные автоматической идентификации судов через радиомодуль (NRF24L01) по протоколу SPI и передает их дочерним микроконтроллерам по UART, которые затем распределяют данные между SD-картами.
Процесс работы системы включает запись данных на SD-карты в формате блоков, где каждый блок содержит хэш предыдущего блока, обеспечивая цепочку неизменяемых записей. При изменении данных в блоке хеш-функция обнаруживает несовпадение хеша, сигнализируя о повреждении данных. Поврежденные данные восстанавливаются из зеркального блока, что обеспечивает непрерывность и целостность хранения данных.
Надежность системы
Средняя наработка на отказ (MTTF) - среднее количество времени до полного отказа системы. Для SD-карты согласно исследованиям, проведенным NASA и ESA, MTTF составляет приблизительно 100 000 часов. Это дает вероятность полного отказа SD-карты в течение 5 лет в условиях космического пространства порядка 35,4%.
Для разработанной в рамках проекта системы эта вероятность составляет приблизительно 3% (были рассмотрены все возможные сценарии отказа функциональных модулей системы). Это значит, что с вероятностью 3% система откажет полностью в течение 5 лет, а частичный отказ системы невозможен - сохранность данных обеспечивается по принципу всё-или-ничего.
Для разработанной в рамках проекта системы эта вероятность составляет приблизительно 3% (были рассмотрены все возможные сценарии отказа функциональных модулей системы). Это значит, что с вероятностью 3% система откажет полностью в течение 5 лет, а частичный отказ системы невозможен - сохранность данных обеспечивается по принципу всё-или-ничего.
Характеристики системы
Почему именно наша система?
Наша система использует сочетание блокчейн-технологий и системы RAID для обеспечения максимальной надежности и безопасности данных. Блокчейн позволяет гарантировать неизменяемость данных, а RAID массив обеспечивает их дублирование и защиту от потерь. Разработанная система имеет значительно более высокую надежность по сравнению с использованием обычных SD-накопителей.
- Высокая надёжностьМы используем четыре SD-накопителя, технологию блокчейн и RAID-01 вместе, что исключает возможность потери информации
- Маленький шанс отказаШанс полного отказа нашей системы за 5 лет работы в космосе составляет всего 3%, а аналогичный шанс полного отказа единичного FLASH-накопителя подобного объема за такой же промежуток времени составляет 35.4%
- Использование на множестве аппаратовВ будущем данная система может использоваться в системе из роя аппаратов, что ещё повысит её эффективность
Гипотезы
Использование блокчейн-технологии обеспечит надёжное хранение данных на космическом аппарате, защищая их от аппаратных сбоев, радиационного воздействия и искажения данных.
Применение RAID-массивов позволит ускорить доступ к данным и повысить общую производительность системы хранения.
Внедрение блокчейн-технологии и RAID-массивов снизит вероятность потери или искажения данных, обеспечивая их целостность и доступность.
Решения и результаты
Новый корпус
Разработан собственный, более надежный и лаконичный корпус для конструктора Орбикрафт-3D. Этот инновационный корпус не только обеспечивает усиленную защиту от механических воздействий, но и оптимизирует внутреннее пространство, создавая идеальные условия для размещения всех необходимых компонентов.
Блокчейн-модуль для хранения данных
Наша система хранения данных включает несколько специализированных носителей памяти, для которых было разработано уникальное программное обеспечение, интегрирующее технологии блокчейна и RAID-01. Это передовое решение позволяет надежно и эффективно хранить данные на малом космическом аппарате, практически исключая возможность их потери и гарантируя их целостность.
Печатная плата
Разработана специализированная печатная плата для интеграции блокчейн-модуля. Плата обеспечивает надежное соединение всех компонентов системы и соответствует высочайшим стандартам инженерного искусства.
Планы на будущее
1. Запуск нашей системы в космос в 2024-2025 годах.
2. Усовершенствование системы хранения данных с использованием более емких и энергоэффективных накопителей.
3. Расширение функциональности модуля с интеграцией других полезных нагрузок и сенсоров.
Фотоотчёт
Наша команда
- Калиниченко БогданИнженер-испытатель
tg:@Spirtovoy_napitok - Сыщиков КонстантинИнженер-конструктор, программист
tg:@aMadeInHeaven - Фурсов ЯрославИнженер
tg:@arch_users - Горшков ЕлисейПрограммист, математик
tg:@Am_o_gus
- Абрамешин ДмитрийРуководитель проекта
tg:@DmitriiAB - Носов ИванПреподаватель
tg:@arxorer - Игнатова МарияСтажёр
tg:@maria_igntv
