Echtzeit-Kommunikation mit modularer Mikroserver-Technologie

| Autor / Redakteur: Zeljko Loncaric * / Margit Kuther

Edge-Server-Applikationen: COM Express Type 7 Server-on-Modules eignen sich bestens für die Edges in Telekommunikation und Fertigung.
Edge-Server-Applikationen: COM Express Type 7 Server-on-Modules eignen sich bestens für die Edges in Telekommunikation und Fertigung. (Bild: congatec)

Vernetzte Edge-Server-Applikationen erfordern große Bandbreiten. Erfahren Sie, warum Server on Modules nach der Spezifikation COM Express Typ 7 für solche Edge-Mikroserver prädestiniert sind.

Viele der neuen vernetzten Edge-Server-Applikationen erfordern massive Bandbreiten und Echtzeit-Datenkommunikation in einem platzsparenden System-Design und mit dedizierten Schnittstellen zur Feldebene. Server on Modules nach der COM-Express-Typ-7-Spezifikation sind für die Gestaltung solcher Edge-Mikroserver prädestiniert.

Immer mehr Clients unterstützen heute 1 GbE-Konnektivität und öffentliche Infrastrukturen mit Gigabit-Bandbreiten sind ebenfalls – sowohl kabelgebunden als auch drahtlos – global verfügbar. Damit einhergehend entstehen mehr und mehr neue Serverapplikationen, die höchste Bandbreiten bis hin zu mehreren 10-GbE-Kanälen erfordern – also zehn Milliarden Bits pro Sekunde.

Überlastung durch zu viele Teilnehmer

Ein Kernanwendungsbereich für die 10-GbE-Kommunikationen liegt bereits in der Natur der angebundenen Geräte begründet: Öffentliche und private Netzbetreiber müssen eine geeignete Infrastruktur für 1-GbE-fähige-Geräte bereitstellen. Da immer mehr Geräte miteinander verbunden werden, müssen sie Überlastungen durch zu viele Teilnehmer (oversubscriptions) in 1-GbE-geschalteten Netzwerken vorbeugen. Ein 10-GbE-Netzwerk ist hier der nächstliegende logische Schritt, da bestehende Infrastrukturen der CAT 6/7-Klasse weiter verwendet werden können.

Die Konsequenz: 10-GbE-Netze können für Märkte und Anwendungen mit hohen Bandbreitenanforderungen sehr schnell bereitgestellt werden. Doch die drohende Überlastung bestehender Netze ist nur ein Grund, die Netzwerkbandbreite zu erhöhen. Ein weiterer liegt in vielen leistungsstarken Anwendungen mit hohem Performancebedarf. Dazu gehören:

  • Zugriffsknoten am Edge von Broadcast-Infrastrukturen
  • Dienstleister-Rechenzentren für Video- und Audio-Streaming sowie SaaS
  • Lokale Infrastrukturen auf Betreiberniveau für mobile Edge-Geräte
  • Städtische Netzwerke oder größere private Netzwerke
  • Cloud- und Edge-Server auf Unternehmensebene
  • SANs (Storage Attached Networks) zur Speicherung von Big Data
  • Intelligente Switch-Technologien und smarte NAS-Geräte
  • Fog-Server in Industrie-4.0-Anwendungen
  • Edge-Datenknoten für kabellose Smart Sensor Netzwerke
  • Kollaborative Deep-Learning-Computer

Unterschiedliche Echtzeit- anforderungen

Die meisten dieser Anwendungen haben nicht nur hohe Anforderungen an die Bandbreite, sondern auch an die Echtzeit-Kommunikation. So benötigt ein Videostream eine Reaktionszeit, die bereits sehr nah an der von Echtzeit liegt, da er fast sofort starten muss. Um schwankende Bandbreiten an das Endgerät auszugleichen, muss er flexibel transkodiert werden, um Ruckler und Ausfälle zu vermeiden. Für solche Anwendungen akzeptiert der Verbraucher derzeit eine Reaktionszeit von unter einer Sekunde. Auf Echtzeit bezogen nennt man dies auch Near Real-Time.

Aber was ist mit einem Live-Video mit definierter HD-Auflösung für E-Health-Anwendungen? Hier werden bereits deutlich stabilere Echtzeitanforderungen gestellt – eine solche Live-Übertragung darf nicht unterbrochen werden. Die Toleranzgrenzen bei einer Zeitverzögerung liegen schätzungsweise nur zwischen 6 und 20 Millisekunden. Ähnliche Anforderungen treten überall in vernetzten Anwendungen auf – sobald eine Anwendung geklickt wurde, will niemand mehr lange warten.

Betrachten wir nun autonome Fahrzeuge, wie sie etwa in Intralogistik-Anwendungen oder in cybervirtuellen Fabriken eingesetzt werden, wo viele SPSen in harter Echtzeit synchronisiert werden müssen und wo kollaborative Deep-Learning-Roboter Situational Awareness durch Ultraschall- und Video-Streams erlangen müssen, um selbst bei anspruchsvollster Arbeitsumgebung und schnell bewegten Objekten sofort agieren zu können.

Hier sind die Toleranzschwellen für Verzögerungen noch niedriger, da eine Überschreitung zu nicht akzeptablen Systemausfällen oder sogar potenziell gefährlichen Situationen für die menschliche Belegschaft führen kann. Es zeigt sich daher, dass bei vernetzten Anwendungen unterschiedliche Echtzeitanforderungen gelten – und keine dieser mehr oder weniger kritischen Anforderungen darf zeitlich überschritten werden. Deshalb haben Server-Technologien auch immer etwas mit Echtzeitfähigkeiten zu tun.

Das Gleichgewicht zwischen Netzwerk und Servern

Solche Echtzeit-Fähigkeiten kann durch eine Lastverteilung (Load-Balancing) im Kommunikationskanal erreicht werden; ist zudem harte Echtzeit erforderlich, kann dieser Kommunikationskanal auch deterministisch konfiguriert sein. Gleiche Prinzipien gelten für die Anwendungsserver. Sie können durch den Einsatz virtueller Maschinen ausbalanciert werden, um die Ressourcen bedarfsgerecht zuzuteilen. Solche virtuellen Maschinen können auch aus vernetzten Servern oder vernetzten Ressourcen wie NAS- oder SAN-Speichern bestehen; für harte Echtzeit kann all dies auch deterministisch konfiguriert werden.

Mit der Installation eines derart vernetzten Systems lassen sich nicht nur qualitativ hochwertige Echtzeit-Services erreichen. Das gesamte System arbeitet auch ökonomischer, indem es viele Anwendungen auf virtuellen Maschinen betreibt, die auf einem einzigen System installiert sind, anstatt für jede Anwendung jeweils einen eigenen, dedizierten Server zu installieren.

Solche Strategien können sicherstellen, dass das Serverinventar konsolidiert wird und dass keine Rechenleistung verschwendet wird – was letzten Endes Kosten spart.

Deshalb werden mehr und mehr virtualisierte Servertechnologien unter extremeren Umweltbedingungen eingesetzt – von ausfallsicheren Edge-Netzwerkservern auf Dächern bis hin zu verschiedenen industriellen Bereichen wie der Robotik und der Maschinensteuerung.

Man stelle sich nun vor, das virtualisierte System sei eine Industrie-4.0-Maschine, eine Roboterzelle für die Montage von Autos oder auch ein Videoserver für die öffentliche Videoüberwachung mit Objekterkennung in Echtzeit. Vielleicht ist es auch ein System für autonomes Fahren oder robustes Netzwerk-equipment mit Deep Packet Inspection auf Dächern.

Alle diese Systeme haben ähnliche Verarbeitungs- und Umweltanforderungen – etwa den Support von erweiterten Temperaturbereichen und Temperaturschwankungen sowie kleinen Formfaktoren – aber sehr unterschiedliche Anforderungen an das Systemdesign. Um all diese unterschiedlichen Anforderungen erfüllen zu können, ist “ein Server für alle Fälle“-Design vollkommen ungeeignet.

Genau für diese heterogenen Systeme hat die PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) die neue Spezifikation der COM Express Type 7 Server-on-Module ins Leben gerufen. Sie unterstützt Entwickler bei der Design-Herausforderung, zum einen dedizierte, zum anderen preislich attraktive Server-Technologien zu bauen, indem sie kommerzielle Standardkomponenten verwendet.

Herausforderung personalisiertes Design

Server-on-Module sind anwendungsfertige Super-Komponenten, die Entwicklern höchste Design-Effizienz bieten – sie müssen lediglich das anwendungsspezifische Carrierboard entwerfen anstelle eines weitaus aufwändigeren Full-Custom-Boards. Für den Einkauf ergibt sich der Vorteil, dass sich die Stückliste von vielen Komponenten auf ein einziges Modul für den Prozesskern reduziert. Dies ist jedoch nur ein kleiner Teil des Effizienzgewinns.

Viel wichtiger ist die Tatsache, dass man auch erheblich weniger Aufwand betreiben muss, um den Prozessor, RAM und die vielfältigen High-Speed-Schnittstellen einzudesignen. Auch muss man sich nicht um das gesamte Board Support Package mit allen notwendigen Treibern, Bibliotheken und APIs kümmern. Zudem lässt sich die Leistung nicht nur innerhalb einer Prozessorfamilie, sondern über alle relevanten Prozessoren aller Anbieter skalieren. Die Standardisierung der Schnittstellen bietet auch maximale Designsicherheit, sodass langfristig sogar Retrofit-Designs mit identischen Schnittstellen möglich sind.

Server on Module für raue Umgebungen konzipiert

Die ersten COM-Express-Type-7-Module – die es sowohl für industrielle Umgebungen von 0 bis 60 °C als auch für erweiterte Temperaturbereiche von -40 bis 85 °C auf Dächern und öffentlichen Verkehrsmitteln gibt – bieten derzeit zwei 10-GbE-Schnittstellen für die horizontale und vertikale Echtzeitkommunikation. Hinzu kommen bis zu 32 PCIe Lanes zum Anschluss von Peripheriegeräten, die für schnelle Speichermedien, General Purpose Graphics Processing Units (GPGPUs) und alle Arten von Industrial-Ethernet-Schnittstellen verwendet werden können. Die Maße dieser Module sind mit 125 mm x 95 mm minimal, sodass sie sich für das Design sehr kompakter und dennoch extrem leistungsstarker Mikro-Server eignen.

Der erste Prozessor, der auf den neuen Server on Modules zum Einsatz kommt, ist der hochperformante Intel-Prozessor Xeon D (Codename Broadwell) mit bis zu 16 Serverkernen, 32 Threads und bis zu 48-GB-DDR4-ECC-RAM. Anwendungsfelder für die neuen Server-on-Module sind unter anderem Cloud-, Edge- und Fog-Server für industrielle und Carrier-Grade-Netzwerkanwendungen in rauem Umfeld.

Da der Echtzeit-Support für diese Server-Designs entscheidend ist, unterstützen die neuen Server-on-Module einen Software-definierbaren Pin für jede der 10-GbE-Schnittstellen. Dieser physikalische Pin kann als Eingang oder Ausgang konfiguriert werden und wird vom entsprechenden Ethernet-Controller gesteuert.

Zeitkritischer Netzwerk- Support in Echtzeit

Eine typische Anwendung ist die Implementierung des hardwarebasierten IEEE 1588 Timing Protokolls für leistungsstarke Echtzeitanwendungen, um Timing und Synchronisation von dezentralen Echtzeit-Systemen konform zu den 802.1 Standards realisieren. Mögliche Anwendungen beinhalten konvergierte Netzwerke mit Echtzeit-Audio-/Video-Streaming sowie die Echtzeit-Steuerung in Automotive-Applikationen oder industrieller Fertigung.

Durch die Implementierung 802.1-kompatibler zeitkritischer Netzwerke (Time Sensitive Networks) können Entwickler sicherstellen, dass alle Geräte ein gemeinsames Zeitverständnis haben und dass sie die gleichen Regeln verwenden hinsichtlich der Verarbeitung und Weiterleitung von Kommunikationspaketen, bei der Auswahl von Kommunikationspfaden sowie bei der Reservierung von Bandbreiten und Zeitschlitzen – möglicherweise unter Verwendung mehrerer gleichzeitiger Kanäle, um eine fehlertolerante Ausfallsicherung zu erreichen.

Diese letztgenannte Anforderung ist übrigens einer der Hauptgründe, warum COM-Express-Typ-7-Module bis zu viermal 10 GbE nativ unterstützen können, da die horizontale Kommunikation auf Prozessebene mindestens zweimal zwei Kanäle benötigt, um eine redundante kabelsparende Linien- oder Ringarchitektur zu ermöglichen. Die gleiche Nachfrage gilt für Endpoint-Server, die ein Switched-Storage-Netzwerk verwenden oder Big Data oder Deep-Learning-Algorithmen ausführen.

Hypervisor-Implementierung, etwa für die Robotik

Applikationsentwickler, die ihre Serverplattformen virtualisieren möchten, können von applikationsfertigen Lösungspaketen profitieren, mit denen sie ihre Anwendungen schneller zur Marktreife führen können. COM-Express-Typ-7-Module wie das conga-BX7D von congatec in Verbindung mit dem Evaluierungs-Carrierboard conga-X7/EVAL unterstützen etwa den Hypervisor von Real-Time Systems, der sich besonders gut für industrielle Robotik, Steuerungssysteme und Anwendungen in der Medizintechnik eignet.

Ein solches Schnellstarter-Set, das auch Funktionen für Remote-Management und Maintenance beinhaltet, vereinfacht die Evaluierung der neuen Server-on-Module, die konform zum Standard PICMG COM Express Type 7 entwickelt wurden. Entwickler profitieren zudem vom geringeren Validierungsaufwand beim eigenen Carrierboard-Layout, da sie die vorgeschlagenen Best-Practice-Komponenten und PCB-Designschemata für ihre eigenen modularen Mikro-Server der nächsten Generation verwenden können.

Congatec stellt registrierten Schnellstarter-Set-Kunden die Schaltpläne der neuen Carrierboards zur Verfügung. Und bei knappen Zeit und Entwicklungsressourcen können die vom Modulhersteller angebotenen Embedded Design & Manufacturing Services in Anspruch genommen werden.

* Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei congatec

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