11 marzo 2010

Ethernet y sus aplicaciones en tecnología militar y aeronáutica


Un nuevo artículo dedicado a las nuevas tecnologías de Ethernet. En esta ocasión salimos del escenario industrial para describir innovaciones que se utilizan en sectores que requieren las más altas prestaciones, concretamente nos centramos en tecnología militar y aeroespacial.

Nuevas soluciones tecnológicas prometen sistemas de computación para la industria aeroespacial y militar que permite alcanzar nuevos niveles de densidad funcional mientras se reduce el coste y peso del sistema. Hoy en día hay muchas tecnologías de estructuras de conmutación de alto rendimiento entre las que elegir: GbE, SRIO, PCIe. GbE es el standard transportador para el tráfico de datos basado en IP, ya sea en redes intra-plataforma o dentro de subsistemas basados en backplane standard. SRIO es mejor para interconectar cluster de multi-computación densos para aplicaciones DSP. Y en tercer lugar, pero no último, PCIe es de facto standard para aplicaciones de alto flujo de datos de alta banda ancha de core processor-to-peripheral.

Ninguna estructura de conmutación única es la solución óptima para todo el rango de defensa y aplicaciones de computación embebida aeroespacial o de defensa. Como consecuencia de ello, los proporcionadores de soluciones de computación basados en standards, tales como Curtiss-
Wright Controls Embedded Computing, están respondiendo con rangos de productos que permiten una jerarquía de soluciones - utilizando GbE para la red intra-plataforma, y usando SRIO y PCI SRIO y PCIe cooperativamente dentro de backplanes de estructuras conmutadas. De esa forma los integradores de sistemas aeroespaciales y de defensa pueden usar la tecnología de estructura de conmutación más efectiva para cada aspecto de sus sistemas.
Cuando se usan exclusivamente, GbE, SRIO, y PCIe ofrecen méritos técnicos únicos, pero cuando trabajan en combinación permiten manejar poderosas nuevas arquitecturas para sistemas militares embebidos. Dependiendo de la aplicación, el chipset fundamental y el diseño, combinaciones típicas de estas estructuras se enrutarán vía backplanes de alto rendimiento tales como VPX. Ya sea la topología de interconexión distribuida, centralizada, o híbrida, la conmutación multi-estructura permite a los integradores del sistema usar la mejor tecnología que se adapta a los requerimientos de aplicaciones específicas.
Mientras GbE está dirigido a proporcionar conectividad a amplios sistemas acoplados, SRIO, PCI, o ambos en combinación son convenientes para clusters de comunicaciones más densos entre procesadores, periféricos, y blades (tipo de servidor). Conmutados 1/10GbE puede usarse para crear una red Intra-Plataforma (IPN) para transporte eficiente de paquetes IPv4/v6 entre sistemas heterogéneos usando cableado standarizado, o entre blades y procesadores a través de blackplanes standarizados. SRIO trabaja bien en aplicaciones de procesado de señales digitales malladas, y el PCIe es excelente para dirigir el movimiento de datos de alta banda ancha de core processor-to-peripheral.
1/10 GbE Switching para redes de alto rendimiento
Ethernet es la tecnología de redes más penetrante del mundo. Casi todo el tráfico cableado en internet comienza o acaba con una conexión a Ethernet. Esta extensa adopción en el mundo comercial está creando un efecto ondulante que encuentra su camino en el mercado emergente de la infraestructura céntrica de red para aplicaciones de defensa duras.
La implementación de la doctrina Network Centric Warfare (NCW) está impulsando las comunicaciones en el campo de batalla para requerir band-width-hungry secure IP networks. Con requerimientos DoD obligatorios para recursos "network-ready" que pueden trabajar sin problemas en Flobal Information Grid (GIG), switched I-GbE ha emergido como la interconexión box-to-box y blade-to-blade preferida por las redes de plataformas IP de alto ancho de banda.
En el futuro próximo, la progresión natural es moverse a 1/10 GbE multi-velocidad para permitir soluciones de redes de ancho de banda alto escalable que pueda mantenerse con la necesidad creciente de aplicaciones demandadas. Con la necesidad de mover eficientemente datos de audio, video, control y gestión de datos entre recursos de plataformas, 1/10 GbE combinado con IPv4/v6 proporciona una aproximación unificada a movimiento de datos basados en standard.
Buscando conseguir redes más efectivas, los sistemas legacy están siendo actualizdos simplemente añadiendo GbE switch para formar redes de una o dos estrellas dentro de cajas VME64x. Nuevos sistemas equilibrarán VBX backplanes para permitir no sólo interfaces de 1 GbE sino también de 10 GbE enrutadas a través del backplane, facilitando ancho de banda incrementada para redes de alto rendimiento. De forma similar a los sistemas VME64x, los sistemas VPX usarán también arquitecturas de conmutación centralizadas (es decir, tarjeta switch/router VPX o un switch X/PMC para conectar cada blade en la caja sobre GbE, mientras las cajas pueden conectarse en topologías de red centralizadas y distribuidas a través de interfaces ópticas o de cobre.
Aunque hay muchos standards existentes para GbE, algunos de los más populares junto con sus características clave incluyen:

  • 100BaseT (1-Gb/s) se usa típicamente para backplanes de cobre para blade-to-blade o comunicaciones CPU-to-CPU, 1000BaseSX (1 Gb/s) se usan para conexiones ópticas box-to-box, y XAUI para switchblade stacking o backbones de 10 GbE.

  • Cada interface 1-GbE puede auto-negociar entre 10 Mb/s, 100 Mb/s, y 1 Gb/s, o a través de agregación de enlaces pueden alcanzarse tasas multi-gigabit, proporcionando una interconexión altamente escalable.

  • Standards futuros para Ethernet prometen desarrollar a 802.3ap en el backplane (1000BaseKX sobre una lane, 10GBaseKX4 sobre cuatro lanes, y 10GBaseKR sobre una lane).

  • La siguiente generación de chips de conmutación 1/10 GbE están llegando al mercado. Cada puerto puede operar a tasas de 1,2.5,5, y 10 Gb/s.

  • Los chips Optimized 1 y 10 GbE NIC están llegando al mercado y pueden quitar cuellos de botella en red a través de Remote Direct Memory Access (RDMA) and TCP Offload Engines (TOE) (es dedir un chip de 10 GbE RDMA/TOE NIC puede alcanzar 800-MBytes/s con carga mínima en el procesador para grandes transferencias de datos).
Serial RapidIO Gaining Ground
SRIO, es una tecnología de estructura de conmutación serie de alta velocidad que está adquiriendo el papel de mover datos de alto rendimiento en aplicaciones de procesado de señales de multi-procesador tales como radar, sonar, regonocimiento de objetivos automático e inteligencia de señales. SRIO combina numerosas características clave que laa hacen más conveniente que PCI Express o Ethernet para construir grandes sistemas de multiprocesador que dependen de una gran cantidad de comunicaciones inter-procesador.
Las características de SRIO incluyen:

  • Tasas de señales 1,25, 2,5 o 3,125 GB/s para transmisión para par de recepción y transmisión diferencial (denominada lane), y que produce hasta 312.5 Mbytes/s en cada dirección por lane.

  • Un puerto SRIO puede tener uno o cuatro lanes para una tasa de datos potencial máxima de 1,25 GBytes/s por puerto en cada dirección.

  • Codificando 8B/10B y end-to-end packet CRC.

  • Cuatro niveles de prioridad.

  • Características Messaging y doorbell para intercambios de inter-procesador eficientes. Rutas redundantes para aplicaciones de alta-disponibilidad.
La tecnología SRIO tiene muchs características diferenciadoras comparada con los sistemas multi-procesador de edificios, SRIO fue diseñada para comunicaciones peer-to-peer con modelos de dirección y envío de mensajes que soportan transferencias rápidas y eficientes. Serial RapidIO systems pueden consturirse con tipologías arbitrarias, esencial en sistemas DSP con requerimientos de flujo de datos altamente variable.
Entre los cambios más destacables del procesado de señales en la industria militar y aeroespacial destacamos la introducción del VPX module format, que establece las interfaces serie de alta velocidad modernas. Este standard VSO emergente define módulos de tamaño 3U- y 6U compatibles con PCI compacto.
PCI Express: A High-Performance Interface
La última tecnología que describimos en esta breve reseña es una interfacer de alto rendimiento denominada PCI Express.
La interface PCIe es hoy en día común en desktop, laptop, y server PCs. El uso extendido de PCIe en aplicaciones PC de volumen ha ayudado a disminuir los costes de PCIe switches y periféricos PCIe. Algunas de las características clave de esta tecnología son las siguientes:

  • Comunicaciones punto-a-punto. Cada link (conexión punto-a-punto) puede consistir en 1, 2, 4, 8, 16, 0 32 lanes.

  • Cada lane consiste en un par que recibe y otro que transmite señalando 2,5 Gbaud, produciendo un nivel de datos nominal de 250 Mbytes/s en cada dirección por lane, o una tasa de datos agregado de 4 Gbyte/s para un link de 8 lanes típico.

  • Decodificación 8B/10B de cada bye de datos y CRC end-to-end en cada paquete proporciona detección de errores robusta.

  • Protocolo de reconocimiento de paquetea, con retransmisión automática de errores, proporciona transmisión de datos fiables end-to-end sin software adicional.

  • Priorización del flujo de datos.

  • Su capa física incorpora bit scrambling para reducir EMI (eliminando largas secuencias de 1´s o 0´s que crean ondas cuadradas).

  • Su capa de señales eléctricas incorpora pre-énfasis/de-énfasis para optimizar integridad de señaels, permitiendo que los materiales de bajo coste se usen en tarjetas de circuitos impresos y conectores.
Bibliografía: Ethernet, Serial RapidIO, y PCIe Drive New Military Architecture. Milcotsdigest.
Palabras clave: Gigabit Ethernet (GbE), Serial RapdIO (SRIO), y PCI Express (PCIe), switched fabric technollogy, Intra-Platform Network (IPN), automatic target recognition, signal intelligence.