hledat:

6   Sledování a optimalizace výkonnostních charakteristik

6.1   Platforma pro monitorování a zpracování síťového provozu rychlostí 40 Gb/s

Lze očekávat, že zvyšující se požadavky na přenosovou kapacitu sítě přinesou potřebu povýšení linek vysokorychlostních sítí s přenosovou rychlostí 10 Gb/s na 40 Gb/s. Sdružení CESNET již provozuje jednu linku s kapacitou 40 Gb/s propojující aktivní prvky na sále v sídle sdružení. Širší nasazení takových linek přinese požadavky na jejich monitorování.

Vyvinuli jsme proto programovatelnou platformu MTPP40 (Modular Traffic Processing Platform) pro monitorování a zpracování síťového provozu rychlostí 40 Gb/s. Platforma může pakety analyzovat za účelem monitorování, ale také generovat nebo modifikovat, např. za účelem zpracování video přenosů.

Platforma využívá kombinace komerčně dostupného hardwaru (FPGA deska) a našeho vlastního hardwaru (propojovací deska k optickému transceiveru a stabilizovaný oscilátor s programovatelnou děličkou a násobičkou). Vytvoření platformy vyžadovalo vyřešit celou řadu provázaných problémů v oblasti hardwaru, firmwaru a softwaru.

Vytvořili jsme firmware pro BERT (Bit Error Rate Tester), pracující plnou rychlostí 40 Gb/s. Již touto funkcí platforma nahradí komerční testery za několikanásobně vyšší cenu. Platforma navíc umožňuje vyměňovat optické transceivery, což není u komerčních zařízení obvyklé. Ověřili jsme funkci ve spolupráci s aktivitou Optické sítě. Firmware může pracovat současně jako generátor i verifikátor bitové sekvence 40 Gb/s PRBS (Pseudo-Random Binary Sequence) nebo pouze jako generátor nebo verifikátor, s druhou stranou tvořenou jiným zařízením. Obě varianty byly ověřeny. V druhém případě byla jako druhá strana použit PRBS generátor/verifikátor v 40 Gb/s transceiveru Opnext. Platforma pracuje rovněž s transceivery pro rychlost 43 Gb/s (OTN3 s podporou FEC). Tuto variantu jsme ověřili rovněž s transceiverem Opnext. Zásadní výhodou oproti komerčně dostupným zařízením je možnost programování vlastních funkcí pro monitorování a zpracování provozu.

Blokové schéma platformy je znázorněno na obrázku 6.1, vnější podoba je zachycena na obrázku 6.2 a signál o rychlosti 40 Gb/s generovaný v obvodu FPGA zachycený na optickém osciloskopu je vidět na obrázku 6.3.

Postavili jsme dva kusy platformy. První je ve stavu funkčního vzorku v otevřené skříni v laboratoři. Druhý je již ve stavu prototypu v uzavřené skříni výšky 2U. Je přenositelný a dobře replikovatelný. Tento prototyp byl předveden ve funkčním stavu na výstavě spojené s evropskou konferencí FPL 2009 v Praze.

Aktuální verze firmwaru platformy vyžaduje 8840 z celkového počtu 51 840 jednotek (slice) obvodu FPGA, t.j. asi 17 %. Je tedy k dispozici dostatečná zbývající kapacita pro další zpracování dat. V dlouhodobém testu firmwaru pro BERT na rychlosti 40 Gb/s vykazovala platforma vlastní chybovost menší než 10^–16.

V dalším období se chceme zaměřit na rozšíření o možnost dynamické rekonfigurace za chodu zařízení a implementaci modulů pro zpracování provozu.

6.2   Platforma pro přenos obrazu s velmi vysokým rozlišením

Vytvořili jsme platformu MVTP-4k (Modular Video Transfer Platform) pro přenos a zpracování obrazu s velmi vysokým rozlišením (4k×2k) s hardwarovou akcelerací.

Platforma s výhodou využívá již dříve vytvořený firmware pro naši platformu MTPP10-V5 pro monitorování na rychlosti 10 Gb/s, který jsme rozšířili o části potřebné pro zpracování a přenos obrazu. Platforma rovněž využívá stejnou desku rozhraní pro transceiver Xenpak jako monitorovací platforma MTPP10-V5.

Při vývoji jsme si stanovili následující požadavky:

• schopnost přenášet nekomprimovaný tok obrazu o rozlišení 4k×2k nebo více synchronizovaných toků o rozlišení 2k/HD
• schopnost přenosu přes standardní internetovou infrastrukturu zahrnující směrovače a přepínače
• nízká latence pro interaktivní aplikace
• malé rozměry, hmotnost a snadná přenositelnost
• možnost aktualizace firmwaru uživatelem

Platforma využívá kombinace komerčně dostupného hardwaru a našeho vlastního hardwaru (propojovací deska HD-SDI – FPGA a stabilizovaný oscilátor s programovatelnou děličkou a násobičkou). Vytvoření platformy vyžadovalo vyřešit celou řadu provázaných problémů v oblasti hardwaru, firmwaru a softwaru.

Platforma má 8 vstupů HD-SDI (které mohou být použity jako 4×dual HD-SDI) a obdobně 8 výstupů HD-SDI. Dále obsahuje optický konektor pro připojení k síti typu 10 Gigabit Ethernet. Hardware umožňuje použití pro různé režimy: 1–2×4k video, 8×2k video nebo 8×full HD. Platforma je vestavěna do snadno přenositelné skříně výšky 2U malé hloubky. Náklady na hardware jsou srovnatelné se serverem typu PC (bez potřeby grabovacích či video karet), neobsahuje však PC. Uživatelský přístup je zajištěn prostřednictvím embedded Linuxu běžícího uvnitř FPGA. V současné době je k dispozici firmware pro podporu 4 kanálů HD-SDI, umožňující tedy přenos poloviny uvedené kapacity.

Platforma byla úspěšně demonstrována na workshopu CineGrid 2009, který je významnou světovou akcí v oblasti přenosu obrazů s velmi vysokým rozlišením. Technologie umožnila zpracování (color management) nekomprimovaného 4k videa v reálném čase na vzdálenost přes 10 000 km. Obrazový signál byl přenášen ze společnosti Cinepost na Barrandově do University of California v San Diegu. V opačném směru byly prostřednictvím videokonference dávány pokyny ke zpracování obrazu v reálném čase. Přenos probíhal vysokorychlostní sítí GLIF, datový tok přesahoval 5 Gb/s. Jde o příklad využití vysokorychlostní sítě pro zvýšení produktivity při týmovém zpracování dat, v daném případě obrazového záznamu ve filmovém průmyslu.

Demonstrace vyžadovala vyřešení mnoha provázaných technických a logistických problémů a byla pravděpodobně nejsložitější distribuovanou prezentací na celé akci, první prezentací vzdáleného color managementu real-time nekomprimovaného 4k video signálu a byla přijata s mimořádně kladným ohlasem. Na řešení byla podána přihláška užitného vzoru.

Platforma přidává ke zpoždění při přenosu sítí dodatečnou latenci menší než 1 ms. Pro zpracování signálu je použito hradlové pole řady Xilinx Virtex 5 XLT. Blokové schema platformy je znázorněno na obrázku 6.4.

Vnější podoba je zachycena na obrázku 6.5, schéma přenosu sítí GLIF je znázorněno na obrázku 6.6 a záběr z demonstrace přenosu obsahuje obrázek 6.7.

V dalším období se chceme zaměřit na rozšíření o podporu 8 kanálů HD-SDI, podporu vyrovnávací paměti v DRAM na přijímací straně, podporu embedded audia a aplikační nasazení platformy, např. pro přenosy cave-to-cave nebo medicínské přednášky.

6.3   Provoz monitorovacích aplikací v síti CESNET2 a GÉANT3

Uživatelská rozhraní monitorovacích aplikací provozovaných v síti CESNET2 jsou přístupná přes společnou stránku perfmon.cesnet.cz. Přístup vyžaduje autentizaci Centrálním Autentizačním a Autorizačním Systémem (CAAS) sdružení CESNET. Na stejné stránce je odkaz i na uživatelská rozhraní monitorovacích aplikací v síti GÉANT3, jejichž provozu se účastníme. Z aplikací přidaných v nedávném období zmíníme dvě – pro monitorování geografických síťových charakteristik a inteligentní traceroute.

6.3.1   Monitorování geografických síťových charakteristik

Vytvořili jsme aplikaci Geoflow pro monitorování geografických síťových charakteristik. Aplikace zjišťuje a ukládá do databáze zdrojové a cílové země jednotlivých toků přenášených na mezinárodních a peeringových linkách sítě CESNET. Výsledky je možné zobrazit pro vybrané časové období formou různých typů grafů. Příklad vytvořených grafů pro linku z CESNETu do komoditního Internetu (v tomto směru) za jeden měsíc na konci roku 2009 je na obrázku 6.8. Zleva doprava a shora dolů jde o znázornění:

• objemu provozu do 10 nejaktivnějších zemí
• podílu 10 nejaktivnějších zemí na celkovém provozu
• mapy Evropy s barevným vyjádřením podílu provozu
• mapy světa s barevným vyjádřením podílu provozu

Označení „other“ zahrnuje podíl provozu připadající na další (rozpoznané) země kromě 10 nejaktivnějších. Označení „null“ zahrnuje podíl provozu, u kterého se nepodařilo cílové země určit.

Aplikace je užitečná pro detekci anomálních jevů, které mohou být důsledkem síťových útoků a pro plánování případné optimalizace volby mezinárodních linek.

6.3.2   Aplikace „inteligentní traceroute“

Upravili jsme program jtraceroute námi vytvořený v předchozím období, který oproti tradičnímu programu traceroute pro zjištění seznamu směrovačů mezi lokálním a vzdáleným počítačem poskytuje další informace o linkách na síťové trase. Program jtraceroute navíc provede traceroute i ve zpětném směru (pokud na vzdáleném počítači běží stejný program) a pro rozhraní směrovačů, ke kterým má přístup protokolem SNMP, zobrazí vybrané charakteristiky, například aktuální zátěž linky, chybovost nebo instalovanou kapacitu.

Protože koncový počítač obvykle nemá přímý přístup protokolem SNMP ke směrovačům, upravili jsme program jtraceroute následujícím způsobem: Program využívá koncepci systému perfSONAR vyvíjeného v projektu GN3. Předpokládá se, že každá síť, která podporuje provoz inteligentního traceroute, má instalovaný alespoň jeden SNMP MP (Measurement Point), který umožňuje koncovým stanicím požádat o provedení vymezené množiny SNMP dotazů na směrovače. SNMP MP navíc provádí překlad IP adres rozhraní směrovačů získaných ze standardního traceroute na IP adresy pro správu směrovačů, na které je možné posílat SNMP dotazy.

Vytvořili jsme dvě verze SNMP MP. První verze používá přímo protokol SNMP. Zajišťuje autorizaci, ale vyžaduje přímý přístup na směrovače (ze SNMP MP, nikoliv z koncových stanic). Druhá verze nepoužívá protokol SNMP, ale přeposílá dotazy na počítač provozující aplikaci G3 pro SNMP monitoring, který má přístup přes SNMP.

Adresy jednotlivých SNMP MP zjišťuje jtraceroute pomocí vyhledávací služby LS (Lookup Service). Pro část síťové trasy obsluhované jednotlivými SNMP MP zobrazí jtraceroute podrobnější informace. Pro zbývající část potom pouze seznam směrovačů jako u standardního traceroute. Příklad výstupu s informacemi o rozhraních směrovačů je na obrázku 6.9. Jednáme o nasazení SNMP MP ve vybraných evropských sítích národního výzkumu, což by mělo umožnit provádět inteligentní traceroute částí evropské síťové infrastruktury.

6.3.3   Přenos časové informace optickou sítí

Optické sítě, které dnes umožňují přenos dat na vzdálenost stovek kilometrů bez konverze na elektrický signál, představují platformu pro nové, dosud neexistující aplikace. Jednou z nich je přenos času a frekvence s vysokou přesností a stabilitou.

Typické využití těchto aplikací je v metrologii při vzájemném porovnávání hodin a oscilátorů, ale může sloužit i pro distribuci času a frekvence. Běžně používanou metodou s rozlišením přibližně 1 ns pro porovnávání času dvou atomových hodin v lokalitách s geografickou vzdáleností do cca 1500 km je tzv. „common view“, kdy je porovnáván signál z téhož satelitu GPS s časem hodin. Přímý přenos času optickou sítí může být alternativou metody „common view“, výhodu představuje jeho nezávislost.

V prvním pololetí roku 2009 jsme navrhli a vyvinuli prototyp adaptéru (viz obrázek 6.10) k vývojové desce s FPGA typu Virtex-II, na němž jsme si v laboratoři ověřili funkčnost metody při obousměrném přenosu času po optickém vlákně s délkou 2×50 km. Prototyp dosáhl své mezní přesnosti 10 ns, neboť pracovní frekvence obvodu Virtex-II byla 100 MHz. Na základě získaných zkušeností jsme navrhli nový adaptér (viz obrázek 6.11), který je připojen k vývojové desce AVNET s FPGA typu Virtex-5. Hlavní výhodou nového adaptéru je zvýšení hodinové frekvence ze 100 MHz až na 500 MHz, čímž dojde k odpovídajícímu zvýšení rozlišení. V našich adaptérech využíváme transceivery typu SFP, které dovolují široký rozsah nosného kmitočtu a v principu libovolný druh modulace. Vstupem adaptéru je signál PPS (pulse per second), jehož náběžná hrana představuje začátek sekundy. Výstupem je signál PPS a informace o celkovém zpoždění v přenosovém systému. Současná verze adaptérů umožňuje dosáhnout přesnosti přenášené časové informace 3 ns a v budoucích verzích plánujeme dosáhnout přesnosti okolo 1 ns s podporou analogových obvodů pro zpracování vstupního signálu PPS.

V současné době probíhá měření na okruhu Praha–Brno–Praha s celkovou délkou cca 800 km. Adaptéry jsou osazeny DWDM transceivery a tím jsme i ověřili, že nedochází ke kolizi s ostatním provozem na DWDM trasách. Máme připravenou DWDM trasu Praha–Brno–Vídeň a v nejbližší době provedeme měření mezi dvěma rubidiovými hodinami umístěnými v CESNETu a v ACOnetu. Partnerem v tomto testu jsou dále česká a rakouská laboratoř času a frekvence v Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR a v BEV (Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen).

předchozí

obsah

následující