hledat:

6  Sledování a optimalizace výkonnostních charakteristik

6.1  Monitorování výkonnostních charakteristik v síti CESNET2

Monitorování výkonnostních charakteristik sítě CESNET je přístupné na adrese https://perfmon.cesnet.cz/. V roce 2010 jsme opět zajistili provoz tohoto serveru. K dříve instalovaným monitorovacím aplikacím přibyly v roce 2010 dvě nové aplikace.

První z nich je Speedtest pro měření upload a download propustnosti mezi koncovým počítačem uživatele a serverem v uzlu Praha. Oproti obdobným aplikacím dostupným na různých serverech v Internetu je měřicí server v síti CESNET připojen rozhraním o kapacitě 10 Gb/s a měřicí aplikace byla nastavena tak, aby pracovala na gigabitových rychlostech. Propustnost je výkonem serveru omezena přibližně na 8 Gb/s. Měření je k dispozici pro protokoly IPv4 i IPv6. Aplikace je veřejně přístupná i na samostatných adresách speedtest.cesnet.cz, resp. speedtest6.cesnet.cz. Grafické rozhraní má stupnici s rozsahem do 1 Gb/s, aby dobře znázornilo hodnoty pro většinu uživatelů. Hodnoty přesahující 1 Gb/s jsou indikovány pouze numericky. Uživatelské rozhraní aplikace Speedtest je znázorněno na obrázku 6.1.

Druhou aplikací zprovozněnou v roce 2010 je Looking Glass. Zpřístupňuje v jednoduchém uživatelském rozhraní výstupy vybraných informačních příkazů na směrovačích v síti CESNET2. Jde například o záznamy ze směrovacích tabulek, stavy rozhraní směrovačů nebo sousední uzly směrovacího protokolu BGB (peering). Tato aplikace je pro svou specializovanou povahu zatím přístupná pouze autentizovaným spolupracovníkům sdružení CESNET. Vytvoření verze pro veřejnost zvážíme po zkušebním provozu. Uživatelské rozhraní aplikace Looking Glass vidíte na obrázku 6.2.

6.2  Služby přesného času

Měření některých výkonnostních charakteristik vyžaduje přesnou synchronizaci času na monitorovacích stanicích, například jednosměrného zpoždění. Z toho důvodu jsme již v předchozím období vyvinuli a instalovali přesné NTP servery. Zkušenosti získané při vývoji hardware pro přesné zpracování časových značek jsme v dalším období dále rozvinuli a zúročili i pro vývoj služeb přenosu přesného času po síti. Tyto služby jsou užitečné pro kalibraci zdrojů přesného času na různých pracovištích prostřednictvím pokročilé optické sítě jako je síť CESNET2.

6.2.1  Časové servery NTP a TSA

V hlavním uzlu sítě CESNET2 v Praze 6 dlouhodobě provozujeme čtyři NTP servery a dva TSA servery. Dosud však nebyl žádný časový server v provozu v záložním uzlu v Kongresovém centru Praha (KCP). Hlavním důvodem bylo, že v KCP nelze umístit GPS přijímač za technicky a ekonomicky přijatelných podmínek. V polovině roku 2010 jsme získali možnost odebírat sekundový signál 1 PPS z přijímače provozovaného správcem sálu. Následně jsme postavili další NTP server a TSA server. Jejich konstrukce je shodná ostatními NTP a TSA servery, včetně využití modulu OCX oscilátoru.

Pro zvýšení důvěryhodnosti našich NTP serverů jsme se rozhodli doplnit do systému autentizaci pomocí metody veřejného klíče. Naše NTP servery v současné době mají instalovánu stabilní distribuční verzi ntpd-4.2.6. Při konfiguraci jsme zjistili, že se bohužel stále jedná o část kódu, která je předmětem vývoje a výrazně se mění do té míry, že není zachována plná kompatibilita mezi jednotlivými verzemi. Do budoucna budeme muset pečlivě kontrolovat případné další změny v nových verzích a testovat kompatibilitu.

6.2.2  Přenos času a frekvence v optické síti

Přenos přesné časové informace a frekvence mezi dvěma místy je jednou ze základních úloh metrologie času a frekvence. Naším cílem bylo navrhnout metodu, která by byla srovnatelná s metodou GPS Common View, kdy je z obou míst sledován signál téhož satelitu.

V průběhu předchozího roku jsme navrhli a vyrobili adaptéry pro přenos času na bázi vývojové desky AVNET s FPGA typu Virtex-5. V roce 2010 jsme uskutečnili několik experimentů s cílem ověřit naši metodu a vyhodnotit dosažitelné parametry při využití infrastruktury sítě CESNET2 pro přenos času. Při experimentech jsme měli k dispozici obousměrný kanál DWDM v produkční síti, kdy na témže vlákně byl přenášen i další datový provoz.

Nejdůležitější experimenty:

Měření vlastností optické smyčky:

Cílem experimentu bylo změřit zpoždění a jeho kolísání na co nejdelší optické trase. Pro tento účel byla sestavena 744 km dlouhá optická trasa Praha–Brno–Olomouc–Hradec Králové–Praha. Její oba konce byly přivedeny do naší laboratoře. Každou sekundu jsme změřili transportní zpoždění v obou směrech, viz obrázek 6.3. Denní kolísání je způsobeno změnou délky vlákna v závislosti na teplotě, podstatné ale je, do jaké míry se tyto změny projevují symetricky v obou směrech. Podle grafu 6.4 je tento rozdíl v intervalu o šířce cca 2 ns. Tato hodnota udává odhad dosažitelné přesnosti přenosu času na dané optické trase.

Obrázek 6.1. Zpoždění v optické smyčce

Obrázek 6.2. Nesymetrie zpoždění v optické smyčce

Přenos času mezi Prahou a Vídní:

Při tomto experimentu jsme ověřili praktické využití našeho systému pro porovnání časových stupnic atomových hodin umístěných v Praze a ve Vídni. Délka optické trasy byla 504 km a využili jsme přitom i linku CzechLight mezi Brnem a Vídní, která je ukončena u partnerské organizace ACOnet. Ve Vídni zatím není k dispozici optická linka z ACOnetu do rakouské národní laboratoře času a frekvence v BEV (Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen).

Porovnání optického přenosu s metodami na základě GPS:

Účelem experimentu bylo ověřit přesnost a stabilitu optického přenosu času. Dočasně jsme umístili v prostorách Západočeské univerzity v Plzni rubidiové hodiny a sytém GTR50, což je komerční aparatura pro porovnání časových stupnic. Měření bylo prováděno vůči Národní laboratoři času a frekvence v Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR v Praze. Graf 6.5 udává porovnání optického přenosu s kódovým i fázovým měřením s metodou Common view v průběhu sledování jedné družice (cca 4 hodiny), graf 6.6 zobrazuje rozdíl mezi optickým přenosem a průměrnými hodnotami měření pomocí GPS (metoda zpracování CGGTTS) v průběhu 10 dnů.

Provedené experimenty dokazují, že naše metoda optického přenosu času a frekvence je funkční a neovlivňuje jiné kanály v DWDM linkách. Přesnost metody je srovnatelná s přenosem pomocí GPS. V první polovině roku 2011, po plánovaném získání optické linky z ACOnetu do rakouské národní laboratoře času a frekvence ve Vídni (cca 3 km) máme v úmyslu zahájit dlouhodobé měření mezi českou a rakouskou národní laboratoří. V příštím roce plánujeme rozšířit spolupráci na další národní laboratoře času a frekvence a podat návrh mezinárodního projektu.

6.3  Platforma pro monitorování linek 40 Gb/s

CESNET instaloval první krátké spojení směrovačů o rychlosti 40 Gb/s. Předpokládáme, že v budoucnu budou páteřní linky sítě postupně posilovány na rychlosti vyšší než 10 Gb/s. Realizace těchto linek se neobejde bez kvalitního testování bitové chybovosti (BER – Bit Error Rate). Pro experimentální práci s optickými přenosy na dlouhé vzdálenosti (například výběr varianty kompenzace nežádoucích optických jevů) je užitečné mít k dispozici měřicí nástroj pracující s optickými transceivery s různými modulacemi a od různých výrobců. BER testery s výměnnými transceivery nejsou dosud běžně komerčně dostupné.

Z těchto důvodů jsme již v předchozím období vytvořili funkční vzorek platformy pro experimenty s optickými transceivery pro rychlosti 40 a 43 Gb/s s možností měření BER. V roce 2010 jsme platformu upravili tak, aby pracovala i s transceivery s modulací typu ODB. Bylo třeba vytvořit nový firmware a obslužný program pro embedded shell s podporou transceiveru ODB. Tato modulace se jeví jako jedna z perspektivních pro přenosy na velké vzdálenosti. Funkční vzorek kromě měření BER pomocí PRBS sekvence (Pseudorandom Binary Sequence) poskytuje i detailní statistiky pro jednotlivé kanály rozhraní transceiveru SFI-5.

Modifikovaná platforma umožňuje provádět testy s transceivery typu NRZ a ODB. Je ji možné dále upravit pro použití s dalšími pokročilými modulacemi typu DPSK nebo DP-QPSK.

Firmware standardně obsahuje BERT (Bit Error Rate Tester), pracující na rychlostech 40 Gb/s nebo 43 Gb/s. Výběr rychlosti závisí na připojeném optickém transceiveru a použité optické modulaci. Funkci zařízení jsme ověřili ve spolupráci s aktivitou Optické sítě. Firmware může pracovat současně jako generátor i verifikátor bitové sekvence PRBS (Pseudorandom Binary Sequence) pro rychlosti 40 Gb/s a 43 Gb/s v následujících režimech měření bitové chybovosti:

• Elektrický loopback v FPGA – ověření funkčnosti základních komponent firmware platformy.
• Elektrický loopback v transceiveru – ověření funkčnosti základních komponent platformy a transceiveru, takto je obousměrně ověřena elektrická cesta mezi platformou a transceiverem.
• Jednosměrný elektrický test transceiver/platforma – některé transceivery jsou vybaveny PRBS generátorem, jehož výstup umí platforma ověřit.
• Jednosměrný elektrický test platforma/transceiver – postup obrácený oproti předchozímu případu, některé transceivery jsou vybaveny PRBS kontrolou a umožňují ověřit PRBS sekvence generované platformou.
• Optický loopback – zde se provádí vlastní měření chybovosti optické trasy zapojené na výstup a vstup optického transceiveru.
• Optické propojení s dalším zařízením – je možné propojit dvě zařízení a testovat vzájemnou chybovost.

Široké spektrum režimů měření chybovosti zjednodušuje detekci a nalezení problémů na optické trase, v optickém transceiveru nebo ve firmware FPGA.

Blokové schéma nového firmware platformy je znázorněno na obrázku 6.7. Signál o bitové rychlosti 43 Gb/s generovaný platformou je zachycen na optickém osciloskopu, viz obrázek 6.8.

Vlastní měření bitové chybovosti je možné spustit trvale nebo s pevně stanovenou dobou. Na obrázku 6.9 je znázorněn výstup měření běžícího v krátké smyčce 1 den a 16 hodin. Během této doby bylo přeneseno 6277 Terabitů dat a nebyla detekována žádná chyba, tedy celková chybovost byla menší než 10^–15. Zároveň jsou zobrazeny i chybovosti jednotlivých vysokorychlostních kanálu rozhraní SFI-5 optického transceiveru. Tímto způsobem je možné detekovat problém v propojovacím kabelu nebo na plošném spoji.

Funkční vzorek platformy je umístěn v uzavřené skříni výšky 2U. Aktuální verze firmware vyžaduje přibližně 18 % slices obvodu FPGA. Nově jsme platformu testovali s 40 Gb/s měřícím zařízením firmy EXFO a při měření platforma vykázala chybovost menší než 10^–16. Tím se potvrdilo původní měření v samostatné optické smyčce.

V dalším období plánujeme zařízení rozvíjet podle dohody s optickou skupinou. Zaměříme se na další druhy optických transceiverů a optických modulací a implementaci dalších modulů pro zpracování provozu. To umožní provádět experimenty s přenosy různými modulacemi po vysokorychlostních optických trasách na dlouhé vzdálenosti.

6.4  Specializované přenosy obrazu

Přenosy obrazu jsou jednou z očekávaných klíčových aplikací Internetu pokud jde o objem přenesených dat. Přenosy s vysokým rozlišením obrazu a s nízkou latencí umožní vzdálenou spolupráci týmů a tím zvýšení produktivity práce nebo nové možnosti ve výzkumu a výuce. Nejnižší latence lze dosáhnout u nekomprimovaných přenosů, kde data neprochází kompresí a dekompresí. Takové přenosy vyžadují zpracování velkého objemu dat v reálném čase. Toho je zpravidla možné dosáhnout použitím hardwarové podpory.

6.4.1  Platforma MVTP pro vícekanálové přenosy s nízkou latencí

Námi vyvinutá platforma pro pasivní monitorování sítě MTPP (Modular Traffic Processing Platform) je založena na proudovém zpracování dat a používá takovou konstrukci hardware, že je možné ji rozšířit i pro jiné typy aplikací. V loňském roce jsme vytvořili první funkční vzorek platformy MVTP (Modular Video Transfer Platform) pro přenos 4 kanálů typu HD-SDI sítí Internet. V letošním roce jsme vyvinuli novou verzi funkčního vzorku, který se vyznačuje následujícími novými vlastnostmi:

• Přenos 8 kanálů typu HD-SDI, což umožňuje přenos signálu až formátu 4K RGB (bez barevného subsamplingu) nebo až dvou signálů formátu 4K 4:2:2 (s barevným subsamplingem) například pro stereoskopické zobrazení.
• Plně duplexní přenos, každé zařízení může současně vysílat i přijímat, lze ho tak použít například pro aplikace typu teleprezence.
• Zabudovaný laditelný oscilátor pro řízení rychlosti kanálů HD-SDI přijímače pro trvalý přenos asynchronní paketovou sítí.
• Přenos zvuku ve vybraných kanálech HD-SDI.
• Zcela nové elektro-mechanické provedení s výrazně vyšší robustností.

Vnější podoba současného funkčního vzorku je znázorněna na obrázku 6.10. V následujícím období plánujeme převedení funkčního vzorku do podoby prototypu připraveného k výrobě a jeho uvedení na trh. CESNET se bude na této práci podílet spolu se dvěma dalšími partnery v rámci projektu POVROS s podporou Technologické agentury ČR.

6.4.2  Aplikační nasazení v medicínském vzdělávání

V roce 2010 jsme úspěšně nasadili platformu MVTP pro reálné aplikace v medicínském vzdělávání ve spolupráci s aktivitou Podpora aplikací. Navázali jsme velmi dobrou spolupráci s týmem odborníků v Masarykově nemocnici v Ústí nad Labem. Využili jsme 3D HD signál z operačního systému da Vinci pro vzdálenou prezentaci studentům a lékařům. Po testu přenosu z Ústí nad Labem do CESNETu v Praze jsme realizovali přenos pro odborníky na 5. mezinárodním kongresu miniinvazivní a robotické chirurgie v Brně. Přenos byl realizován nekomprimovaně platformou MVTP s mimořádně nízkým zpožděním méně než 3 ms. Diváci z řad lékařů a studentů ocenili také komentář operace primářem MUDr. Janem Šramlem a možnost dotazů prostřednictvím paralelní HD videokonference.

Ke konci roku jsme provedli další vzdálený přenos z operačního robota, tentokrát na vzdálenost přes 17 000 km do výzkumného centra KEK v japonské Tsukubě. Cílem přenosu bylo ověření možnosti nasazení přenosové technologie v rámci globálního Internetu. V rámci evropské sítě GÉANT jsme požádali organizaci DANTE o zřízení služby Premium IP, tedy prioritní směrování paketů mezi požadovanými IP adresami do kapacity 2 Gb/s. Rezervace větší kapacity nebyla možná. Proto bylo třeba na vysílací straně nasadit dva synchronizované převodníky pro změnu obrazového formátu z 1080i/29.97 používaného operačním robotem na formát 720p/25, který vyžaduje kapacitu 1,95 Gb/s. V průběhu přenosu se ukázalo, že kvalita obrazu byla nejvíce citlivá na stav silně zatížené linky GÉANT–MAN LAN (New York), kde nebylo možné získat prioritní přenos. Kvalita byla přesto diváky hodnocena jako výborná a plně vyhovující pro vzdálené použití ve vzdělávání. Další informace o obou přenosech jsou uvedeny v kapitole Podpora aplikací.

6.4.3  Aplikační nasazení v post-produkci multimediálních dat

Vzhledem ke schopnosti platformy MVTP přenášet na libovolnou vzdálenost více synchronizovaných obrazových signálů ve vysokém rozlišení, a to s velmi nízkou latencí, jsme demonstrovali v prosinci roku 2010 nasazení platformy i v oblasti vzdálené spolupráce v post-produkci multimediálních dat na workshopu CineGrid 2010. Demonstraci jsme provedli ve spolupráci s aktivitou Multimediální přenosy a kolaborativní prostředí.

Platforma MVTP přenáší duplexně až 8 kanálů standardu HD-SDI, které mohou obsahovat různé obrazové formáty a vnořený zvuk a mohou být použity v různých kombinacích. Jedním krajním případem je použití všech 8 kanálů společně pro přenos jednoho signálu s rozlišením 4K (4096×2160) RGB, tedy s plným údajem o barvě pro každý kanál bez subsamplingu. Druhým krajním případem je možnost použít každý kanál samostatně pro 8 různých signálů. Mez těmito extrémy je např. možnost použít dvojice kanálů pro přenos signálů 3D s rozlišením 2K (2048×1080) nebo HD (1920×1080). Tato možnost byla využita v demonstraci pro CineGrid 2010. Byly použity 3 kusy platformy. První na vysílací straně ve společnosti UPP. Další dva na přijímací straně ve vzdálenosti přes 10 000 km na univerzitě v San Diegu, z toho jeden pro 3D projekci a druhý pro projekci jednoho kanálu na hlavním plátně sálu. Datový tok přesahoval 2,5 Gb/s. Schéma demonstrace je znázorněno na obrázku 6.11. Situace na přijímací straně je prezentována na obrázcích v kapitole Multimediální přenosy a kolaborativní prostředí.

6.4.4  Linux pro pole FPGA

K ovládání platformy MTPP pro pasivní monitorování jsme již dříve vyvinuli speciální distribuci embedded Linuxu pro procesor PowerPC 405 obsažený v některých čipech FPGA. Pro novou verzi platformy MTPP a pro platformu MVTP pro specializované obrazové přenosy jsme přešli na modernější typy FPGA řady Virtex 5 LXT. Tyto čipy ale neobsahují procesor PowerPC. Bylo potřeba vytvořit novou embedded distribuci Linuxu pro 32-bitový procesor Microblaze realizovaný jako soft-core přímo v poli FPGA. Bylo také nutné vytvořit nové funkční jádro a zajistit překlad všech pomocných nástrojů pro tento procesor.

Základní parametry nové embedded distribuce Linuxu:

• Kompatibilita s procesorem Microblaze ve verzi s MMU (existuje také verze bez MMU).
• Konfigurace Microblaze: 4kB datové a 4kB instrukční cache, takt 125 MHz.
• Jádro verze 2.6.34.
• BusyBox 1.11.2 – základní sada nástrojů obsahující interpret příkazů kompatibilní s bash.

Pro přístup k embedded Linuxu je možné použít standardní sériové rozhraní RS232 nebo protokol SSH přes rozhraní 10/100 Ethernet. K dispozici je interpret příkazů s několika nástroji pro ovládání obou platforem. Nově přibyl nástroj ipstack umožňující konfiguraci a testování rozhraní 10 Gb Ethernet realizovaného v FPGA a používaného zejména v platformě MVTP.

Na obrázku 6.12 vidíte výstup z konfiguračního nástroje pro platformu MVTP. Přehledně je zobrazena bitová rychlost vysílaná do sítě 10 Gb/s, detekované rozlišení na vstupech HD-SDI, rychlost přijímaná ze sítě 10 Gb/s, rozlišení posílané na výstupy HD-SDI, informace o regulaci zaplnění vnitřní paměti FIFO a výstupní rychlost digitálních HD-SDI dat.

předchozí

obsah

následující