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Tecnología modular de micro-servidor para comunicación en tiempo real

Muchas futuras aplicaciones en red exigen anchos de banda masivos y comunicación de datos en tiempo real en un diseño de servidor edge de factor de forma pequeño y con interfaces dedicadas a los campos. Los módulos servidor COM-Express tipo 7 son las plataformas adecuadas para el diseño de tales micro servidores dedicados para ubicaciones edge.

Con muchos clientes hoy en día que soportan la conectividad de 1GbE y la disponibilidad global de anchos de banda gigabit para estos dispositivos sobre las infraestructuras públicas cableadas e inalámbricas, hay cada vez más aplicaciones nuevas que requieren capacidades de comunicación de ancho de banda máximo con hasta 10 canales GbE múltiples, que implican 10 billones de bits/seg.

Eliminar las relaciones de sobresuscripción

Un área de aplicación central para comunicaciones de 10 GbE radica en la naturaleza de los dispositivos conectados. Los operadores de redes públicas y privadas deben proporcionar una infraestructura adecuada para dispositivos con capacidad de 1 GbE. A medida que más y más dispositivos se conectan, necesitan eliminar las relaciones de sobresuscripción en redes conmutadas de 1 GbE. Por lo tanto, una red de 10 GbE es el siguiente paso lógico, ya que las infraestructuras de clase CAT 6/7 existentes pueden ser reutilizadas. La consecuencia: cada vez se despliegan más redes 10 GbE para varios mercados y aplicaciones exigentes de alto ancho de banda. Pero no es sólo la sobresuscripción requiere más ancho de banda de la red. También hay muchas aplicaciones de alto rendimiento que exigen una mayor velocidad. Las áreas de aplicación incluyen, pero no se limitan a:

  • Acceder a los extremos de las infraestructuras de difusión
  • Infraestructuras locales para el edge móvil
  • Los proveedores de servicios de centro de datos para streaming de video y audio, así como SaaS
  • Redes privadas metropolitanas y mayores
  • Servidores fog en aplicaciones de Industria 4.0
  • Servidores cloud y edge empresa
  • Redes de almacenamiento conectado (SAN) para almacenamiento de Big Data
  • Tecnologías de conmutación inteligentes y dispositivos NAS inteligentes
  • Nodos edge para redes inalámbricas de sensores inteligentes
  • Ordenadores de aprendizaje profundo Colaborativos

Diferentes demandas en tiempo real

La mayoría de estas aplicaciones no sólo tienen demandas masivas de ancho de banda. También hay una cierta demanda en capacidades de comunicación en tiempo real. Una secuencia de vídeo, por ejemplo, requiere casi tiempo real, ya que tiene que comenzar casi de inmediato. Para superar los anchos de banda fluctuantes al dispositivo final, también tiene que ser transcodificado flexiblemente para evitar los silencios y caídas. Para tales aplicaciones a nivel de consumidor, se acepta actualmente un tiempo de respuesta inferior a 1 segundo.

Pero ¿qué pasa con un video en vivo de una resolución HD definida para en red, porque nadie quiere esperar al sistema una vez que se ha hecho clic en el botón de una aplicación. Ahora consideremos vehículos autónomos usados por ejemplo en aplicaciones intralogísticas o fábricas virtuales cibernéticas donde muchos PLCs robustos en tiempo real necesitan ser sincronizados, y donde los robots de aprendizaje profundo colaborativos necesitan tener conocimiento de la situación por flujos de ultrasonidos y de video y actuar aplicaciones e-health? Aquí, se producen demandas firmes en tiempo como una transmisión en vivo, que no debe interrumpirse. Se estima que los límites tolerables de latencia oscilan entre 6 y 20 milisegundos. Demandas de latencia similares ocurren en todas partes en aplicaciones sin demora incluso en los entornos más adversos y con objetos en rápido movimiento. Aquí, los límites de latencia se vuelven más difíciles y sobrepasar un límite es crítico, ya que puede conducir a fallos inaceptables del sistema o incluso situaciones potencialmente peligrosas para los trabajadores. Por lo tanto, se puede ver que hay diferentes demandas en tiempo real en aplicaciones en red y ninguna de estas demandas, más o menos críticas, deben ser retrasadas. Es por eso que cualquier tecnología de servidor siempre tiene algo que ver con las capacidades en tiempo real.

Equilibrio de redes y servidores

Dichas capacidades en tiempo real se pueden lograr con el equilibrio de carga del canal de comunicación; y si hay una necesidad de tiempo real estricta, este canal de comunicación debe ser también determinista. Lo mismo se aplica a los servidores para las aplicaciones. Pueden equilibrarse utilizando máquinas virtuales, compartiendo sus recursos según sea necesario. Tales máquinas virtuales pueden incluso consistir en servidores conectados en red o recursos en red como almacenamiento NAS o SAN; y para tiempo real adverso, todo esto se puede configurar de una manera determinista también. Mediante la instalación de un sistema en red, no sólo se pueden conseguir servicios de alta calidad en tiempo real. Todo el sistema se vuelve más económico al ejecutar muchas aplicaciones en máquinas virtuales instaladas en un único sistema virtualizado, en lugar de instalar un servidor dedicado para cada aplicación. Tales estrategias pueden asegurar que el inventario del servidor se consolide y que no se pierda potencia de procesamiento para finalmente también ahorrar costes.

Es por eso, que se despliegan más y más tecnologías de servidor virtualizado en entornos más adversos, desde servidores edge de red de grado carrier en tejados, hasta diversos campos industriales como robótica y control de máquinas. Ahora imagine que el sistema virtualizado es una célula robótica para montar automóviles ó una máquina de industria 4.0. O es un servidor de vídeo para videovigilancia pública con detección de objetos en tiempo real. Imagínese que es un sistema de conducción autónoma. O equipos de red con inspección de paquetes en los tejados. Todos estos sistemas tienen requisitos de procesamiento y medioambientales similares, como el soporte de amplios rangos de temperatura y factores de forma pequeños, pero con demandas muy diferentes en cuanto al diseño del sistema. Para satisfacer todas estas demandas variables, el diseño de un servidor estándar “uno para todos” no es posible.

Gestión del desafío de diseño de personalización

Precisamente para estos sistemas heterogéneos, el PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group, por sus siglas en inglés) lanzó la nueva especificación de módulos servidor COM Express Type 7 para ayudar a los ingenieros a superar el desafío de diseño de construir tecnologías de servidores dedicados a precios atractivos, utilizando componentes disponibles en el canal de distribución. Los módulos servidor o “Server-on-modules” son buenos componentes listos para aplicaciones que ofrecen a los ingenieros la máxima eficiencia de diseño, ya que sólo necesitan diseñar la placa de soporte específica de la aplicación en lugar de una placa personalizada mucho más compleja. Un beneficio para los departamentos de compras es el hecho de que la lista de materiales se reduce de muchos componentes a un solo módulo para el núcleo de procesamiento, pero esta es sólo la parte más pequeña de la ganancia de eficiencia. Más importante es la reducción de los esfuerzos requeridos para diseñar en el procesador, la RAM y las interfaces de alta velocidad, por un lado, y construir el paquete completo de soporte de placa con todos los controladores, bibliotecas y APIs necesarios, por el otro lado.

La mejora de la eficiencia se logra con la posibilidad de escalar el rendimiento no sólo dentro de una familia de procesadores sino a través de todos los procesadores relevantes de todos los proveedores. La estandarización de las interfaces de módulo a las placas de soporte dedicadas también ofrece mayor seguridad de diseño, ya que incluso los diseños de compatibilidad heredada con interfaces idénticas son posibles a largo plazo.

Módulos servidor diseñados para entornos agresivos

Los primeros módulos COM Express Type 7, diseñados para entornos de grado industrial (desde 0°C a + 60°C), así como rangos de temperatura ampliados (-40°C a + 85°C) para instalaciones de tejado y transporte público, ofrecen actualmente dos interfaces de 10 GbE para la comunicación horizontal y vertical en tiempo real, además de hasta 32 carriles PCIe para conectar los periféricos que se pueden utilizar para medios de almacenamiento rápido, GPGPUs (General Purpose Processing Units, por sus siglas en inglés) y todos los tipos de interfaces Ethernet industriales. La huella de estos módulos mide sólo 125 x 95 mm, lo que hace posible desarrollar micro servidores muy compactos, pero extremadamente potentes. El primer procesador para la tecnología de servidor en módulo es el procesador Intel® Xeon® D de muy alto rendimiento (nombre de referencia Broadwell) con hasta 16 núcleos de servidor, 32 hilos y hasta 48 GB de memoria RAM DDR4 ECC. Los campos de aplicación para los nuevos módulos servidor se encuentran en servidores cloud, edge y fog para aplicaciones de red industriales y de tipo carrier portador en entornos hostiles.

Soporte de red sensible al tiempo

Dado que el soporte en tiempo real es clave para estos diseños de servidores, los módulos servidor también admiten un pin definible por software para cada una de las interfaces de 10 GbE. Este pin físico puede configurarse como una entrada o salida y es accionado por el controlador Ethernet correspondiente. Una aplicación típica es la implementación de un protocolo de temporización IEEE 1588 basado en hardware para aplicaciones de alto rendimiento en tiempo real, para realizar sincronización 802.1 y sincronización de sistemas distribuidos en tiempo real. Las posibles aplicaciones incluyen redes convergentes con streaming de audio / video en tiempo real y flujos de control en tiempo real que se usan en instalaciones de control automotriz o industrial.

Mediante la implementación de redes sensibles al tiempo compatibles 802.1, los diseñadores pueden asegurarse de que todos los dispositivos tienen una “comprensión” común del tiempo, y que utilizan las mismas reglas en el procesamiento y reenvío de paquetes de comunicación, en la selección de rutas de comunicación y en la reserva de ancho de banda y espacios de tiempo, utilizando posiblemente, más de una ruta simultánea para lograr los modos de conmutación por error de tolerancia a fallos. La última demanda es la principal razón por la que los módulos COM Express Type 7 pueden soportar hasta cuatro veces 10 GbE de forma nativa, ya que las comunicaciones de nivel de proceso horizontal necesitan al menos dos veces, dos canales para construir una línea de ahorro de cable o una arquitectura de anillo. La misma demanda se aplica a los servidores de punto final que utilizan una red de almacenamiento conmutada o que ejecutan, por ejemplo, Big Data o algoritmo de aprendizaje profundo.

Implementación del hipervisor

Para los desarrolladores de aplicaciones que también quieren virtualizar sus plataformas de servidor, los paquetes listos para aplicaciones pueden ayudar a los ingenieros a obtener sus soluciones al mercado más rápidamente. Los módulos COM Express tipo 7, como el congatec conga-BX7D en combinación con la placa carrier de evaluación conga- X7 / EVAL, soportan, por ejemplo, el hipervisor de sistemas en tiempo real, particularmente adecuado para robótica industrial, sistemas de control y aplicaciones en el campo de la tecnología médica. Un conjunto de arranque tan rápido que también incluye la gestión y el mantenimiento remoto y simplifica la evaluación de los módulos servidor diseñados de acuerdo con el estándar COM Express Type 7 de PICMG.

Los ingenieros se benefician aún más de los esfuerzos reducidos para la validación de sus propios diseños de placas carrier, ya que pueden reutilizar los componentes de las mejores prácticas y esquemas de diseño de PCB para sus propios micro servidores modulares de próxima generación, ya que congatec proporciona los esquemas de la nueva placa carrier a todos los clientes registrados en el paquete de inicio rápido, de forma gratuita. Si no se dispone de ningún recurso de tiempo, siempre existe la opción de contratar los servicios de diseño y fabricación integrados (EDM) ofrecidos por el proveedor del módulo.



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