Modułowe rozwiązania brzegowe do konsolidacji obciążenia

| Prezentacje firmowe Mikrokontrolery i IoT

Rozwiązania stosowane w przemysłowych serwerach brzegowych muszą być wysoce elastyczne i umożliwiać realizację różnorodnych zadań. Coraz częściej do konsolidacji różnorodnych obciążeń zadaniami realizowanymi w projektach Przemysłu 4.0 stosuje się maszyny wirtualne. Komputery modułowe zapewniają elastyczność w zakresie skalowania mocy obliczeniowej w taki sposób, aby dostosować ją do danego zastosowania. Oprócz zapewnienia możliwości równoważenia obciążenia, umożliwiają stworzenie rozwiązania optymalnego pod względem ceny i wymaganej wydajności.

Modułowe rozwiązania brzegowe do konsolidacji obciążenia

Konsolidacja obciążenia, która w przeszłości była stosowana głównie w przypadku wirtualizacji serwerów w centrach przetwarzania danych, już dawno przestała ograniczać się do dobrze chłodzonych serwerów zainstalowanych w szafach. Obecnie rośnie również popyt na rozwiązania stosowane w trudnych warunkach przemysłowych: producenci maszyn i systemów, jak również użytkownicy rozwiązań przemysłowych chcą wirtualizować projekty z dziedziny Przemysłu 4.0 na lokalnych serwerach brzegowych. Jednocześnie szukają możliwości konsolidacji na tych serwerach brzegowych różnych mechanizmów kontrolnych rozproszonych w danym obszarze produkcyjnym. Jest to lepsze rozwiązanie niż przypisywanie mechanizmów kontrolnych do wielu dedykowanych systemów. Takie podejście umożliwia lepsze wykorzystanie połączonej mocy obliczeniowej, co niewątpliwie oznacza obniżenie kosztów.

Oprócz kosztów systemu, możliwe jest również zmniejszenie nakładu pracy na konserwację i administrację systemu. Co więcej, konsolidacja obciążenia na redundantnie zaprojektowanych serwerach brzegowych i serwerach FOG pomaga zwiększyć niezawodność i odporność na uszkodzenia. Wynika to z faktu, że w przypadku wielu systemów rozproszonych istnieje większe prawdopodobieństwo, że jedno z ogniw łańcucha, a tym samym cały łańcuch ulegnie uszkodzeniu. Aby móc tworzyć niezwykle heterogeniczne i dostosowane do danego zastosowania serwery brzegowe i serwery FOG, producenci OEM potrzebują mocnych rozwiązań dla technologii hypervisora czasu rzeczywistego, jak również wielordzeniowej platformy odpowiedniej dla danego zastosowania. Ponieważ nie ma znaczenia, na której platformie serwerowej jest uruchomiony hypervisor, rozwiązanie modułowe części sprzętowej jest pierwszym krokiem umożliwiającym znalezienie rozwiązania optymalnego pod względem ceny i wydajności, które będzie zapewniać właściwe równoważenie obciążenia. Podejście modułowe jest już obecnie stosowane w wielu systemach brzegowych – począwszy od najmniejszych gatewayów, a skończywszy na dużych serwerach przemysłowych.

Gateway LPWAN dla LoRa

Dobrym przykładem urządzenia z segmentu urządzeń malej mocy jest gateway LoRa (ang. Long Range) firmy Expemb. Zaprojektowany do użycia w wielu różnych scenariuszach pracy LoRa, musi umożliwiać implementację równie szerokiej gamy kombinacji logicznych dla rozwiązań brzegowych. Przykładowo, w środowiskach produkcyjnych, technologia LoRa jest wykorzystywana do zapewnienia łączności z autonomicznymi czujnikami IoT, lub z urządzeniami transportowymi w celu monitorowania i optymalizowania wewnętrznego przepływu towarów. Ponieważ gateway - ie zawierają w sobie komputery modułowe – w tym przypadku są to moduły Qseven z procesorami Intel Atom – możliwe jest wykorzystanie elastycznej konfiguracji sprzętowej, która może zostać łatwo dostosowana zarówno po stronie sprzętowej, jak i programowej aby spełnić najbardziej heterogeniczne wymagania odnoszące się do rozwiązań IoT zbudowanych w oparciu o LoRa. Oprócz równoważenia obciążenia, takie podejście umożliwia znalezienie optymalnej równowagi pomiędzy ceną i wydajnością.

Serwery brzegowe dla sieci inteligentnych

 
Rysunek 1: W pełni modułowe serwery brzegowe i serwery typu FOG zapewniają działanie hypervisora czasu rzeczywistego. Są zbudowane w wykorzystaniem Serwerów Modułowych, co oprócz zbalansowania obciążenia, umożliwia również zbalansowanie ceny i wymaganej wydajności.

Wysoka elastyczność jest również wymagana w przypadku serwerów brzegowych typu Box PC. Przykładowo, Chiny wdrażają obecnie warstwę brzegową dla rozproszonego systemu zarządzania inteligentną siecią energetyczną. Wdrożenie jest realizowane we współpracy z partnerem IoT firmy Tencent. Rynkiem docelowym jest rynek energii. Rozwiązania zastosowane w serwerze brzegowym przeznaczonym do tego typu zastosowań muszą zapewnić możliwość zarządzania rozproszonymi generatorami mocy oraz odbiorcami energii w fabrykach i parkach przemysłowych. Ponieważ zawsze zainstalowane są różne urządzenia, zastosowane rozwiązania sprzętowe również muszą być rozwiązaniami modułowymi. W tym przypadku wykorzystano komputery modułowe COM Express Type 7. W pierwszych systemach zastosowano komputery modułowe z procesorami Intel Xeon D15xx (maksymalnie 16 rdzeni / 32 wątki). W konfiguracjach alternatywnych stosowane są procesory Intel Atom C3xxx. Możliwość wykorzystania nawet 16 rdzeni sprawia, że te procesory są idealnym rozwiązaniem we wszystkich instalacjach, w których należy dokonać konsolidacji różnorodnych obciążeń. Oczywiście to, czy wykorzystano procesor Xeon czy Atom ma znaczący wpływ zarówno na pobór mocy, jak i na koszt całego rozwiązania.

Modułowe serwery instalowane w stojakach przeznaczone do pracy w trudnych warunkach

 
Rysunek 2: Wielu producentów wykorzystuje już innowacyjne, modułowe systemy serwerów brzegowych – począwszy do małych gateway – ów LoRa, aż po inteligentne serwery do zarządzania siecią energetyczną oraz przemysłowe serwery mocowane w stojakach.

Istnieje możliwość zbudowania znacznie bardziej wydajnych modułowych serwerów instalowanych w stojakach z wykorzystaniem standaryzowanych komputerów modułowych. Umożliwi to koszty inwestycji systemów sterujących robotów, komórek produkcyjnych, jak również skomplikowanych maszyn różnego rodzaju. Przykładem takich modułowych rozwiązań są serwery dostarczane przez takich dostawców jak np. Christmann, w których z powodzeniem zastosowano serwery modułowe COM Express Type 7. Planowane są już kolejne rozwiązania, bazujące na nowym standardzie modułu COM-HPC. Oprócz możliwości dobrania konkretnego produktu do określonego zadania, kolejną zaletą tych serwerów jest ich wysoka skalowalność, umożliwiająca zwiększenie wydajności jeśli jest taka potrzeba: druga generacja serwerów, która ze względu na szybki postęp technologiczny niewątpliwie będzie potrzebna po trzech – pięciu latach, będzie kosztować mniej-więcej połowę początkowej inwestycji. Wynika to z faktu, że w większości przypadków konieczna będzie wymiana jedynie modułu procesora. Aby w pełni wykorzystać znaczące oszczędności w zakresie całkowitego kosztu posiadania, serwery instalowane w stojakach dostarczane przez Christmann mogą być elastycznie konfigurowane z wykorzystaniem nawet 27 CPU (mikro serwerów). Te trzy przykłady ilustrują olbrzymie korzyści płynące z zastosowania komputerów modułowych i serwerów modułowych w gatewayach i serwerach brzegowych.

Zestaw do konsolidacji obciążenia pracujący w czasie rzeczywistym

 
Rysunek 3: Zestaw do konsolidacji obciążenia pracujący w czasie rzeczywistym firmy congatec jest zbudowany w oparciu o komputer modułowy COM Express Type 6 z procesorem Intel Xeon E2 I hypervisorem czasu rzeczywistego RTS Hypervisor firmy Real-Time Systems. (Copyright Intel) https://marketplace.intel.com/s/offering/a5b3b000000ThjQAAS/realtime-workload-consolidation-starter-set?language=en_US

Jednakże bez obsługi hypervisora czasu rzeczywistego, jest to jedynie połowa rozwiązania. Konieczne jest również zapewnienie odpowiedniego oprogramowania do obsługi części sprzętowej. W tym celu firma congatec rozpoczęła współpracę z firmami Intel i Real-Time Systems. Współpraca ta ma na celu opracowanie certyfikowanego przez firmę Intel, gotowego do produkcji zestawu do konsolidacji obciążenia. Zestaw uzyskał certyfikację firmy Intel w marcu 2020 roku. Jest on przeznaczony dla kolejnej generacji robotów współpracujących wykorzystujących przetwarzanie obrazu, sterowników systemów automatyki oraz autonomicznych pojazdów, w przypadku których konieczne jest równoległe realizowanie wielu zadań, łącznie z obsługą mechanizmów świadomości sytuacyjnej z wykorzystaniem algorytmów sztucznej inteligencji bazujących na mechanizmach “deep learning”. W platformie tej zastosowano komputer modułowy COM Express Type 6 z procesorem Intel Xeon E2. Dostępne są również trzy wstępnie skonfigurowane maszyny wirtualne, co umożliwia zademonstrowanie tego, że możliwe jest uruchomienie aplikacji czasu rzeczywistego nawet jeśli w tym samym czasie uruchamia się inna aplikacja systemowa. Jednak by zapewnić, że platforma jest naprawdę przyszłościowa i zapewni obsługę konsolidacji obciążenia tak efektywnie, jak będzie to możliwe, udostępnia ona wszystkie podstawowe interfejsy zapewniające komunikację z wykorzystaniem płyt bazowych dostosowanych do wymagań klienta.

Technologia TSN (Time-sensitive Networking) - dostępna

 
Rysunek 4: Sieci pracujące z zachowaniem parametrów czasowych stanowią uzupełniający odpowiednik konsolidacji obciążenia. Umożliwiają sterowanie w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem standardowych sieci Ethernet, jak również zapewniają “dotykowe” sesje internetowe poprzez 5G w czasie rzeczywistym.

Zestaw obsługuje technologię TSN, która staje się elementem niezbędnym do przetwarzania danych w czasie rzeczywistym. Zbiegło się to z pojawieniem się technologii 5G i 10+ GbE, które znalazły zastosowanie w sieciach instalowanych w fabrykach. Technologia TSN obejmuje wiele standardów – np. IEEE 802.1q – wirtualne sieci LAN z wykorzystaniem Ethernet, kształtowanie sygnału zależne od czasu (ang. TAS – time aware shaping) – zgodnie z definicją z IEEE 802.1Qbv – co gwarantuje minimalne opóźnienia w transmisji, lub też synchronizację w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem protokołu PTP (ang. Precision Time Protocol) zdefiniowanego w IEEE 1588. Protokół ten zapewnia synchronizację czasu pomiędzy węzłami. Urządzenie nadrzędne (“master”) definiuje czas. Pojedyncze urządzenia podrzędne (“slave”) synchronizują swoje zegary z dwu-cyfrową, nanosekundową dokładnością. W oparciu o zsynchronizowane zegary, pakiety mogą zostać oznaczone znacznikiem czasu i wysłane. Oznacza to, że sieci PTP mogą się samodzielnie synchronizować z dwu-cyfrową, nanosekundową dokładnością, przy czym czas przesyłania pakietów IP w naturalny sposób wpływa na zachowanie aplikacji w czasie rzeczywistym. W przypadku interfejsu I219 Intel Ethernet, synchronizacja zegara bazuje w 100% na tym standardowym komponencie.  Stanowi to podwójną zaletę wykorzystania części sprzętowej i braku konieczności wykorzystania dodatkowych aplikacji stron trzecich, lub dedykowanych rozwiązań sprzętowych. Zestaw do konsolidacji obciążenia pracujący w czasie rzeczywistym może zostać zamówiony z firmy congatec, lub poprzez Intel Marketplace.

 

Dan Demers, congatec

Zobacz również

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie