Ligação de alto desempenho entre FPGAs para switch ethernet FTT

Abstract

O interesse no uso da Ethernet como uma rede de comunicação para sistemas industriais com propriedades de tempo-real tem vindo a crescer. No entanto a Ethernet como defenida na norma IEEE 802.3 não assegura o cumprimento de requisitos temporais exigentes. Apesar do uso de redes segmentadas eliminar o indeterminismo causado pelo protocolo CSMA/CD, os switches tradicionais possuem alguns inconvenientes que afectam negativamente as suas capacidades de comunicação em tempo-real, como por exemplo a ocorrência e possível overflow de filas nos seus portos de saída. Várias empresas e grupos de investigação começaram então a desenvolver protocolos que tentam aproveitar algumas propriedades da tecnologia Ethernet (elevada largura de banda, baixo custo) enquanto a tornam útil para aplicações de tempo-real. Todavia as garantias oferecidas por estes protocolos são estáticas, pouco flexíveis e não oferecem mecanismos de gestão dinâmica de qualidade de serviço (QoS). Surgiu então o projecto HaRTES (PTDC/EEA-ACR/73307/2006), financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), que tem como objectivo o desenvolvimento de um switch Ethernet com recurso à tecnologia FPGA, capaz de fornecer serviços de comunicação tempo-real, com grande flexibilidade, gestão dinâmica de recursos e utilização de largura de banda eficiente. O recurso a FPGAs provém da existência de várias funcionalidades do switch que requerem uma elevada previsibilidade, determinismo e velocidade na sua execução, sendo portanto preferíel a sua execução em hardware. As FPGAs possuem também um conjunto interessante de vantagens tais como a possibilidade de projecto de dispositivos com propriedades específicas, uma grande flexibilidade e capacidade lógica, bem como custos NRE (Nonrecurring engineering) baixos. No entanto a plataforma de hardware utilizada no desenvolvimento do switch HaRTES (NetFPGA), possuiu um número de portos Ethernet reduzido. Contudo existe a possibilidade de ligar várias plataformas através de ligações série multi-gigabit entre as suas FPGAs. O presente trabalho propõe o desenvolvimento de uma ligação de alta velocidade entre FPGAs, para permitir a integração de diversas plataformas NetFPGA como um único componente lógico com propriedades de tempo real, permitindo aumentar o número de portos existentes no switch HaRTES. Esta ligação tería obviamente de suportar um protocolo de comunicações tempo real bem como possuir latências e jitter reduzidos de modo a não prejudicar a qualidade temporal do projecto. Os testes realizados à ligação desenvolvida mostram valores baixos de latência e jitter, e uma gestão do tráfego dos portos homogénea, tal como desejado. Após a sua integração no projecto, testes comparativos mostraram que o uso da ligação multi-gigabit para transferir pacotes entre portos de diferentes NetFPGAs resulta num aumento de latência (de 5 ms para 7ms aproximadamente), consequência esperada pois os pacotes são processados por um maior número de lógica. Todavia a utilização da ligação permitiu a redução do valor médio de jitter de 0,92 ms para 0,28 ms aproximadamente.

The interest in using Ethernet as a communication network for industrial systems with real-time properties has been growing; however Ethernet as defined in IEEE 802.3 does not ensure compliance with strict timeliness requirements. Although the use of segmented networks eliminates the non-determinism caused by the CSMA/CD protocol, traditional switches have some drawbacks that affect negatively their real-time communication capabilities, such as the occurrence and possible over ow of queues in the output ports. Several companies and research groups began to develop protocols to take advantage of some properties of Ethernet technology (high-bandwidth, low cost) while they make it useful for real-time applications. Yet the guarantees offered by these protocols are static, infl exible and offer no dynamic quality of service (QoS) mechanisms. The HaRTES project (PTDC/EEA-ACR/73307/2006), financed by the Foundation for Science and Technology (FCT), aims to develop an Ethernet switch using the FPGA technology, capable of providing real-time communication services with great flexibility, resources management and efficient use of bandwidth. The use of FPGAs comes from the existence of several features in the switch that require a high predictability, determinism and speed in their execution thus being preferable to execute them in hardware. Also FPGAs have an interesting range of advantages such as the ability to design devices with specific properties, a tremendous fl exibility and large logic capacity as well as low nonrecurring engineering (NRE) costs. However the hardware platform used in developing the switch HaRTES (NetFPGA) has a small number of Ethernet ports. There is however the possibility of linking multiple platforms through multi-gigabit serial links between their FPGAs. This paper proposes the development of a high-speed link between FPGAs, to enable the integration of several NetFPGAs as a single logical component with real-time properties, allowing the increase of the number of ports on the switch HaRTES. This link will obviously support a real-time communication protocol featuring low latency and jitter so it won't impair the quality of time behavior of the real-time switch. Initial link tests show low levels of latency and jitter and homogeneous traffic management, as desired. However after its integration into the project HaRTES comparative tests showed that the use of the link for transferring packets between ports of different NetFPGAs has an increase effect on the latency (from 5 ms to 7 ms approximately), a result that was expected given the increase in logic which by packets must be prosecuted. However the use of this link provided a reduction in global jitter from 0,92 ms to 0,28 ms