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• Entwicklungsplattform 10GETHEVAL für Rapid Prototyping© HHI
  
• Dr. Peter Gregorius
  

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Marktreife2012

Leistungsfähige IT-Systeme verarbeiten jede Sekunde einen Datenstrom von mehreren hundert Gigabit – vorausgesetzt, die Daten sind auch rechtzeitig verfügbar. Ethernet-Netzwerke werden dabei schnell zur Datenbremse: Bereits bei Geschwindigkeiten von 10 Gbps benötigt die Software zur Verarbeitung der TCP und IP Protokolle bereits eine Rechenleistung, die die Kapazitäten vieler Datenserver übersteigt. Die Forscher am Fraunhofer HHI haben nun die gesamte Protokollverarbeitung vollständig in Hardware realisiert. Echtzeit-Anwendungen übers Netzwerk sind kein Problem mehr.

PC-Benutzern war ihr Anblick jahrelang vertrauter, als ihnen recht war: Die Sanduhr, das Desktopsymbol mit dem durch den Flaschenhals rieselnden Sand, das einem mitteilte, dass das System zur Verarbeitung der gewünschten Daten noch eine Zeit braucht. In den letzten Jahren aber ist sie eher selten zu sehen. Geschuldet ist dies vor allem der technischen Entwicklung, insbesondere der erheblich gestiegenen Leistungsfähigkeit der Rechnersysteme. Dennoch: Die Sanduhr könnte ein Revival erleben. Wegen des steigenden Leistungsanspruchs wird das Ethernet-Netzwerk mehr und mehr zur Datenbremse. Einen unkomprimierten HD-Videostream unterbrechungsfrei und live zu empfangen, ist derzeit schlicht nicht möglich. Der Grund dafür: Die Netzwerkübertragung erfolgt über TCP/IP Internetprotokolle. Verbindungen müssen auf- und abgebaut werden, die einzelnen Datenpakete beim Sender kodiert und beim Empfänger wieder decodiert werden, Bestätigungsmeldungen über den Erhalt der Pakete verschickt werden, der Übertragungsverlauf überwacht, Fehler korrigiert und schließlich der Datenstrom wieder zu einem Komplettstream zusammengesetzt werden. Ein Teil dieser Aufgaben kann zwar heute bereits von spezialisierten Hardwarekomponenten in den Netzwerkkarten übernommen werden. Für die übrigen Aufgaben aber müssen Softwarekomponenten auf dem Prozessor aktiv werden. Und bis diese Softwareaufgaben abgearbeitet sind, kommt gegebenenfalls wieder die Sanduhr zum Einsatz. Denn für eine Echtzeitübertragung eines HD-Videostreams wäre die benötigte Rechenleistung so groß, dass sie selbst die Möglichkeiten spezialisierter Datenserver übersteigt.

Wie eine Echtzeitübertragung im Gigabit-Bereich auch über Ethernet-Netzwerke ermöglicht wird, zeigen die Forscher am Fraunhofer HHI mit ihrem „Low Power Hardware 10GbE TCP/IP-Stack“. Sie entwickelten einen Demonstrator, der sämtliche Verarbeitungsaufgaben der Übertragungsprotokolle auf dedizierten Hardwarekomponenten ausführt. Sowohl für 1 Gigabit als auch für 10 Gigabit Netzwerke wurde jeweils ein TCP/IP Stack entwickelt, der vollständig als digitale Schaltung in der Hardware funktioniert. Für das Senden und Empfangen der Daten über das Netzwerk ist also kein ausführbarer Code und damit auch kein PC mit Betriebssystem mehr nötig. Als Demonstrationsumgebung integrierten die Forscher am Fraunhofer HHI den TCP/IP-Stack auf den programmierbaren Logikbausteinen eines FPGA.

Die vollständige Integration der gesamten TCP/IP-Protokollverarbeitung in die Hardware bringt mehrere Vorteile: Erstens ist die Protokollverarbeitung nun nicht mehr der bremsende Faktor, sondern kann die gesamte Bandbreite der Netzwerkverbindung mit 10 Gbps genutzt werden. Die Folge davon sind minimale Latenzzeiten, sodass Echtzeitanwendungen mit den TCP/IP-Protokollen möglich werden. Zweitens benötigt die Verarbeitung der Daten in den spezialisierten Hardwarekomponenten erheblich weniger Energie, als die Arbeit der CPUs bei einer softwarebasierten Übertragung. Drittens eröffnet die Hardware-Lösung des Fraunhofer HHI die Möglichkeit TCP/IP-Protokolle auch in eingebetteten Systemen einzusetzen - der sehr geringe Energieverbrauch sowie die Echtzeitfähigkeit machen es möglich.

Die schnelle und energiesparende Übertragungstechnik wird am Fraunhofer HHI nicht nur mit Blick auf HD-Videoübertragungen erprobt. Weitere Einsatzbereiche sind auch sehr datenintensive Echtzeit-Anwendungen, wie sie zum Beispiel für die maskenlose Lithografie, im Börsenhandel oder beim High-Performance-Computing verwendet werden. Parallel zu weiteren Optimierungen der aktuellen 10 Gigabit-Lösung arbeiten die Forscher am Fraunhofer HHI bereits an der nächsten Generation, einem 40 Gigabit TCB/IP-Stack, sowie einem TCP/IP-Stack als IP-Core für die Verwendung in hochintegrierten System-on-Chip Lösungen.