1. Mai 2012

Optimale Gigabit-Datenübertragung in Echtzeit bei minimaler Reaktionszeit

Echtzeit (nicht) nur für die Börse

Mit der Implementierung von TCP/IP in Hardware hat das Fraunhofer HHI die Verarbeitung von Kommunikationsprotokollen von der Software in die Hardware verlagert. Diese eingebetteten Hardware-Systeme ermöglichen etwa in der Medizintechnik oder im Hochfrequenz-Handel die Übertragung und Verarbeitung von Daten in Gigabit in Echtzeit bei minimalen Latenzzeiten und optimaler Ausnutzung der Übertragungskapazität. Die Ausnutzung der Übertragungskapazität bei gleichzeitig minimierter Latenzzeit war mit den herkömmlichen softwarebasierten Implementierungen bisher nicht möglich.

Kommunikationsprotokolle in eingebetteten Hardware-Systemen

Die in lokalen Ethernet-Netzen bewährte softwarebasierte TCP/IP-Protokoll­verarbeitung stößt an ihre Grenzen. Die Rechenleistung kann nicht mehr mit der Entwicklung der Netzwerkgeschwindigkeit Schritt halten. Durch die Entwicklung eines TCP/IP Stacks in Hardware sowohl für 1 Gigabit als auch für 10 Gigabit Ethernet hat das Fraunhofer HHI dieses Problem gelöst. Als Schaltung ist dieser "Protokoll-Stapel" vollständig hardwarebasiert und kommt ohne Prozessoren und auszuführenden Code aus. So lässt sich bei hoher Datenübertragung die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität vollständig ausnutzen und gleichzeitig die Reaktionszeit minimieren.

Die Übertragungskapazität optimal ausnutzen

Hardwareseitig wird an zwei Stellschrauben gedreht, um dieses Ziel zu erreichen. Die richtige Hardware-Schaltung ermöglicht es, Leitungen so zu betreiben, dass die theoretische Übertragungskapazität auch tatsächlich ausgenutzt wird. Die Kommunikationsprotokolle werden in angepasster Form in die jeweilige Hardware von Client und Server implementiert, wodurch sich die Reaktions-, bzw. Latenzzeiten spürbar verringern.

Die Latenz minimieren

Jedes Signal hat eine gewisse Laufzeit in einem technischen System, die sogenannte Latenzzeit. Bei der Datenübertragung kommt es daher immer zu Verzögerungen in der Verarbeitung und Auslieferung der Daten. Grund hierfür ist die Funktionsweise der TCP/IP-Netzwerkprotokolle. Die Protokolle teilen die Daten in Pakete auf und schicken sie nacheinander zum Empfänger. Es dauert also eine Weile, bis alle gesendeten Daten dem Empfänger zur Verfügung stehen.

Erkennbar wird dies etwa bei der Live-Übertragung eines Fußballspieles. Die paketbasierte Verarbeitung und das Dekodieren der Bildinhalte benötigt entsprechende Zeit. Fällt ein Tor, wird daher der Zuschauer mit Digitalfernsehen immer etwas später jubeln als der Zuschauer, der ein Analogsignal nutzt. Was in diesem Fall nur ein unbedeutender persönlicher Nachteil ist, führt in anderen Zusammenhängen zu handfesten wirtschaftlichen Verlusten.

Hochfrequenz-Handel und Medizintechnik

Die Rechner der Börsen etwa sind über die ganze Welt verteilt. Die Latenzzeit bei der Datenüber­­­tra­gung führt dazu, dass kein Unternehmen an allen Börsenrechnern der Welt zum gleichen Zeitpunkt gleich bewertet wird. Insbesondere bei Formen des automatisierten Wertpapierhandels, wie dem High Frequency Trading, entscheiden Millisekunden über Gewinn oder Verlust.

Wichtig sind möglichst geringe Reaktionszeiten auch bei der Datenüber­tragung in der Medizintechnik, etwa wenn der Chirurg die Instrumente live steuert. So muss ein Roboter, der bei einer Operation über einen Joystick vom Arzt bedient wird, unverzüglich reagieren.

Der TCP/IP Stack

Der TCP/IP Protokollstapel ist eine konzeptionelle Architektur von Kommunikationsprotokollen in der Datenübertragung. Die einzelnen Protokolle sind dabei entsprechend Ihrer Aufgaben als Schichten eines Stapels übereinander angeordnet. Die Lösung des Fraunhofer HHI zeichnet sich dadurch aus, dass alle Schichten von der Software in die Hardware verlagert wurden. Der Stack unterstützt die gängigen Kommunikations­protokolle wie Ethernet, ARP, IPv4, TCP, UDP sowie grundlegende Funktionalitäten von ICMP, IGMP und DHCP. Es sind optimierte Versionen für 1-GbE- und 10-GbE-Anwendungen verfügbar.