Infiniband ha demostrado ser muy eficaz en una amplia variedad de conmutadores, componentes HBA y NIC, así como en soluciones de hardware y software, ya que ha ganado a los sistemas de mayor rendimiento en estos mercados. RapidIO, como Infiniband, expone con éxito la debilidad subyacente de la tecnología Ethernet y proporciona una latencia de red menor y más predecible. RapidIO, como Infiniband, debe soportar la coexistencia de Ethernet y RapidIO en el mismo sistema. La capacidad de usar redes RapidIO nativas como si fuera Ethernet crea un argumento convincente para usar RapidIO en los sistemas pioneros (greenfield). Su ecosistema admite puertos de 20 Gbps y la encapsulación Ethernet convierte a RapidIO en la opción lógica cuando se deben rediseñar sistemas de 10 GbE para un caudal y un rendimiento de nueva generación.

Ejemplo de implementación de servidor de hardware/computación basada en RapidIO
Las tarjetas de conmutación no bloqueantes de alta densidad de puertos ya se han desarrollado con conmutadores Gen2 de RapidIO de Integrated Device Technology, Inc. (IDT). Estas tarjetas de conmutación se podrían desplegar en entornos de centros de datos/HPC. La Figura 1 ilustra una implementación de tarjeta de conmutación que se podría aprovechar para soportar la conmutación en la parte superior del bastidor.

El adaptador de la interconexión al nodo del servidor lo podría suministrar el dispositivo de puente Tsi721de IDT para la conversión del protocolo PCIe Gen2 a RapidIO Gen2. El Tsi721 convierte de PCIe a RapidIO y viceversa y proporciona una conexión puente a máxima velocidad de 20 Gbaud. Mediante el Tsi721, los diseñadores pueden desarrollar sistemas heterogéneos que aprovechen el rendimiento de redes P2P de RapidIO y a la vez usar grupos de microprocesadores que solo sean activos con PCIe. El mercado objetivo necesita grandes cantidades de datos transferidos de forma eficaz y sin que intervenga un procesador, lo que se puede ejecutar mediante un bloque DMA de máxima velocidad junto con los motores de mensajería del Tsi721. Las ventajas de la mensajería de RapidIO tipo 9 en apoyo a la virtualización y mayor rendimiento, en comparación con 10 GbE, permiten una reducción del cableado. Este sistema ejemplo se usa como referencia para el debate que se va a desarrollar durante el resto del artículo.
Para este sistema ejemplo, la mensajería entre un par de nodos se soporta con dos conceptos independientes: E/S lógica y mensajería. Las transacciones E/S lógicas se admiten con traducción puente directa, así como con motores de Block DMA. DMA y RDMA se admiten en este sistema, ya que son para sistemas basados en Ethernet. La mensajería cuenta con el soporte de los motores de mensajería. La mensajería de Ethernet la soporta el TCP, entre otros. RapidIO admite un IOV único por canal, lo que es inferior a las soluciones Ethernet disponibles.

Comparación del protocolo

Ethernet supone una forma de servir redes de procesador de tráfico P2P, ya sea chip a chip, placa a placa o entre chasis. Sin embargo, Ethernet ha evolucionado a partir de las LAN y WAN, mientras los arquitectos intentaban encontrar una forma eficaz de usarlo en sistemas integrados. En virtud de este trasfondo, en las LAN y WAN se supone que habrá un procesador en cada nodo para terminar la pila de protocolos. Es una suposición razonable para LAN y WAN, pero introduce demasiada latencia y consumo de energía en los sistemas integrados en tiempo real (incluidos los servidores).

Los estándares PCI y PCIe ofrecen una alternativa; no obstante, en realidad fueron diseñados para sistemas procesadores de un único host monolítico, con el concepto de un complejo raíz. Escalar a procesadores múltiples en tarjetas de línea, sobre placas base backplane y con múltiples servidores supone una dificultad, incluso en puentes no transparentes. El problema se puede solucionar para un pequeño número de puntos terminales o nodos de computación, pero el mapeo de la memoria se vuelve difícil muy rápido a medida que los sistemas escalan en tamaño.
Puesto que RapidIO se construyó desde el principio para las redes P2P con múltiples procesadores, intrínsecamente incluye los siguientes atributos: comunicación fiable, entrega de paquetes de extremo a extremo en menos de un microsegundo, latencia de conmutación por medio de corte (cut-through) de 100 ns, ninguna sobrecarga del procesador para terminar el protocolo, soporte para cualquier topología (por ejemplo interconexión directa, malla, estrella, doble estrella), mensajería de alto rendimiento para transmitir grandes cantidades de datos y arquitectura push con la opción de que cada procesador del sistema tenga un subsistema de memoria propio.

RapidIO se ha convertido en la interconexión integrada principal y, con su comunicación en serie de nivel de operador especificada para la conectividad de backplane, puede ofrecer soporte nativo para conexiones intraplaca, interplaca, por cable y entre chasis dentro de una sala o entre diferentes salas.

Las especificaciones subsiguientes fueron desarrolladas para que Ethernet funcionara mejor en el espacio integrado y van más allá de unos entornos de red de área amplia (WAN) y local (LAN). Estas mejoras dirigidas a los entornos de centros de datos se definen colectivamente como DCB (Data Center Bridging). Los espacios de centro de datos e integrados se caracterizan por un transporte sin pérdidas, control del flujo mejorado y baja latencia.

Comparación entre QoS y control de flujos
Uno de los drivers para el aumento del ancho de banda en los centros de datos empresariales y la nube es la necesidad de combinar la red de almacenamiento, que normalmente alcanza los 8 Gbps para el canal de fibra, con la red de conectividad entre servidores, que suele ser Ethernet de 1 Gbps. Estas redes tienen diferentes limitaciones en la calidad de servicio. Además, las redes de almacenamiento no deben descartar paquetes. En la actualidad, los sistemas basados en RapidIO realizan entregas fiables con un servicio de calidad predecible.

Para las aplicaciones que necesitan un QoS más agresivo y eficaz, RapidIO ofrece avanzadas funciones de control de flujos y plano de datos. El protocolo RapidIO define múltiples mecanismos de control de flujos en las capas física y lógica. Gestionando el control de flujo de la capa física en la capa de enlace, los eventos de congestión a corto plazo se gestionan de forma eficaz mediante un control de flujo controlado tanto por el transmisor como por el receptor. La congestión a largo plazo se puede controlar en la capa lógica con mensajes XOFF y XON, que permiten al receptor detener el flujo de paquetes cuando se detecta congestión en un flujo determinado.

Los canales virtuales (VC) admiten las nuevas funciones QoS. Aquí las prestaciones proporcionan unas políticas de entrega fiables o de mejor práctica, mejor control de flujo en la capa de enlace y una gestión del tráfico de extremo a extremo. Los VC también permiten hasta 16 millones de flujos virtuales individuales entre dos puntos terminales.
Ethernet también ha mejorado su historial de control de flujo mediante el avance de la tecnología DCB, que permite que un extremo del enlace detenga la transmisión en el otro extremo del enlace para evitar un desbordamiento del buffer y el subsiguiente descarte de paquetes. El enrutamiento de paquetes simplificado, facilitado por el etiquetado VLAN, así como la priorización de paquetes como parte de la etiqueta VLAN también han contribuido a mejorar considerablemente la latencia y la calidad del servicio de Ethernet.

Sin embargo, hay numerosas limitaciones de control de flujo y de QoS de DCB en comparación con RapidIO [Comparación entre Ethernet y RapidIO, CompactPCI, AdvancedTCA y MicroTCA, 15 de julio del 2010]. Por ejemplo, el soporte para el control de flujo de Ethernet se presta principalmente a través del soporte de 802.3x PAUSE. Incluso con mecanismos de control de flujo mejorado, la carga en la notificación de la congestión es alta, ya que la notificación se propaga desde el origen hasta el borde de la red, mientras que en RapidIO la notificación de la congestión es bastante rápida a través de la transmisión del símbolo de control. Evidentemente, los mecanismos de Ethernet no se han adoptado ampliamente y algunos vendedores ofrecen soporte patentado para topologías limitadas. El control de flujo en la capa de enlace de RapidIO permite al transmisor cargar el receptor manteniéndolo continuamente lleno, lo que mejora la eficacia de la programación y, por lo tanto, la eficacia de la conmutación en general.

Comparación del rendimiento: latencia y caudal

La latencia de los dispositivos de conmutación de Ethernet sigue disminuyendo, hasta el punto que los conmutadores de Ethernet más importantes del sector ahora tienen una latencia de ~200 ns. Sin embargo, la latencia de los dispositivos de conmutación de RapidIO es inferior a los 100 ns y sigue disminuyendo de forma similar. Esta tendencia continuará para ambas tecnologías, ya que las empresas usan geometrías de proceso de silicio menores y velocidades de capa física más elevadas. La terminación de paquetes de extremo a extremo puede ser superior a los 10 µs para Ethernet e inferior a 1 µs para RapidIO.

RapidIO ofrece una entrega garantizada a través de la recuperación tras un error de la capa de enlace. Los símbolos de control de la capa de enlace minimizan la latencia del bucle de control. Los símbolos del control también se pueden integrar en los paquetes, lo que minimizará aún más la latencia. El DCE sin pérdida todavía necesita motores de descarga o pilas de software que tiendan a añadir latencia.

Los conmutadores RapidIO Gen2 ofrecen 20 Gbps por puerto. El Tsi721 convierte los datos de PCIe a RapidIO, y viceversa, y proporciona una pasarela a máxima velocidad de línea de 16 Gbps para paquetes de tan solo 64 bytes. Esto es más que los 10 GbE generalmente disponibles, pero evidentemente menos que el número creciente de soluciones de 40 GbE que van a comercializarse.

Desde una perspectiva de ancho de banda en bruto, Ethernet supera a RapidIO. Sin embargo, esta distancia debería reducirse una vez que las especificaciones físicas y la hoja de ruta de las próximas versiones de RapidIO estén disponibles. El rendimiento y la eficacia de protocolo de RapidIO permiten una encapsulación robusta de protocolos. La mensajería y la transmisión de datos proporcionan funciones nativas de encapsulación de Ethernet.

La seguridad
Las funciones del Tsi721 para la seguridad del lado receptor de RapidIO se establecen mediante hardware y pueden determinar si se aceptan o no una serie de ID de destino. Cada tipo de paquete definido por la RapidIO 2.1 Specification se puede aceptar o descartar. La seguridad en el lado de la transmisión se debe establecer mediante software.

La seguridad en la estructura de conmutación se ve reforzada por el host del sistema. No es posible para un nodo comunicarse con otro a menos que las tablas de enrutamiento de la estructura se configuren para permitir que los paquetes se enruten entre los nodos. Cada puerto conmutador dispone también de cuatro filtros que pueden enmascarar y comparar hasta los 20 primeros bytes de cada paquete y descartarlo. Esta capacidad se puede usar para aplicar rangos de direcciones e identificaciones de destinatarios para las transacciones de lectura y escritura del DMA, así como para evitar que cualquier nodo que no sea el host del sistema haga una consulta o configure la estructura del conmutador.

Potencia y precio de la unidad y el sistema
RapidIO es sin duda energéticamente más eficiente que Ethernet, ya que la capa física de RapidIO sustituye a los protocolos de la capa de transporte de Ethernet para garantizar una entrega fiable y correcta de los mensajes. La carga de protocolos es superior en Ethernet, lo que también contribuye a un mayor consumo energético por dato transmitido.

Los proveedores de Ethernet cobran un suplemento por puertos de Ethernet de 10 Gbps e incluso más por puertos de 40 Gbps. La tarifa por puerto de sistema para chip de Ethernet de 10 Gbps puede alcanzar los cientos de dólares por puerto, con costes por puerto del dispositivo de conmutación de 10 G superiores a los 10 dólares en volumen. Ayudado por una terminación de paquete menos compleja y memorias para paquetes más pequeños y sin requisitos de clasificación, entre otros factores, los costes de puerto del sistema para RapidIO son de aproximadamente 55 dólares con costes de dispositivo de conmutación inferiores a los 4 dólares por puerto de 10 G en volumen.

Ecosistema
Desde una perspectiva del ecosistema, las Ethernet antiguas, de más de 30 años, tienen una gran ventaja en comparación con los viejos ecosistemas RapidIO de diez años o más. Hay muchos proveedores de silicio, plataformas, herramientas y software. El ecosistema de hardware de Ethernet ofrece tarjetas de redes convergentes, plataformas de conmutadores y routers, así como plataformas de servidores y de almacenamiento. El ecosistema de software ofrece software de gestión de redes, Microsoft Windows®, Linux® y gran variedad de otras ofertas. También hay análisis de protocolo, analizadores de paquetes, generadores de tráfico, probadores de red y un gran registro de pruebas exigentes de conformidad. RapidIO incorpora sistemas operativos sólidos, Linux, OFED, análisis de protocolo, diagnóstico de sistema y varias plataformas de servidores. Tiene un gran historial de conformidad con Gen1, mientras que la conformidad con Gen2 está en marcha. Sigue habiendo limitaciones para el sistema operativo Windows, VMware, soluciones de adaptación de redes, dispositivos NPU y opciones de soporte para plataformas de almacenamiento.

Conclusión
El esfuerzo de rediseño para pasar de 10 GbE a 40 GbE abre estas oportunidades greenfield para las estructuras de interconexión competidoras, que buscan un lugar en los servidores empresariales, centros de datos, computación en nube y computación de alto rendimiento. Entre los competidores, RapidIO Gen2, con su caudal de 20 Gbps, es un rival fuerte. Los diseñadores de sistemas que pueden aprovechar ecosistemas de RapidIO más pequeños y menos maduros pueden pasar a los 20 Gbps utilizando conmutadores, puentes PCIe y cualquiera de las soluciones de CPU integrada disponibles en la actualidad. Los beneficios incluyen una solución de sistema de nivel de operador tolerante a los fallos, fiable y altamente escalable con un coste de sistema extremadamente bajo. También ofrece niveles considerablemente más bajos de consumo de energía y de latencia, con control de flujo y QoS superiores.

Autor:

Trevor Hiatt, director de productos en IDT.

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