Eine Alternative für hohe Bandbreiten bei Multi-Kamera-Anwendungen ist der direkte Speicherzugriff (RDMA), der die CPU und das Betriebssystem umgeht und die Bilddaten direkt im Speicher des Host-PCs speichert. Dies ist sehr hilfreich bei der Verarbeitung großer Datenmengen in Ethernet-Kameraanwendungen mit hoher Bandbreite.

Die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung wird ständig weiterentwickelt, um den Anforderungen bandbreitenintensiver Anwendungen gerecht zu werden. Das User Datagram Protocol (UDP) hat sich aufgrund seiner Effizienz traditionell für das Streaming von GigE- Vision-Kameradaten bewährt, ist jedoch bei Anwendungen mit höherer Bandbreite wie 10GigE und 25GigE unzureichend in Bezug auf die Flow Control und die Neuübertragung von Paketen. Remote Direct Memory Access (RDMA) ist eine praktikable Alternative für Multi-Kamera-Anwendungen mit hoher Bandbreite und bietet eine robustere und effizientere Datenübertragungsmethode. RDMA umgeht CPU und Betriebssystem und speichert Bilddaten direkt im Speicher des Host-PCs. Dies ist ideal für die Verwaltung großer Datenmengen in modernen Ethernet-Kameraanwendungen mit hoher Bandbreite.

Eliminierung des CPU-Flaschenhalses

UDP für GigE Vision eignet sich für 1GigE und verlässt sich bei der Verwaltung fehlender Pakete auf das Betriebssystem und die CPU. Für höhere Bandbreiten bietet RDMA eine Lösung, indem es eine CPU-freie Datenübertragung zwischen Netzwerkgeräten ermöglicht, sodass Netzwerkadapter Daten direkt in den Speicher des Host-PCs schreiben können.

Der Erfolg von RDMA begann mit Infiniband, das in der Hochleistungsinformatik sehr beliebt ist. Roce v1 (2010) erfüllte die Infiniband-Anforderungen über das Ethernet-Link-Layer-Protokoll, und Roce v2 (2014) erweiterte das Routing über Layer-3-Netzwerke und die Flusskontrolle. Die Anpassung von RDMA an Ethernet bietet hohen Durchsatz, niedrige Latenz, Hardware-Offload, indus­trielle Konnektivität, lange Kabellängen ­über Power over Ethernet (PoE) und Interoperabilität.

Die Implementierung von RDMA über GigE Vision beinhaltet die Anpassung des GigE Vision Stream Protocol (GVSP) durch die Einrichtung eines RDMA-Stream-Kanals über eine zuverlässige Verbindung (RC), ähnlich wie bei einer TCP-Verbindung. GVSP eliminiert GVSP-Header für die Übertragung von Bildnutzdaten, wobei Roce v2 HCA das erneute Senden von Paketen verwaltet. Die Flow Control findet statt, da die Kamera die Pakete bis zur Bestätigung durch den Empfänger (ACK) zurückhält, was den Overhead und die CPU-Auslastung reduziert und von dedizierter HCA-Hardware verwaltet wird.

Nur 0,08 Prozent CPU-Auslastungmit RDMA

Lucid nutzte Roce v2, eine offene Standard-Netzwerktechnologie, und passte sie an GigE Vision an, um die Herausforderungen von UDP beim Erreichen von 10GigE-Bandbreite zu überwinden. Dies reduziert die CPU-Belastung bei der Bilderfassung erheblich, verringert die Latenz bei der Bildübertragung und erhöht den Datendurchsatz. Lucids Tests mit einem typischen Industrie-PC-System zeigen, dass das Streaming von 4x Atlas10 10GigE-Kameras mit RDMA nur 0,08 Prozent der CPU-Leistung beansprucht, verglichen mit 5,38 Prozent mit herkömmlichem GigE Vision UDP. 

Der Kamerahersteller hat vor kurzem die Integration und Verfügbarkeit von RDMA für sein gesamtes Sortiment an Atlas10 10GigE-Kameras bekannt gegeben. RDMA bietet eine optimierte, kopierfreie Bildübertragung über eine 10GigE-Schnittstelle. Die Atlas10 mit RDMA überträgt zuverlässig 1,2 GB/s an ­Daten direkt in den Hauptspeicher und umgeht dabei die CPU und das Betriebssystem.

Lucids RDMA-Implementierung umfasst eine aktualisierte Arena SDK-Version mit RDMA-Unterstützung, ein kostenloses RDMA-Firmware-Upgrade für alle bestehenden Atlas10-Kameramodelle sowie eine Auswahl von zwei kompatiblen, kostengünstigen Dual-Port 1G/10 G PoE+ RDMA-fähigen Netzwerkkarten. RDMA unterstützt Ethernet-basierte Kameras in Anwendungen mit hoher Bandbreite, gewährleistet eine schnellere und zuverlässigere Datenübertragung und stärkt Ethernet als bevorzugte industrielle Schnittstelle für die industrielle Bildverarbeitung.

Autor
Alexis Teissie, Senior Product Manager bei Lucid Vision Labs

„RDMA beschleunigt die Einführung von höheren Übertragungsraten“

Interview mit Alexis Teissie, Senior Product Manager bei Lucid Vision Labs

inspect: Was genau ist RDMA und wofür wird es benötigt?

Alexis Teissie: RDMA steht für Remote Direct Memory Access. Mit RDMA können 10-GigE-Hochgeschwindigkeitskameras Bilddaten direkt an den Hauptspeicher eines PCs senden, ohne dass die CPU oder das Betriebssystem beteiligt sind. Das bedeutet, dass die CPU und das Betriebssystem keine Ressourcen mehr für die Verwaltung der Datenübertragung aufwenden müssen, wodurch CPU-Ressourcen für andere Aufgaben frei werden. 

Moderne Kamera-Firmware und leistungsfähige Kamera- sowie PC-Hardware halten die CPU-Belastung damit auch bei Multi-Kamera-Anwendungen mit 10GigE sehr gering. 

Für welche Anwendungen wird RDMA benötigt, um die CPU-Last zu reduzieren?

Für Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Anwendungen mit hoher Bandbreite bietet RDMA eine optimierte, kopierfreie Bildübertragung, zum Beispiel über eine 10GigE-Schnittstelle. Die Atlas10-Kamera mit RDMA von Lucid zum Beispiel überträgt zuverlässig 1,2 GB/s an Daten direkt in den Hauptspeicher, unter Umgehung der CPU und des Betriebssystems. Dies erhöht den Durchsatz, senkt die Latenzzeit und eliminiert die CPU-Nutzung, die für zuverlässige Multi-10GigE-Kameraanwendungen erforderlich sind. 
 

Was sind die Voraussetzungen für die Nutzung von RDMA?

Die RDMA-Implementierung von Lucid umfasst eine aktualisierte Arena SDK-Version mit RDMA-Unterstützung, ein kostenloses RDMA-Firmware-Upgrade für alle bestehenden Atlas10 - 10GigE-Kameramodelle und eine Auswahl von zwei kompatiblen, kostengünstigen Dual-Port 1G/10G PoE+ RDMA-fähigen Netzwerkschnittstellenkarten.
 

RDMA soll in der 10GigE-Vision implementiert werden. Wann ist die Freigabe geplant?

Es gibt noch kein offizielles Veröffentlichungsdatum, aber als aktives Mitglied des GigE-Vision-Standardisierungskomitees unterstützt Lucid die Integration der RDMA-Technologie in die nächste Version des GigE-Vision-Standards. Wir sind davon überzeugt, dass die Standardisierung dieser Technologie die Einführung von schnelleren Ethernet-Übertragungsraten wie 10GigE, 25GigE und darüber hinaus beschleunigen wird.

In Bezug auf Jitter und Latenz hat RDMA Nachteile im Vergleich zu GigE Vision mit GVSP. Können Sie dies erläutern?

Die Implementierung von RDMA über GigE Vision beinhaltet die Anpassung des GigE Vision Stream Protocol (GVSP) durch die Einrichtung eines RDMA-Stream-Kanals über eine zuverlässige Verbindung (RC), ähnlich wie bei einer TCP-Verbindung. GVSP eliminiert GVSP-Header für Bild-Nutzdatenübertragungen, wobei Roce v2 HCA das erneute Senden von Paketen verwaltet. Die Flow Control findet statt, da die Kamera die Pakete bis zur Bestätigung durch den Empfänger (ACK) zurückhält, was den Overhead und die CPU-Auslastung reduziert und von dedizierter HCA-Hardware verwaltet wird.

Roce v1 (2010) adressierte Infiniband-Anforderungen über das Ethernet-Link-Layer-Protokoll, und Roce v2 (2014) erweiterte das Routing über Layer-3-Netzwerke und die Flow Control. Die Anpassung von RDMA an Ethernet bietet einen hohen Durchsatz, niedrige Latenz, Hardware-Offload, industrielle Konnektivität, lange Kabellängen über Power over Ethernet (PoE) und Interoperabilität.