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Herausforderung Systemkonfiguration

Systeme am Edge konsolidieren

14. Mai 2021, 08:30 Uhr   |  Von Zeljko Loncaric, Marketing Engineer bei Congatec

Systeme am Edge konsolidieren
© Pixabay | Weka Fachmedien

Mit steigender Anzahl an Cores können Unternehmen Kosten sparen, indem sie ihre Embedded-Systeme auf eine einzige Edge-Computing-Plattform reduzieren. Hierfür ist es nötig, Cores und virtuelle Maschinen (VMs) optimal auszubalancieren. Am besten gelingt das mit dem Kombinieren von CoMs und VMs.

Je mehr automatisiert, vernetzt und digitalisiert wird, desto mehr Aufgaben kommen auf die Embedded-Systeme in Geräten, Maschinen und Cobots zu. Bislang geschlossen betriebene Embedded-Systeme entwickeln sich zum Gateway und zur zentralen Kommunikationsinstanz ihrer »Wirte« und müssen nicht mehr lediglich die eigentlichen Anwendungen steuern. Sie sind zunehmend interaktiv und vielschichtig und können beispielsweise zugeführte Werkstücke automatisch annehmen und verarbeiten – außerdem arbeiten sie mit Menschen zusammen. Sie erkennen Gegenstände um sich herum und analysieren verschiedene Dinge. Zusätzlich kommunizieren, berichten und optimieren sich heutige Embedded-Systeme konstant – vorab simuliert am digitalen Zwilling. Sie erhalten weiterhin Funktions-Updates und Sicherheits-Patches und bitten um Wartung – all das aus der Ferne.

Embedded-Systeme übermitteln ebenfalls getane Arbeitsleistung für die Subscription Economy – und das fälschungssicher, denn der Gebrauch ist bei Pay-per-Use exakt und fehlerfrei abzurechnen. Zudem analysieren Unternehmen die gesamte Kommunikation mit dem Ziel, wer oder was auf welche Dinge zugreift. Techniker müssen Anomalien in der Kommunikation erkennen und Domains sicher verwalten. Wichtig ist das vor allem bei Anwendungen, die sicher abschalten müssen, wenn etwas schief geht, um Leib und Leben zu sichern. IP-Manipulation und -Diebstahl sind zwingend zu verhindern – all das sind große Herausforderungen für OEMs.

Vernetzung in Echtzeit

So ist es heute im IT-Sektor Stand der Technik, daraus entstehende Einzelaufgaben in Containern zu implementieren. Sie ermöglichen oberhalb des Host-Betriebssystems eine Kapselung; so können IT-Spezialisten den Zugriff auf diese Funktionen entsprechend einstellen. In vielen Anwendungen unterschiedlicher Industrien reicht das jedoch nicht aus. Oft muss ein Echtzeitsystem parallel zur weniger echtzeitkritischen Kommunikation laufen – zudem sind die Systeme bis hin zum dezentralen Sensor oder Aktor zunehmend in Echtzeit vernetzt, meist über Time Sensitive Networking (TSN) sowie mittels »TSN over 10BASE-T1L« bis hinunter auf die Sensorebene. Zur Standardisierung und zur barrierefreien Kommunikation ist das ideal.

Speziell für große Fabriken und die Prozessindustrie ist das IP-basierte Vernetzen in Echtzeit interessant. Über die Zweitdrahtleitung für das Internet-Protokoll lassen sich nicht mehr allein 100 Meter, sondern mehrere Kilometer entfernte Geräte ansprechen. So sind alle Geräte und Maschinen über IP vernetzbar und können in Echtzeit barrierefrei kommunizieren. Die Daten der Geräte laufen dann IIoT-konform ebenfalls in den Edge Servern auf und können beispielsweise in passenden Containern für Big-Data-Analysen bereitgestellt werden.

virtuelle Maschinen
© Congatec

Bild 1: Mit der Kombination aus virtuellen Maschinen und steigender Anzahl an Cores können Unternehmen Kosten sparen, indem sie ihre Embedded-Systeme auf eine einzige Edge-Computing-Plattform reduzieren.

Computer-Module flexibel einsetzen

Unternehmen wollen nicht länger alles in zentralen Clouds speichern. Viel Analytik lässt sich heute bereits vor Ort durchführen. Gleiches gilt für die meisten anderen genannten Aufgaben, die aufgrund der Digitalisierung und Vernetzung entstehen. Lediglich eines ist mit den Containern nicht zu managen: Anwendungen, die deterministische Echtzeit erfordern und garantiert nicht von anderen Rechenprozessen gestört werden dürfen. Hierzu ist echtzeitfähige Hypervisor-Technik wie der RTS-Hypervisor von Real Time Systems nötig. Der Embedded-Spezialist Congatec bietet ihn auf all seinen Computer-on-Modules (CoMs) bereits voll validiert als Standard-Option an.

Interessant sind solche Installationen vor allem bei Prozessoren mit vielen Cores, da sie ebenso viele unterschiedliche Konfigurationen ermöglichen. Theoretisch kann auf jedem Core eine eigene virtuelle Maschine (VM) laufen, deren Betriebssystem unabhängig von dem der anderen Cores bootet (Bild 1). AMDs Ryzen-Embedded-V2000-Prozessoren, die Congatec auf seinen COM-Express-Typ-6-Modulen anbietet, bieten hierfür beispielsweise bis zu acht Cores, die 16 Threads unabhängig voneinander parallel betreiben können. Generell lässt sich ein solcher Ansatz jedoch genauso bereits mit Dual-Core-Systemen verwirklichen. Setzt ein Entwickler sein Design auf Basis von CoMs auf, kann er je nach Konsolidierungsfortschritt die Anzahl der Cores skalieren und so das Embedded-System optimal ausbalancieren – allein mit dem Austausch des Moduls.

Starter Kit für das Konsolidieren von Echtzeit-Workloads
© Congatec

Bild 2: Congatec bietet ein Starter Kit für das Konsolidieren von Echtzeit-Workloads an. Es beinhaltet ein COM-Express-Typ-6-Modul mit Intel-Xeon-E2-Prozessor sowie den RTS Hypervisor von Real-Time Systems.

Konsolidieren von Workloads in Echtzeit

Congatec möchte Entwicklern einen möglichst komfortablen Einstieg in solch modulare Edge Server ermöglichen. Aus diesem Grund hat das Unternehmen gemeinsam mit Intel und Real Time Systems ein Entwicklungs-Kit für das Konsolidieren von Workloads entwickelt (Bild 2). Es ist als Intel-zertifiziertes Ready for Production (RFP) Kit verfügbar. Das Kit eignet sich insbesondere für die nächste Generation von bildbasierten kollaborativen Robotik- und Automatisierungssteuerungen sowie für autonome Fahrzeuge, die mehrere Aufgaben parallel ausführen. Es basiert auf einem COM-Express-Typ-6-Modul mit einem Xeon-E2-Prozessor von Intel und integriert drei virtuelle Maschinen. So ist die Plattform in der Lage, beispielsweise eine Systemanwendung neu zu starten, während die Echtzeitanwendung auf einer anderen virtuellen Maschine völlig unbeeinflusst weiterläuft. Ein solches Szenario ist mit einem unter Windows gehosteten Hypervisor oder Container nicht möglich.

Systemkonsolidierung auf Multi-Core-Modulen
© Congatec

Bild 3: Systemkonsolidierung auf Multi-Core-Modulen ist beispielsweise für Fertigungszellen interessant, in denen früher mehrere Robotersteuerungen dezentral gehalten wurden.

Time Sensitive Networking

Darüber hinaus macht es die Einführung von 5G und 10+-GbE-Netzwerken nötig, Echtzeitverarbeitung in taktilen Internetumgebungen durchzuführen. Vor diesem Hintergrund wurde das Kit für zeitkritische Netzwerke (TSN) entwickelt. TSN erfüllt hierbei viele Standards, zum Beispiel Time Aware Shaping (TAS), virtuelle LANs über Ethernet (IEEE 802.1q) sowie Echtzeitsynchronisation über das Precision Time Protocol (PTP). Ein Synchronisieren zwischen den Knoten erfolgt hier über PTP, wobei die Zeit von einem Master vorgegeben wird.

Zeljko Loncaric
© Congatec

Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei Congatec.

Die Clock eines jeden Slaves kann eine hochgenaue Synchronisation im zweistelligen Nanosekundenbereich erreichen, der Slave auf Basis der Clocks zeitgestempelte Pakete versenden. So sind PTP-Netzwerke in die Lage zu versetzen, sich mit der gleichen Genauigkeit zu synchronisieren. Nutzt der Anwender in dem Fall eine 1219-Intel-Ethernet-Schnittstelle, sind keine zusätzliche dedizierte Hardware oder proprietäre Anwendungen erforderlich. Denn die Taktsynchronisation ist vollständig auf der Standardkomponente basierend umsetzbar.

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