10GigE 와 25GigE에 대한 Q&A
Emergent
10GigE/ 25GigE 란 무엇인가
10GigE(10 Gigabit Ethernet)은 머신 비전 애플리케이션을 위한 인터페이스인 1GigE(1 Gigabit Ethernet)의 후속 제품이다. 10GigE는 기존 제품인 1GigE와 동일한 이점을 제공하지만 데이터 속도가 10배 증가하여 프레임 속도가 10배 증가됐다. 25GigE는 한 단계 발전하여 프레임 속도를 25배 증가시켰다.
1GigE와 마찬가지로, 10GigE 및 25GigE는 수년 전부터 산업 표준의 일부이며 IEEE 802.3 작업 그룹에 따라 관리, 제작된다. 이 표준은 텔레콤, 데이터 통신, 산업, 군사 등의 애플리케이션에 사용되며 이제는 머신 비전 애플리케이션에서 세계적으로 모든 산업에 통용된다.
GigEVision은 10GigE 및 25GigE을 지원하는가
GigEVision(머신 비전 스펙 인터페이스 표준)은 버전에 관계없이 10GigE 및 25GigE 카메라를 지원한다. NI Labview, MVTec Halcon, Norpix StreamPix, Matrox MIL, Cognex VisionPro 등과 같은 다양한호환 소프트웨어를 갖춘 Emergent 카메라는 GigE Vision 지원을 기본으로 한다.
10GigE 및 25GigE의 대역폭은
10GigE에 제공되는 최대 대역폭은 10Gbps 또는 1,250MB/s이고 25GigE는 3,125MB/s다. 업계에서 가장 빠른 단일 링크 솔루션이다.
10GigE 및 25GigE는 방송용으로 적합한가
방송분야는 이더넷 기반 기술을 위해 SDI 인터페이스로 빠르게 바꾸고 있기 때문에, 10GigE 및 25GigE는 모두 새로운 SDI로 적용된다. 방송용 스트리밍 기술은 SMPTE 2110 이며, Emergent 카메라는 다양한 방송 애플리케이션으로 원활하게 드롭할 수 있는 펌웨어 업그레이드를 할 수 있다. Emergent 카메라에 SMPTE 2110 및 RCP 기능도 추가될 예정이다.
10GigE 및 25GigE의 케이블 옵션과 최대 케이블 길이는
GigE와 가장 중요한 장점 중 하나는, 다양한 컴포넌트가 있다는 점이다. 케이블링 옵션도 마찬가지다. 10GigE의 두 가지 주요 커넥터 옵션은 SFP+ 와 RJ45 가 있다. RJ45는 짧은 케이블 길이에 적합한 옵션이다. RJ45는 100m 전체를 구동하기 위해 2W의 전력이 추가할 수 있기 때문에, 카메라를 더 콤팩트 하게 만드는데 약간의 문제가 된다.
반면 SFP+는 유연성 있는 옵션이며 전력소비를 최소로 유지한다. 25GigE의 경우 다중 스위치 또는 기타 장비에서의 SFP+와 완전히 호환되는 SFP28를 표준 스위치로 정의한다. SFP+ 또는 SFP28 인터페이스를 사용하면, 모든 애플리케이션의 케이블 길이 요구사항을 충족하는 세 가지 옵션을 제공한다.
첫째 옵션은 가장 저렴한 구리 기반 패시브 솔루션 Direct Atach이며, 이 케이블의 개당 길이는 1m에서 10m이다. 두번째 옵션은 SFP+ 또는 SFP28 다중 모드 섬유 모듈/트랜시버 및 LC-LC 다중 모드 섬유 케이블을 사용한다. 이 3 피스 케이블의 길이는 1m에서 300m까지다. 세번째 옵션은 SFP+ 또는 SFP28 단일 모드 섬유 모듈/트랜시버 및 LC-LC 단일 모드 섬유 케이블이다. 이 3 피스 케이블의 길이는 1m에서 수십 킬로미터이다.
케이블링 옵션의 가격대는 대량으로 여러 산업 분야에 사용되기 때문에 매우 낮다.
10GigE 와 25GigE의 비용 효과는
10GigE 및 25GigE 머신 비전 애플리케이션의 컴포넌트는 특정 인터페이스와 기술보다 비용이 훨씬 적게 든다.
10GigE 인터페이스는 다양한 애플리케이션 분야에 적용되고 있어 가격이 인하됐다. 25GigE는 이미 많은 산업 분야에서 확립되어 있어 통신 및 데이터 센터 등 주요 산업을 주도하는 표준이다. 산업들은 40GigE를 선호하기보다는 이더넷의 속도범위에서 빈 공간을 메우기 위해 25GigE를 원하는 비율이 높고 QSFP28(쿼드 25GigE)인 100GigE와 같은 고속 인터페이스를 구축할 수 있는 링크 속도를 추구한다.
10GigE 및 25GigE의 전력 소비량은
10GigE Emergent 카메라의 전력 소비량은 약 7W로 동일한 성능의 카메라보다 우수하다. 또한 25GigE에서도, 전력은 약 9W로만 상승한다. 이 전력 소비는 인터페이스 보다는 데이터 속도에서 요구되는 FPGA 처리에 의해 정해진다.
Mellanox의 VMA 와 Myricom의 MVA 란
Emergent는 10년전 출시 당시, 컴퓨터에서 수신기 기술의 필요성을 인식하고 Myricom과 제휴하여 MVA(Machine Vision Accelerator)라고 하는 CPU 오프로드 솔루션을 만들었다. 최근 Emergent는 Mellanox와 파트너십을 맺고 Mellanox의 VMA 또는 Mellanox의 Messaging Accelerator와 동일한 기술을 구현하여 25GigE NIC 이상을 지원하고 있다.
이러한 기술의 장점은 다음과 같다.
1. PC 당 카메라 수의 극대화
2. 매우 낮은 CPU 사용률(9 Gbps 비디오 스트림의 경우, 2% 단일 CPU 코어 오버 헤드)
3. 시스템 메모리 대역폭 최소화
4. 매우 낮은 대기 시간(테스트 결과는 아래 섹션을 참조)
5. 매우 낮은 지터(테스트 결과는 아래 섹션을 참조)
이 소프트웨어는 패킷 헤더없이 NIC(network interface card)에서 시스템 메모리로 DMA 또는 직접 메모리 액세스를 사용한다. 따라서 데이터 복사 또는 기타 NDIS 커널 바이 패스 활성으로 인해 CPU 또는 시스템 메모리 상호 작용이 필요없이 비디오 프레임을 연속 메모리 위치에 배치할 수 있다.
Emergent는 멀티 카메라 시스템을 제공해 PC 당 더 많은 카메라 구성이 가능하여 전체 시스템 비용을 크게 줄일 수 있다. 이는 모든 Emergent 25GigE 카메라에 동일하게 적용되며, Mellanox의 25GigE 이중 포트 NIC는 이러한 고속 애플리케이션을 대체할 수 있다. 가격은 Myricom 10GigE 이중 포트 NIC와 거의 동일하다.
애플리케이션에 10GigE 및 25GigE를 사용하면 어떤 이점이 있는가
- 초고속 데이터/프레임 속도
- 모든 길이를 커버할 수 있는 여러 액세서리 및 케이블링 옵션
- 카메라 네트워크 지원 및 PTP 지원을 포함한 정확한 멀티 카메라 동기화 방법
- 멀티 캐스트 비디오 기술
- Myricom의 MVA 및 Mellanox의 VMA의 낮은 CPU 오버 헤드, 낮은 대기 시간, 낮은 지터
- PC 성능 당 최대 카메라 수
- 매우 경쟁력 있는 비용/성능
- IEEE 및 AIA 표준화로 인한 업계 수용
10GigE 및 25GigE의 지터 및 대기시간이란 무엇인가 그리고 이것은 1GigE와 어떻게 비교되는가
Myricom의 MVA 또는 Mellanox VMA를 사용하여, 10Gbps 회선속도(2044 x 1088 x2 by tesx 8bits/ 10Gbps= 3595us)에서 이론적 전송 시간 3595us 와 3000 프레임 샘플 크기를 기반으로 Windows 및 Linux에서 다음과 같은 결과를 얻는다. 대기 시간은 이미지 크기의 함수이므로 1G 속도와 비교하여 10G 속도로 실행하면 이미 10배의 대기 시간이 향상된다.
그 후 Windows 경우, 3752us - 3595us = 157us 에서 대기 시간이 추가되도록 실제 값(아래 두 히스토그램의 평균)을 빼면 알 수 있다. Linux의 경우 더 나은 3665us - 3595us = 70us 시간이 추가된다. 표준 편차와 지터도 Windows와 Linux에서 각각 약 +/-30us 와 +/-15us로 매우 우수하다. MVA 또는 VMA를 사용하는 10GigE는 1GigE 및 운영 체제 인터페이스 기술을 사용한다. 따라서 최고의 성능을 위해서는 Myricom MVA 또는 Mellanox VMA와 함께 Emergent 카메라를 사용해야 한다. 25GigE의 경우, 대기 시간이 2.5배 향상되었으므로 위에서 제공된 예에서 약 1438us를 의미한다.
10GigE와 25GigE는 다른 인터페이스와 어떻게 비교되는가
Emergent 10GigE 및 25GigE 카메라는 Myricom의 MVA 또는 Mellanox VMA와 결합하여 모든 기술 범주에서 다른 인터페이스 보다 성능이 뛰어나다. VMA 또는 MVA를 사용하면 1GigE, CPU 사용률, 대기 시간 및 지터와 관련된 단점이 없어지며 어플리케이션의 수용성도 우수해진다.
대역폭
가장 가까운 경쟁상대는 CXP이다. 10GigE는 CXP6에 보다 대역폭이 높지만 CXP12보다 약간 느리다. 고객이 10GigE보다 높은 속도를 필요로 하는 경우 CXP12의 대역폭을 두 배로 늘리는 25GigE가 사용할 수 있다. 여기서는 CXP의 다중 링크 기능 컨셉에 대한 언급은 피한다. 당연히 여러 케이블을 추가하면 속도를 높일 수 있으나, 이것으로 인해 발생하는 주요 요인은 고급 카메라, 케이블 및 프레임 그래버 제품으로 인해 추가되는 비용으로 이어진다.
특히, 긴 케이블을 사용하면 값 비싼 광섬유 어댑터가 필요하고 각 링크에 대해 별도의 광섬유 어댑터 CXP 채널이 필요하다. 여기서 주목해야 할 점은 센서를 따라잡을 시간이 필요하다는 것이다. 25GigE보다 빠른 속도의 센서는 거의 없다.
케이블 길이
저렴한 상품 SFP+ 및 SFP28 트랜시버는 사실상 무제한의 링크 길이가 가능하다. CXP6 및 CXP12는 각각 72m 및 30m를 달성하지만 고가의 광섬유 어댑터를 사용하면 더 길게 할 수 있다. SFP+/SFP28 송수신기와 CXP(혹은 CameraLink 광섬유 어댑터)를 구별하는 것이 중요하다.
CXP의 트랜시버는 카메라와 NIC에 직접 슬롯에 장착하는 저가형 상용 제품이며, 광섬유 어댑터는 고가의 부피가 큰 하드웨어(종종 카메라 자체와 동일하거나 더 큰 크기)이다. 카메라 CXP 또는 CameraLink 케이블과 광섬유 링크 중간에 위치한다. CXP는 흥미롭게도 Emergent 카메라가 카메라에 직접 사용하는 것과 동일한 SFP+ 트랜시버를 사용한다. CXP 그래버는 일반적으로 카메라와 동일한 인터페이스를 갖기 때문에 링크의 각 끝에 하나의 광섬유 어댑터가 필요하다.
표준 지원
모든 이더넷 기술은 머신 비전 또는 방송용 애플리케이션에도 적용할 수 있다. 일반적인 네트워킹, PTP, 멀티 캐스트, SMPTE 2110 및 기타 정의된 프로토콜 목록이 있다.
산업 채택
Emergent는 머신 비전 뿐만 아니라 산업 전반의 인터페이스 기술채택을 고려하고 있다. 선호되는 인터페이스가 무엇인지에 따른 제품 가용성, 가격 및 기술 발전을 이끄는 요소를 적용한다.
CPU 사용량/지연시간/지터
Emergent와 Mellanox 및 Myricom과의 파트너십으로 프레임 그래버의 성능이 탁월해졌으며 가격 다운에도 큰 도움이 되었다.
가격 구조
Emergent는 고객이 경쟁 업체와 견적을 받도록 권유한다. 기술 실사를 수행한 다음 솔루션에 적용하기 전에 결과를 비교하는 것이 좋다. 기술 구현 및 지원 품질도 중요하다. 견적에서 최소한 10GigE가 CXP6x1/x2(또는 CXP12x1)와, 25GigE가 CXP6x4(또는 CXP12 x2)와 비교하면 좋다.
또한 NIC와 비교하여 프레임 그레버의 PCIe 슬롯 당 카메라 채널 수를 알아야한다. CXP 카드가 독립적인 카메라 채널을 지원한다고 가정을 했을 때, Emergent는 CXP6 x8 카드 또는 CXP12 x4에 해당하는 최대 2x 25GigE 포트 카드를 제공한다. CXP 파이버 변환기가 필요한 경우 케이블 길이에 따라 비용이 크게 추가될 수 있으므로 케이블 옵션도 알아야 한다.
지원하는 운영 시스템은
Emergent 솔루션은 eCapture 뷰어 소프트웨어와 eSDK를 통해 Windows 7/8/10과 Ubuntu, RedHat 및 CentOS Linux를 지원한다.
10GigE 및 25GigE 카메라는 GigEVision 호환 소프트웨어와 함께 작동하는지
Emergent의 카메라는 GigE Vision 표준을 따르므로 이더넷 속도에 관계없이 호환된다. 속도는 Emergent 드라이버를 사용하고 Mellanox 또는 Myricom NIC와 함께 사용할 때 최고의 성능을 얻을 수 있다.
10GigE 및 25GigE에 사용할 수 있는 표준품은
케이블, 스위치, 네트워크 인터페이스 카드 등이다. 많은 기업이 사용하는 SFP+ 인터페이스가 있는 산업용 모듈 및 새시 블레이드는 확장이 가능하고 분산된 프로세싱 아키텍처에 매우 적합하다.
10GigE 및 25GigE의 채택율은
아래 차트는 다양한 애플리케이션에서 10GigE 및 25GigE 채택을 매우 명확하게 보여준다.
10GigE와 25GigE 모두가 시장에서 확고한 위치에 있지만 1GigE는 그 입지가 좁아지고 있다. 또한 커넥터/케이블 기술 대부분은 SFP+(10G) 및 SFP28(25G)이다. 10GBaseT/RJ45는 이더넷 기술이 아니다. BaseT 기술은 전력 소비가 높고 다중 속도 스위치 또는 SFP+와 SFP28이 공존할 수 있는 호환성이 부족하다. Emergent는 10m 미만의 짧은 작동에서 구리 기반의 직접 연결 케이블과 호환되는 SFP+/SFP28를 사용할 수 있으며 이때 전력소비는 매우 낮다.
여러 개의 카메라와 동기화는 어떻게
Emergent 카메라는 EVT_PTP eSDK 예제를 사용하여 개발을 시작할 수 있다. 그랜드 마스터 구성으로 마이크로 초 미만의 정확도로 동기화 할 수 있다. 비용에 대한 영향은 걱정할 필요가 없다. 동기화 정확도 요구 사항이 10s에 대해 ms 범위에 있지 않으면 PTP에는 스위치 및 하드웨어 그랜드 마스터를 필요로 하지 않는다.
Emergent는 표준 GPIO 옵션을 제공한다. 카메라를 트리거 할 수 있으며 마이크로 초 미만의 정확도로 작동할 수 있다. 스위치리스 동기화 참조: htps://emergentvisiontec.com/resources/
멀티 캐스트 기술이 Emergent 카메라와 어떻게 작동할까
EVT_Mcast/EVT_Mcast_Master 및 EVT_Mcast/EVT_Mcast_Slave eSDK 예제를 사용하여 개발하면 된다. 한 개의 카메라로부터 비디오를 저비용 스위치를 통해 여러 수신기로 보낼 수 있다. 수신기는 비디오를 수신 및 표시, 분산 처리 아키텍처를 위해 데이터를 처리, 이미지 파일을 RAID 저장소에 저장하는 등 모든 작업을 수행할 수 있다.
일반적으로 한 대의 컴퓨터는 멀티 캐스트 마스터이므로 EVT_Mcast_Master 형식을 실행할 수 있다. 이 애플리케이션은 카메라를 제어하고 선택적으로 비디오 데이터를 수신한다. 한 대 이상의 다른 컴퓨터는 비디오 데이터를 수신하고 처리하는 EVT_Mcast_Slave 형식을 실행한다.
10GigE 또는 25GigE 카메라에 어떤 소프트웨어를 사용할 수 있는가
모든 GigEVision 호환 소프트웨어는 Emergent 카메라와 함께 작동한다. NI Vision Acquisition Toolbox, MVTec Halcon, Norpix StreamPix 6, Matrox MIL, Cognex VisionPro 등과 같은 많은 타사 소프트웨어를 테스트한 결과다. Emergent는 카메라 구매 시 무료 소프트웨어를 제공한다. eCapture는 무료 뷰어 소프트웨어이며 eSDK는 성능 애플리케이션 개발을 위한 손쉬운 고C ++ SDK이다.
10GigE 및 25GigE를 지원하는 컴퓨터는
PCIe x8 또는 x16 슬롯이 있는 컴퓨터는 Mellanox 및 Myricom NIC를 지원한다. Asus의 매우 간단하고 저렴한 미니 데스크탑에는 x16 PCIe 슬롯이 있다. Sonnetech Echo Express SE III와 같은 소형 확장 섀시를 사용하여 NIC를 잡고 Thunderbolt 3을 통해 랩톱에 다시 연결할 수 있다.
여러 개의 카메라를 사용하는 애플리케이션은 PCIe 슬롯이 많은 Supermicro 또는 Asus 시스템을 사용한다. 시스템은 필요한 이미지 처리량과 데이터/프레임 속도에 따라 달라진다. 프로세서 집약적인 애플리케이션의 경우 CUDA 또는 타사 FPGA 카드를 실행하는 NVidia의 GPU/비디오 카드를 사용할 수 있다. Mellanox 또는 Myricom NIC에서 도착하는 데이터는 매우 낮은 오버 헤드를 제공하므로 시스템에서 이 데이터를 GPU로 쉽게 전송할 수 있다.
Emergent가 제공하는 10GigE 및 25GigE의 액세서리는
Emergent는 시스템 및 애플리케이션을 개발하는 데 필요한 모든 기본 액세서리를 제공한다.
Direct Attach 케이블(예: SFPDA-3M), 광 트랜스시버(예: XCVR_SR = 다중 모드 또는 "짧은 범위", XCVR_LR 단일 모드 또는 "긴 범위") 그리고 다중 모드 및 단일 모드 애플리케이션을 위한 LC-LC 광섬유 케이블과 같은 필요한 모든 SFP+ 케이블링 옵션을 제공한다.
단일 모드 광섬유는 일반적으로 300m 이상의 장거리 애플리케이션에 적합하므로 요구 사항에 대해서는 Emergent에 문의하면 된다. Emergent의 파트너인 Mellanox와 Myricom이 단일 및 이중 포트의 10G 및 25G 네트워크 인터페이스 카드를 제공한다. 마지막으로 통합 요구 사항을 충족하기 위해 GPIO 및 전원 공급 장치 옵션을 제공한다.
설치시에 스위치를 언제 사용하는가
네트워크 스위치를 사용해야하는 세 가지 주요 이유는 다음과 같다.
PTP 분배
스위치를 통해 단일 고 정밀 PTP 그랜드 마스터 클록을 연결된 모든 장치에 쉽게 분배할 수 있다.
카메라/디바이스 멀티플렉싱
HR-12000-SC와 같은 10x 10GigE 카메라는 단일 포트 100GigE NIC를 보유한 서버로 다시 단일 100GigE 링크로 다중화 될 수 있다. 이는 NIC를 보유하는 제한된 PCIe 슬롯이 있는 서버를 사용하는 일부 시스템에 필요하다. PC 애플리케이션 당 10대의 카메라에서 5x 듀얼 포트 10GigE NIC가 필요하다는 점을 고려해야 한다. 5x 듀얼 10G NIC 대 1x 단일 100G NIC의 추가 비용과 함께 더 높은 슬롯 수로 인해 서버 비용은 증가된다.
중복성(redundancy)
멀티플렉싱 포인트를 염두에 두고 100G NIC가 있는 단일 서버를 사용할 수 없는 경우, 스위치가 있으면 유사한 중복 서버로의 빠른 전환으로 사실상 0의 가동 중지 시간이 실현된다. 또한 10x10G에 비해 1x100G와 같이 더 낮은 링크속도로 중복성을 수행하려면 적은 수의 스위치 포트만 있으면 된다.
자료 제공: Emergent(www.emergentvisiontec.com)
