Facebook為資料中心網路打造開源時間裝置

作者 : Nitin Dahad,EE Times歐洲特派記者

對於5G、汽車、金融服務和電視廣播等現代計時基礎建設而言,時間裝置是很重要的關鍵。所有這些活動強烈地依賴時間的可靠分佈和跨越封包網路的頻率同步...

Facebook的工程師為網路同步工作打造了一個時間裝置(time appliance)並將整個規格開放,此舉可望讓該功能的價格顯著下降。這個在開放運算計畫(Open compute project,OCP)下的專案是以該公司發明的PCI Express (PCIe)規格時間卡(time card)為基礎,幾乎能夠讓所有市面上的伺服器變身時間裝置。

透過OCP社群的協助,Facebook也建立了開放運算時間裝置專案(Open Compute Time Appliance Project),將釋出該開放時間伺服器(Open Time Server)的各方面規格。

 

開放時間伺服器的概念:一般的想法是把一張時間卡透過PCIe連結伺服器,然後透過/dev/ptpX介面來提供一日時間(TOD)。藉由此一介面phc2sys持續地從時間裝置卡上的原子時間和在網路卡上的PTP硬體時鐘(PTP hardware clock,PHC)同步。這提供了<1us的準確度。對於時間裝置卡上的極高精度1PPS輸出,它也會連結到NIC的1PPS輸入,提供<100 ns的精確度。

(資料來源: Open Compute Time Appliance Project)

 

對於5G、汽車、金融服務和電視廣播等現代計時基礎建設而言,時間裝置是很重要的關鍵。所有這些活動強烈地依賴時間的可靠分佈和跨越封包網路的頻率同步。對於現有的時間裝置而言,一個很大的挑戰是等到它們通過各種測試並運作良好的時候,通常技術也已經過時,且容易有軟體安全性方面的顧慮,還有封閉的程式和專屬的硬體設備,使得它們很難以提供服務、維修和更新,而且這些裝置通常是相當昂貴的。

相較之下,已釋出的開放運算時間裝置設計──包含規格、原理圖、機制、物料清單(BOM)和開放原始碼等各方面──都是開源而且能在OPC的大項目下於GitHub平台取得。

此外,一位Facebook發言人告訴《EE Times》,新的時間卡能夠比任何現有的商用解決方案便宜十倍、準確度高三倍而且更小巧)。他指出,現有解決方案的要價約5萬美元左右,而新推出時間卡的價格區間會在1,500到2,000美元之間。

 

時間裝置系統概述:時間卡(淺綠色區塊)包含了GNSS接收器、原子鐘和FPGA;這個時間卡能讓允許任何具備網路卡(NIC)的x86機器變成一個時間裝置。

(圖片來源:Facebook)

 

這個新的時間卡能讓任何配備網路介面卡(NIC)的x86機器擁有時間標記(time-stamping)能力,搖身變成一個時間裝置。無論是執行NTP、PTP、SyncW或其他時間同步標準協議,這個時間卡所提供的準確度和穩定性適用幾乎任何系統使用。

Facebook打造的這張時間卡包含了一個GNSS接收器和一個微小化的原子鐘(atomic clock, MAC),這顯著地減少了對網路連線和衛星訊號的依賴;因為一旦這些訊號消失,可能導致任何依賴它的系統在計時上的中斷或漂移。藉由整合的GNSS接收器和原子鐘,時間裝置的使用者能夠保持準確的時間;即便失去與GNSS的連結,原子鐘也會啟動並維持數小時的時間準確性,直到訊號恢復。

為了在時間卡上執行時間引擎的工作,Facebook採用了一個板載MAC、一個多頻GNSS接收器和一顆FPGA晶片。這個時間引擎的工作是在奈秒(nanoseconds)的時間內,就連續的PPS (pulse per second,每秒脈衝)訊號所需粒度(granularity)進行內插運算(interpolate)。

GNSS接收器除了提供一個1 PPS訊號之外,也提供ToD (一日時間;time of day)。收不到GNSS訊號時,時間引擎會仰賴一個連續脈衝訊號的統計平均值(average ensemble)來與原子鐘進行持續同步。

在FPGA上的時間引擎處理功能區塊,包含許多過濾、同步、偵錯、時間標記和PCIe相關的子系統,讓時間卡成為一個為開放時間伺服器提供準確時間的系統周邊裝置。

Facebook打造了PCIe規格的時間卡,幾乎能夠把任何市面上的伺服器變成時間裝置。(來源: Facebook)

Facebook打造了PCIe規格的時間卡,幾乎能夠把任何市面上的伺服器變成時間裝置。(來源: Facebook)

Facebook表示,能打造一個非常準確、便宜,不受供應商限制的裝置本身就是一項成就。該公司負責參與這個專案的網路硬體工程師Ahmad Byagowi與Oleg Obleukhov在一篇文章中寫道:「無論是科研或是雲端資料中心應用,我們都希望該類裝置能變得自由、開放,且在成本上對每個人而言都是負擔得起。」

他們表示,現在打印PCB與焊接微小零件都不是難事,任何人都能用一個正規時間裝置的一小部份成本,自己動手打造自己的時間卡;「我們也和許多供應商合作,例如Orolia,將製造和銷售時間卡,此外Nvidia也將銷售具備精確計時功能的ConnectX-6 Dx (以及具備精確計時能力的BlueField-2 DPU)。」

他們補充:「我們在www.opentimeserver.com 發布了一個Open Time Server規格,進一步詳細地解釋如何結合硬體(時間卡、網路卡和一個商品化的伺服器)和軟體(OS驅動程式,網路時間協定(network time protocol,NTP),和/或精確時間協定(PTP)伺服器來打造時間裝置。建立一個以此規格為基礎的裝置,將提供工程師完整的控制權限,以維護這個裝置,改善監控活動、配置、管理和安全性。)

責編:Judith Cheng

(參考原文:Facebook Open Sources Time Appliance For Data Center Networks,By Nitin Dahad)

 

 

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