Mit minimalem Overhead Zenoh - ein Netzprotokoll für Echtzeitwelten von Zettascale

Anbieter zum Thema

Google Germany GmbH

DAXTEN GmbH

Data Center Group – Büro Köln

EPS Rechenzentrum Infrastruktur GmbH

In Edge-to-Core-Infrastrukturen nutzt man für den Informationsaustausch insbesondere am User Edge vielfältige, teils veraltete und proprietäre Protokolle. Das führt zu technischen Schwierigkeiten und verzögert entsprechende Projekte. Das Protokoll „Zenoh“ könnte Latenzhürden überwinden und Energie sparen.

Die Märkte für autonome Fahrzeuge (Volumen: etwa 2 Billionen Dollar, jährliche Wachstumsrate 39,1 Prozent), Web-Services (Volumen: 1,6 Billionen Dollar, jährliche Wachstumsrate: 18,8 Prozent) und Robotik (Volumen 568 Milliarden Dollar, jährliche Wachstumsrate 29 Prozent) gehören derzeit zu den wachstumstärksten überhaupt. Sie ähneln sich noch in einem weiteren Punkt: Alle erfordern Echtzeit- oder Near-Echtzeit-Datenstransport.

Die Edge-to-Core- Infrastrukturen, in denen entsprechende Anwendungen laufen, haben in der Regel zentrale Cloud- und periphere (Edge-)Datacenter sowie eine beliebige Menge möglicherweise sehr unterschiedlicher Edge-Devices. Manche von ihnen haben mehr, manche weniger Intelligenz und Bandbreite.

Zu komplexe Protokollstrukturen

Zwischen all diesen Ebenen, insbesondere zwischen den anwendungsnahen, fließen bei Anwendungen mit Echtzeitsteuerung ständig Datenströme. Die für den Datentransport nötigen Protokollstapel können beliebig komplex sein. Jeder Protokollwechsel kostet aber kostbare Zeit.

Der beschriebene Aufbau ist prinzipiell ähnlich, egal, ob es sich um das intelligente oder autonome Management eines Lagers, intelligente Städte oder Häuser oder die Steuerung eines autonomen Roboters handelt.

Heute: Host-orientierte Protokolle

Schwierig wird es immer dann, wenn für eine schnelle Entscheidung Daten benötigt werden, die irgendwo anders in der Infrastruktur lagern. Häufig dauert deren Beschaffung aufgrund der bestehenden Protokollstruktur zu lange oder scheitert ganz und gar. Wichtigster Grund: Die bisherigen Protokolle, beispielsweise IP, arbeiten Host- und nicht datenzentriert.

Genau hier setzt das französische Startup Zettascale mit seinem neuen Protokoll „Zenoh“ (Zero Overhead Network Protocol) an. Es wurde der Presse auf einer Veranstaltung in Madrid von Zettascale CEO/CTO Angelo Corsaro präsentiert. Firmenhistorisch ist Zettascale eine Ausgründung von Adlink und beschäftigt derzeit 60 Mitarbeiter. Ein strategischer Partner und Investor ist die österreichische TTTech Auto. Diese Firma hat das zeitsensitive Ethernet erfunden und ist ein wichtiger Automotive-Zulieferer.

Konzeptioneller Neustart

„Um die Datentransportprobleme in Echtzeit-Edge-Umgebungen zu lösen, haben wir bei Null angefangen“, erläutert Corsaro. Das heißt: Alle bislang als selbstverständlich geltenden Voraussetzungen wurden auf den Prüfstand gestellt.

Unter anderem das Paradigma, dass alle Fäden auf einer zentralen Ressource zusammenlaufen müssen. Auch, dass die Web-Adresse, also der Ort einer Ressource, das entscheidende Merkmal ist, wurde angezweifelt. Denn das hat zur Folge hat, dass man, sucht man etwas, sich von einer Adresse zur nächsten hangeln muss, was wiederum zu komplexen Routing-Tabellen führt.

Datenorientiertes, dezentrales Protokolldesign

Heraus kam nach mehrjähriger Entwicklungsarbeit Zenoh. Das Protokoll ist auf Dezentralisierung zugeschnitten. Es arbeitet Daten-, nicht Host-zentriert. Das heißt, es verabschiedet sich von der IP-Adresse als wichtigem Merkmal. Zenoh nutzt stattdessen das von https und REST bekannte Prinzip 'Publish-Subscribe-Query'.

Zenoh kann mit im Transport befindlichen, zentral oder am Edge – und auch verteilt - gespeicherten Daten umgehen. Dem Protokoll ist es dabei gleichgültig, wo sich irgendwelche gesuchten Daten befinden, weil die Ressource, auf der sie liegen, dies bekanntgibt (Publish) und die Ressource, die die Daten benötigt, diese abonniert (Subscribe) oder recherchiert. Zenoh transportiert sie dann von A nach B, egal, wo sie einer Infrastruktur sie liegen mögen, und auch dann, wenn sie auf mehrere Quellen verteilt sind.

Direkter Transport auf kürzestem Weg

Weil die hierarchischen Adressbäume von IP keine Rolle dabei spielen, müssen die Daten diesen Wegen durch die Hierarchieebenen des Netzes auch nicht folgen. Sie nehmen den kürzesten Weg.

Die Folgen dieses Konzepts sind beträchtlich. Denn die Latenzen verringern sich deutlich. Zudem sinkt wegen der kurzen Wege der Stromverbrauch durch Kommunikation, ein häufig vernachlässigtes Element bei der Entwicklung nachhaltiger digitaler Infrastrukturen.

Daten können anhand ihrer Merkmale überall in der Infrastruktur recherchiert werden, vergleichbar etwa einer Suchmaschine im Internet. Die umständliche Discovery, die andere Protokolle brauchen, vereinfacht sich gravierend.

Außerdem kann das Protokoll in nur einem Frame (Datenpaket) mit minimalem Overhead mehrere Messages transportieren. Der Overhead beträgt nur fünf Bytes. Bei den üblichen Edge-Protokollen wie DDS oder MQTT, mit denen Zenoh in Konkurrenz tritt, ist es umgekehrt: Ein vergleichsweise gigantischer Header wird mit nur einer Nutzlast zusammengespannt. Das ist, als würde man eine Postkarte in einem Zehn-Kilo-Postpaket befördern.

Entlastung zentraler Ressourcen

Durch seine Funktionsweise entlastet Zenoh zentrale Ressourcen, etwa im Edge- oder Core-Datacenter. Denn Daten, die lediglich von einer zu einer anderen Edge-Komponente fließen müssen, dies aber schnellstens, brauchen nun nicht mehr den Umweg über die oberen Netzwerkebenen zu nehmen.

Für die bislang überkomplexen Protokollstapel der Edge-to-Core-Infrastrukturen ist Zenoh eine wirksame Schlankheitskur. Das Protokoll braucht im Netzwerk-Stack nur einen funktionierenden Daten-Link und kommt mit dem meisten Netzwerk- und Transportschichten zurecht.

Anwendungsmöglichkeiten

Ein - derzeit fiktives - Beispiel aus dem Rechenzentrum: Kommunikationsfähige Sensoren, etwa im Datacenter-Rack, könnten ihre Daten bereitstellen, sobald eine andere Infrastrukturkomponente im Rechenzentrum sie braucht.

Beispielsweise ist so eine viel engere und schnellere Feinabstimmung zwischen Energiequellen, Energieverbrauch und Ersatzenergieressourcen im Rechenzentrum als dies bisher möglich war denkbar. Schließlich werden auch im Stromnetz mit seinen zunehmend erneuerbaren Ressourcen insgesamt intelligente Edge-Infrastrukturen und damit verbundene Steuerungsmöglichkeiten immer wichtiger.

Vielleicht sind sogar autonome Datacenter-Betriebsroboter denkbar, die mit den Racks und Geräten beispielsweise in abgelegenen Edge-Rechenzentrum kommunizieren. Fällt ein Teil aus, holen sie sofort und autonom Ersatz aus dem Lager und übernehmen den Austausch. Ist keins mehr da, erfährt das automatisch die Zentrale und schickt den Techniker.

Revolution in der Lagerlogistik

Ein anderes, reales Beispiel: Lagerfahrzeuge wie Gabelstapler und damit auch deren notorisch knappe Fahrer könnten durch einen sich selbst steuernden Schwarm mit Hub und Kommunikationstechnik ausgerüsteter Kufen ersetzt werden. Die Kufen erhalten Aufrufe beispielsweise vom Bestellwesen oder den Regalen, wo etwas zur Neige geht, und setzen sich dann in Bewegung.

Die batteriebetriebenen Geräte könnten sich autonom so koordinieren, dass sie die gewünschten Paletten direkt an den Ort bringen, wo sie benötigt werden, ohne dass ein Mensch eingreifen muss. Die Beladung eines LKW könnte sich dadurch von 45 auf fünf Minuten verkürzen.

Möglich wird das durch Zenoh, das die Kommunikation im Kufenschwarm schnell genug und umwegfrei macht. Ein Münchner Startup, dessen Name hier nicht genannt werden soll, arbeitet gerade an dieser Lösung und ist dabei, einige Komponenten patentieren zu lassen.

Robotik setzt auf Zenoh

Eine andere Erfolgsmeldung für Zenoh kommt aus der Robotik. Roboter nutzen voluminöse, nicht ausreichend komprimierbare Remote-LIDAR (Light detection and ranging oder Light imaging, detection and ranging)-Bilder, um sich zu orientieren. Dafür und für die Kommunikation mit anderen Einheiten kamen bislang konventionelle Protokollstapel zum Einsatz.

Das führte wegen der entstehenden Delays immer wieder zu Roboter-Ausfällen. Weil Zenoh sie nicht produziert, verwendet nun beispielsweise der Roboterhund (siehe: Abbildung oben) von Ghost Robotics dieses Protokoll genau wie der automatische Zug-Prototyp „Lucy“ der Deutschen Bahn.

Die Google-Tochter Intrinsic, die sich mit Robotern und AI befasst und kürzlich das Team von Open Robotics übernahm, fragte seine Anwender, welche Protokolle sie als Middleware bevorzugen. Die meisten wollten Zenoh. Deshalb wird dieses Protokoll nun von ROS (Roboter Operating System) als ROS-Middleware unterstützt.

Autonomes Fahren: Zenoh im Hintergrund

Auch das europäische „Eclipse“-Projekt hat sich für Zenoh entschieden. Es kümmert sich um Technologie für software-definierte Fahrzeuge. Wichtige einschlägige Industrie-Unternehmen sind unter seinem Dach versammelt.

General Motors, eines der Mitglieder, hat sein „uprotocol“ zur Vereinheitlichung und Beschleunigung der Entwicklung von Automotive-Software kürzlich an die Open-Source-Community übergeben. uprotocol arbeitet bislang nur mit Zenoh zusammen.

Web-Plattform für Zenoh

Um den Anwendern das Leben zu erleichtern und natürlich auch um Geld zu verdienen, hat Zettascale zu Zenoh einen Plattformservice aufgebaut. Wer also das Management einer Zenoh-Umgebung nicht selbst übernehmen will, kann dies vollständig an Zettascale übergeben.

(ID:49856028)