白皮书:10GigE 和 25GigE 常见问题解答

常见问题

10GigE(又名 10 Gigabit Ethernet)是 1GigE(1 Gigabit Ethernet)的后继产品,后者是机器视觉应用的领先接口。 10GigE 作为后继产品,提供与 1GigE 相同的所有优势,但数据速率增加了十倍,从而导致帧速率增加了十倍。 25GigE 更进了一步,数据速率和帧速率提高了 XNUMX 倍。

10GigE 和 25GigE 与 1GigE 一样,是已存在多年的行业标准的一部分,由 IEEE 802.3 工作小组。 该标准用于电信、数据通信、工业、军事等应用,现在我们将这一全球公认的跨行业技术的优势用于机器视觉应用。

什么是 10GigE/25GigE?

是的。 GigEVision(机器视觉特定接口标准)无论其版本如何都支持 10GigE 和 25GigE 相机。 更高版本添加了一些额外的 10GigE 特定元素,这些元素对于使用各种 GigE Vision 兼容软件(例如 NI Labview、MVTec Halcon、Norpix StreamPix、Matrox MIL、Cognex VisionPro 等)的 Emergent 相机的操作并不重要。

10GigE 可用的最大带宽为 10Gbps 或 1,250 Mbytes/s,而 25GigE 可用的最大带宽为 3,125Mbytes/s,这是业界最快的单链路解决方案。

毫无疑问,10GigE 和 25GigE 都被认为是新的 SDI,因为 Broadcast 正在迅速放弃传统的 SDI 接口,转而采用基于以太网的技术。 Broadcast 的流媒体技术是 SMPTE 2110,Emergent 相机是一种固件升级,不支持该技术以无缝接入各种 Broadcast 应用程序。 今年 Emergent 相机将添加 SMPTE 2110 和 RCP 功能。

使用 GigE 等强大标准的最重要好处之一是,多个行业的多家公司提供了种类繁多的组件。 布线选项也不例外。 10GigE 的两个主要连接器选项是 SFP+ 和 RJ45。 RJ45 是较短电缆长度的不错选择,因为这种解决方案的功耗可以额外增加 2W 的功率来运行完整的 100m,这在我们试图使相机更紧凑时成为一个问题。 SFP+ 是最灵活的选择,并且有意识地将功耗保持在最低水平。 对于 25GigE,该标准定义了 SFP28,它与多速率交换机或其他设备中的 SFP+ 完全兼容。

使用 SFP+ 或 SFP28 接口主要提供三个选项,涵盖所有应用的电缆长度要求。 第一个也是最便宜的选择是直接连接,这是一种基于铜的无源解决方案,这些单根电缆的电缆长度范围为 1m 到 10m。 第二种选择使用 SFP+ 或 SFP28 多模光纤模块/收发器和 LC-LC 多模光纤电缆,这种三段式电缆的电缆长度范围为 1m 至 300m。 第三种选择使用SFP+或SFP28单模光纤模块/收发器和LC-LC单模光纤电缆,这种三片式电缆的电缆长度从1m到几十公里不等。

这些布线选项的价格范围非常低,因为它们在多个行业中大量使用,这与某些使用机器视觉特定布线选项的接口技术不同。

白皮书:10GigE 和 25GigE 常见问题解答 - 电缆选项

如前所述,10GigE 和 25GigE 机器视觉应用的组件被用于多个行业,这使得此类技术的供应商能够进行批量交易,从而导致成本更低——远远超过机器视觉特定接口和技术,后者也发现自己在争先恐后围绕尝试找到适合应用程序的组件,当可用时,有时只有一个或几个供应商在起作用,这允许他们决定价格。

此外,10GigE 的采用率已经超过了近十年前 Emergent 推出其首款 10GigE 相机型号时的预测。 该接口现在在很大程度上主导着数据中心和许多其他应用程序,这反过来又压低了价格。 25GigE 已经在许多行业中得到很好的应用,并且是一个受到与电信和数据中心相关的主要行业大力推动的标准。

这些行业不喜欢 40GigE,迫切希望 25GigE 能够填补以太网速度范围的空白,同时还具有建立更高速度接口的链路速度,例如 100GigE,即简单的 QSFP28(四路 25GigE)。

对于相机,价格与性能成正比。 与机器视觉特定接口(如 USB、CoaXPress (CXP) 或 CameraLink)相比,所有 Emergent 相机定价通常在性价比方面更好。

10GigE Emergent 相机的功耗约为 7W,与同等性能的相机一样好或更好。 在 25GigE 时,功率仅上升到约 9W,这对于同等性能的相机来说同样好或更好。 这种功耗远不是由接口驱动的,而是由如此高数据速率所需的 FPGA 处理驱动的。

这是一个非常重要的话题,因为在 Emergent 首次推出其 10GigE 相机系列 10 年后,一些相机供应商刚刚发布了 10GigE 相机,他们正在学习性能方面的宝贵经验。

当我们的相机在 10 年前首次推出时,Emergent 意识到计算机对性能接收器技术的需求,并与 Myricom 合作创建了一个完全 CPU 卸载的解决方案,称为 MVA 或机器视觉加速器。

最近,Emergent 还与 Mellanox 合作,通过 Mellanox 的 VMA 或 Mellanox 的消息加速器实施相同的技术,以支持 25GigE NIC 和更高的网络接口卡。

这种技术的好处是:

  1. 最大化每台 PC 的摄像头数量
  2. 极低的 CPU 利用率(2Gbps 视频流的单 CPU 内核开销为 9%)
  3. 最小化系统内存带宽
  4. 极低的延迟(请参阅下面的测试结果部分)
  5. 极低的抖动(请参阅下面的测试结果部分)

第一个项目符号主要是第 2 点和第 3 点的结果。 该软件采用 DMA 或直接内存访问从 NIC(网络接口卡)到系统内存,无需数据包标头,因此将完整的视频帧放入连续的内存位置,而无需 CPU 或系统内存交互,因为数据复制或其他 NDIS 内核绕过活动。

我们的客户向我们反馈的关于竞争性 10G 摄像头技术的局限性包括即使是一台摄像头也会出现丢包和丢帧的问题。 此外,其中一些竞争对手已经向客户公开确认,他们没有在每台 PC 上测试超过 2 个摄像头。 我们的许多客户依靠我们的可靠性来在每台 PC 上运行多达 8-14 个摄像头。 Emergent Vision Technologies 多年来一直为我们的客户提供可靠、功能齐全的多相机系统。 此外,每台计算机更多的摄像头大大降低了整体系统成本。

所有这些同样适用于 Emergent 25GigE 相机,Mellanox 的 25GigE 双端口 NIC 接管了这些更高速度的应用程序,并且价格与 Myricom 10GigE 双端口 NIC 大致相同。

什么是 Mellanox 的 VMA 和 Myricom 的 MVA,它们如何影响性能?

  • 超高数据/帧速率
  • 许多附件和布线选项可覆盖任何长度
  • 摄像机网络支持和精确的多摄像机同步方法,包括 PTP 支持
  • 组播视频技术
  • 使用 Myricom 的 MVA 和 Mellanox 的 VMA 实现低 CPU 开销、低延迟、低抖动
  • 每台 PC 性能的最高摄像头数量
  • 极具竞争力的成本/性能
  • 由于 IEEE 和 AIA 标准化而获得行业认可

利用 Myricom 的 MVA 或 Mellanox VMA,我们获得了以下结果。 在 3595Gbps 线路速率(10x2044x1088 字节 x2 位/8Gbps = 10us)下的理论传输时间为 3595us,我们基于 3000 帧样本大小在 Windows 和 Linux 上实现了以下结果。 延迟自然是图像大小的函数,因此与 10G 速率相比,以 1G 速率运行就已经提供了十倍的延迟改进。 然后我们将注意力转移到延迟的增加(或开销)贡献上,我们可以通过从实际值中减去理论值来看到,实际值被视为下面两个直方图的平均值,这样在 Windows 上 3752us-3595us = 157us 增加的延迟是非常适合 Windows。 对于 Linux,我们得到更好的 3665us-3595us = 70us 增加延迟。

对于 Windows 和 Linux,标准偏差和抖动也非常好,分别约为 +/-30us 和 +/-15us。 使用 MVA 或 VMA,10GigE 优于 1GigE 和许多其他依赖操作系统协作的接口技术——即使这些技术包括当前最先进的驱动程序技术。 因此,为了获得最佳性能,请使用带有 Myricom MVA 或 Mellanox VMA 的 Emergent 相机。

对于 25GigE,延迟提高了 2.5 倍,这意味着上面提供的示例大约为 1438us。

什么是抖动和延迟 10GigE 和 25GigE 这与 1GigE 相比如何

Emergent 10GigE 和 25GigE 摄像头与 Myricom 的 MVA 或 Mellanox 的 VMA 相结合,在每个技术类别中等同于或优于其他接口,并且其性价比是最好的。 使用 VMA 或 MVA,所有与 1GigE 相关的 CPU 利用率、延迟和抖动相关的缺点都被消除了。 行业认可度也很高。

10GigE和25GigE与其他接口相比如何?

有必要发表一些评论来证明这里的结论,读者可以同意或进一步验证,因为我们总是建议那些进行购买的人,尤其是在阅读来自其他销售驱动来源的信息时,其中包括通常直接或间接资助的杂志文章由给定接口技术的支持者。

带宽:

在这里,最接近的竞争对手是 CXP。 自然地,10GigE 可以成为 CXP6 和 CXP12 的竞争对手,在这种情况下,10GigE 具有比 CXP6 更高的带宽,但仅略微落后于 CXP12。 如果客户需要高于 10GigE 的速度,则将使用 25GigE,这将使 CXP12 的带宽翻倍。

我们理所当然地提供 10GigE 和 25GigE 以满足客户对各种分辨率和帧速率的需求。

如果我们不解决 CXP 的多链路功能的概念,那就太失职了。 当然,添加多条电缆可以提高速度。 人们将遇到的主要因素是由于更高等级的相机、电缆和图像采集卡产品而大大增加了成本,尤其是在需要长电缆、需要昂贵的光纤适配器并且每个链路都需要单独的链路时。光纤适配器 CXP 通道。 这里要注意的一件事是传感器需要时间来赶上速度,因为几乎没有比 25GigE 更高速度的有价值的传感器,所以现在暂时放下昂贵的 CXP12 x4 链路,当传感器准备就绪时,这还需要几年的时间,然后我们将有一个低成本的单链路解决方案。

电缆长度:

在这里,最接近的竞争对手是 CXP。 低成本商品 SFP+ 和 SFP28 收发器可创建几乎无限的链路长度。 相比之下,CXP6 和 CXP12 将分别达到 72m 和 30m,但可以通过上述昂贵的光纤适配器走得更远。 区分 SFP+/SFP28 收发器和 CXP 或 CameraLink 光纤适配器很重要。 收发器是低成本的商品,可直接插入相机和 NIC,而光纤适配器是昂贵而笨重的外部硬件(通常与相机本身大小相同甚至更大),由极少数供应商生产,它们介于两者之间相机 CXP 或 CameraLink 电缆和光纤链路,有趣的是,它们使用与 Emergent 相机直接在相机中使用的相同 SFP+ 收发器。 而且,自然地,您在链路的每一端都需要一个光纤适配器,因为采集器通常具有与相机相同的接口。

标准支持:

在 IEEE 的支持下,这对于以太网技术来说是一个轻松的胜利,而 GigEVision 对 AIA 的支持更是强调了这一点。 现有的任何以太网技术也可用于机器视觉或广播应用。 排在首位的是:通用网络、PTP、组播、SMPTE 2110 和许多其他预定义协议。

行业采用:

在这里,我们考虑在所有行业中采用接口技术,而不仅仅是在机器视觉这个相对较小的单一行业中。 从这个角度来看,毫无疑问首选界面是什么,以及什么将推动产品可用性、定价和技术进步。

CPU 使用率/延迟/抖动:

Emergent 与 Mellanox 和 Myricom 的合作伙伴关系帮助其获得了与业内顶级图像采集卡同等的性能,但价格却有很大的折扣。

价格表现:

这通常归根结底,我们邀请客户从我们的竞争对手那里获得完整的系统报价,并绝对确保执行技术尽职调查,然后在承诺任何解决方案之前比较所有结果。 这对于推销其昂贵的 CXP 产品的竞争对手以及提供 10GigE 或其他基于以太网的摄像头的竞争对手来说同样重要,因为这不仅与技术有关,还与实施和支持的质量有关。

总之,在获取比较报价时,请确保至少将 10GigE 与 CXP6 x1/x2 或 CXP12 x1 进行比较,并将 25GigE 与 CXP6 x4 或 CXP12 x2 进行比较。

此外,与我们的 NIC 相比,您应该了解图像采集卡中每个 PCIe 插槽有多少个相机通道。 我们提供多达 2 个 25GigE 端口卡,相当于 CXP6 x8 卡或 CXP12 x4,假设 CXP 卡具有独立的相机通道支持。

最后,了解您的布线选项,尤其是电缆长度限制,因为如果需要 CXP 光纤转换器,这些可能会显着增加成本。

Emergent的解决方案支持 窗户7 / 8 / 10 Ubuntu, 红帽CentOS Linux 使用我们的 eCapture 查看器软件和我们的 eSDK。

是的。 我们的相机遵循 GigE Vision 标准,因此无论以太网速度如何都兼容。

当使用 Emergent 驱动程序并将其与 Mellanox 或 Myricom NIC 结合使用时,可获得最高性能,而第三方软件通常提供使用我们的低级驱动程序通过 GenTL 技术或其他专有方式进行帧捕获的能力。

电缆、交换机、网络接口卡——仅举几例。

许多公司长期以来一直在使用带有 SFP+ 接口的工业模块和机箱刀片,这非常适合可扩展的分布式处理架构。

下图非常清楚地显示了各种应用对 10GigE 和 25GigE 的采用情况。

请注意 1GigE 是如何悄悄退出市场的,而 10GigE 和 25GigE 都占据了不可否认的市场据点。 另请注意,大部分连接器/电缆技术是 SFP+(用于 10G)和 SFP28(用于 25G),而不是 10GBaseT/RJ45 或其他基于铜的以太网技术,因为主要参与者认为这是遗留问题并拒绝开发这种性质的新产品. 这是由于 BaseT 技术的功耗较高,而且 BaseT 与多速率交换机或 SFP+ 和 SFP28 可以共存的其他技术不兼容。

我们注意到,对于 < 10m 的短距离运行,可以使用 SFP+/SFP28 兼容的基于铜的直接连接布线,其功耗非常低。

服务器数据速率部署(来源:Discerning Analytics, LLC)

服务器数据速率部署(来源:Discerning Analytics, LLC)

PTP 方法通常用于 Emergent 相机。 EVT_PTP eSDK 示例可用于启动您的开发。 通过开关和适当的主控配置,可以同步到亚微秒精度。 在过去 10 年中,交换机的价格大幅下降,因此您不必担心成本影响。 也就是说,如果同步精度要求不在 10 微秒范围内,则 PTP 不需要交换机和硬件大师。

此外,Emergent 提供标准的 GPIO 配件选项,允许用户通过外部硬件触发相机,通过一些用户提供的硬件信号触发,并达到亚微秒精度。

另请参阅无开关同步: https://emergentvisiontec.com/resources/

EVT_Mcast/EVT_Mcast_Master 和 EVT_Mcast/EVT_Mcast_Slave eSDK 示例可用于启动您的开发。

一般来说,一个摄像头的视频可以通过一个低成本的交换机发送到多个接收器。 接收器通常会在这些类型的应用程序中执行以下操作:它们可能只是为了监控目的接收和显示视频,它们可能处理数据以允许分布式处理架构,它们可能将图像文件保存到 RAID 存储,或者它们可能可以通过合适的服务器性能来完成所有这些事情。

一台计算机通常是多播主机,因此您可以在那里运行一种形式的 EVT_Mcast_Master。 此应用程序控制摄像机并可选择接收视频数据。 一台或多台其他计算机将运行一种形式的 EVT_Mcast_Slave 来接收和处理视频数据。

一般来说,任何 GigEVision 兼容软件都应该与 Emergent 相机配合使用,因为 Emergent 相机已被 AIA 认证为符合 GigEVision 标准。 我们已经使用许多第 3 方软件进行了测试,例如 NI Vision Acquisition Toolbox、MVTec Halcon、Norpix StreamPix 6、Matrox MIL、Cognex VisionPro 等。Emergent 还提供购买相机的免费软件:eCapture 是我们的免费查看器软件,eSDK是我们的 C++ SDK,用于轻松开发高性能应用程序。

具有可用 PCIe x8 或 x16 插槽的标准计算机将在各种操作系统中支持 Mellanox 和 Myricom NIC。 华硕的非常简单且便宜的迷你台式机有一个可用的 x16 PCIe 插槽,可用于开发。 Sonnettech Echo Express SE III 等紧凑型扩展机箱可用于固定 NIC 并通过 Thunderbolt 3 连接回笔记本电脑。

高摄像头数量的应用程序通常会采用具有许多可用 PCIe 插槽的 Supermicro 或 Asus 系统。

最终系统将仅取决于需要多少图像处理以及数据/帧速率。 对于处理器密集型应用程序,可以使用运行 CUDA 或第 3 方 FPGA 卡的 NVidia GPU/视频卡。 由于来自 Mellanox 或 Myricom NIC 的数据具有极低的开销,这使得系统可以轻松地将此数据传输到 GPU 以进行进一步处理。

总之,借助 Emergent 相机和主机技术,我们为您的应用提供了成功的最佳机会。

10 年前,Emergent 推出了世界上第一台 Area Scan 10GigE 相机,从那时起就被认为是超高速以太网相机的先驱。 最近,Emergent 推出了世界上第一款 25GigE 区域扫描相机以及世界上第一款 10GigE 和 25GigE 线扫描相机。 这已被 Vision Systems Magazine 授予金奖和白金奖,并获得 NABSHOW 颁发的 2019 年相机类别年度产品奖。

现在,10 年后,相互竞争的相机公司看到了对高速以太网相机技术的需求。 有些人试图推出他们自己的 10GigE 相机,但他们一直在努力解决性能问题,从而将他们的许多客户带到了我们这里。 我们多年的技术经验在业内是无与伦比的。 我们的产品非常成熟可靠,集成这种高速技术可为客户节省时间和金钱。

Emergent 提供开发您的系统和应用程序所需的所有基本配件。

我们提供您可能需要的所有 SFP+ 布线选项,例如直接连接电缆(即 SFPDA-3M)、光收发器(即 XCVR_SR = 多模或“短距离”、XCVR_LR = 单模或“长距离”)和适用于多模和单模应用的 LC-LC 光缆。 单模光纤通常用于超过 300m 的长距离应用,因此请联系 Emergent 了解您的要求)。

我们提供来自合作伙伴 Mellanox 和 Myricom Inc 的单端口和双端口 10G 和 25G 网络接口卡。

最后,我们提供 GPIO 和电源选项来完成您的集成需求。

我们是满足您 10GigE 和 25GigE 机器视觉应用需求的一站式商店。

网络交换机在某些人认为的稳健安装中发挥着更大的作用,并且由于跨行业使用,多相机设置中此类设备的成本被认为很低并且正在下降。 使用开关的主要原因有以下三个:

PTP分配

在这里,可以轻松地将一个高精度 PTP 主时钟分配给通过交换机连接的所有设备。

相机/设备复用

像 HR-10-SC 这样的 10 个 12000GigE 摄像头可以多路复用到单个 100GigE 链路上,返回到装有单端口 100GigE NIC 的服务器。 这对于某些使用服务器的系统来说是必需的,这些服务器具有用于容纳 NIC 的有限 PCIe 插槽。 考虑到在每台 PC 10 个摄像头的应用程序中,这将需要 5 个双端口 10GigE NIC,这会增加服务器成本,因为插槽数量增加,此外 5 个双 10G NIC 与 1 个单 100G NIC 的成本增加。 请注意,Emergent 的 100G NIC 也将具有与上述同类产品相同的性能优势。

冗余

考虑到多路复用点,考虑如果具有 100G NIC 的单个服务器变得不可用,那么快速切换到类似的冗余服务器将允许几乎为零的停机时间。 还要考虑使用更少的高速链路(如 0x 1G 与 100x 10G)执行冗余需要更少的交换机端口。