REVISTA DE INGENIERIA DYNA

Metsähovi el primer radio observatorio conectado a 10 Gbps al mundo exterior.
Palabras importantes: {radio observatorio, Metsähovi, 10 Gbps, PlayStation 3, VLBI}
Key words: {Radio observatory, Metsähovi, 10 Gbps, PlayStation 3, VLBI }

Abstracto

Finlandia en los últimos años se ha convertido en un referente mundial en el tema de nuevas tecnologías en telecomunicaciones e ingenierías. Con eso el Radio Observatorio Metsähovi, ubicado a 35 kilómetros de la capital en medio de lagos y zona boscosa, se convirtió el pasado verano en el primer centro de investigación finlandés en contar con un link a 10 Gbits/s pasando por delante a grandes universidades y compañías internacionales y además ser el primer radio observatorio del mundo.

Abstract
Finland is one of the leading countries in the world in communications and networking technologies. Surprisingly last summer the radioastronomy institute of Helsinki University of Technology, Metsähovi Radio Observatory, located 35 kilometers from the capital and outskirted by lakes and forests, became the first Finnish research center to install a 10 Gbit/s fiber optic connection. At the same time, Metsähovi was the first radio observatory in the world to acquire a 10 Gbit connection.

Un nuevo mundo para los astrónomos con las redes de alta capacidad

El radio observatorio Metsähovi es el único centro de Finlandia dedicado a la observación astronómica a frecuencias de microondas. Es un laboratorio de investigación adscrito a la Universidad Tecnológica de Helsinki (TKK), la principal universidad de ingenierías finlandesa.

El centro cuenta con una antena de 14 metros de diámetro con la cual nos permite trabajar con un amplio rango de frecuencias de observación. Dependiendo del sistema receptor instalado varía des de centenares de MHz hasta 90 GHz. Actualmente se desarrollan diversos proyectos internacionales, entre los cuáles destaca: monitorización a largo plazo de Núcleos Galácticos Activos (AGN), seguimiento del resplandor y regiones activas del sol (dirigidos ambos por la directora del centro y miembro del comité astronómico asesor de ESA , Dra. Merja Tornikoski), soporte de software en proyectos espaciales como AMS-02 o Planck y colaboración en las observaciones envueltas en el proyecto Very Long Baseline Interferometry (VLBI) [1].

Precisamente es en este proyecto dónde es requerido un amplio ancho de banda. La principal premisa en VLBI es que radio observatorios ubicados por todo el mundo trabajen conjuntamente para simular una antena telescópica de dimensiones gigantescas. Por eso, las grabaciones efectuadas por cada radio observatorio de modo simultáneo sobre una misma fuente luminosa, situada en el espacio, son procesadas para obtener la correlación resultante entre ellas [2]. Esto implica que los datos obtenidos en cada centro son almacenados localmente y enviados manual o electrónicamente al centro neurálgico dónde se procesan todas conjuntamente.

Según la teoría de VLBI, mayor distancia equivale a mayor apertura en el radio telescopio sintético, obteniendo representaciones de objetos astronómicos más acuradas y con mayor resolución. Evidentemente, para obtener resultados coherentes es necesario la digitalización del ancho de banda utilizado con elevado número de muestras por segundo lo que implica trabajar con una magnitud de volúmenes de data superior a TeraBytes.

Actualmente se requiere en la mayoría de observaciones trabajar con cuotas de grabación entre 256 Mbps a 1024 Mbps, a mayor digitalización de la banda frecuencial mayor resolución obtenida. Pero mirando al futuro se contempla la necesidad de alcanzar cuanto antes los 4 Gbps. "La constante demanda de mejoras en el ancho de banda hace VLBI como una de las aplicaciones más interesantes y precursoras de las líneas multi-Gbps" según Ari Mujunen (Jefe manager en el proyecto VLBI).

Científicos nucleares y radio astrónomos los grandes necesitados de banda ancha

Actualmente los científicos nucleares y los radio astrónomos son de largo los usuarios que requieren un ancho de banda mayor. Los experimentos que se llevan a cargo producen gran cantidad de datos y que normalmente requieren ser procesados en otras ubicaciones dónde son originados.

"VLBI puede fácilmente multiplicar el resultado de satélites espaciales como el Hubble en un factor miles de veces mayor" comenta la directora de Metsähovi Dr. Merja Tornikoski. En contra, gran cantidad de datos tiene que ser manipulados.

En VLBI, el centro de computación se encuentra en Holanda, Joint Institue for VLBI in Europe (JIVE). El instituto se encarga de recolectar todos los datos de los radio observatorios participantes en las sesiones astronómicas y de procesar las cintas gracias a su hardware.

Hasta ahora, para procesar tres o cuatro días de observaciones que se traduce en decenas de terabytes de información era empleado el método tradicional de empaquetar los cintas magnéticas o más recientemente los discos duros y confiar los datos a una empresa de paquetería para llevarlo a su destino. Esto implica varios días de retraso entre las observaciones y cuando realmente se obtiene las gráficas correspondientes de las correlaciones.

Todo este va a cambiar con la transferencia de los datos de VLBI vía red, bajo el nombre de eVLBI . Dónde los datos obtenidos en las estaciones son transferidos en tiempo real o justo al término de las observaciones mediante conexiones de fibra óptica a alta velocidad a su destino.

La luz llegó con la fibra oscura.

El científico senior Jouko Ritakari explica, "hemos estado esperado esta conexión por años, pero hasta ahora suponía un desembolso demasiado elevado para un pequeño laboratorio de apenas 15 trabajadores. Las compañías de telecomunicaciones sólo estaban interesadas en alquilar conexiones de baja capacidad y que no saturasen las actuales líneas existentes".

Todo cambió a finales del año 2005 cuando Metsähovi recibió ayudas económicas de la universidad para alquilar una conexión de fibra óptica oscura des de nuestra ubicación hacia la boca de FUNET en Otaniemi (ubicación de la universidad). Suponían un total de 30 kilómetros de cable óptico. Debido a la enorme cantidad de datos que pueden ser gestionados des de nuestro laboratorio se ha preferido separar del tráfico generado por el campus universitario.

Jouko continua "En principio, nuestro objetivo era conseguir una o dos líneas de conexiones de red a 1 Gigabit/s, pero hablando con los subministradores vimos que el coste de aumentar la capacidad a una línea de 10 Gbps era minúsculo y decidimos actualizarlo sin pensarlo demasiado. Gracias a esto, estamos en una posición realmente ventajosa para cumplir con nuestros objetivos internacionales en materia de eVLBI."

Aún que varios radios observatorios disponían ya de líneas de fibra óptica a 1 Gbps o incluso a 2.5 Gbps, Metsähovi se convirtió durante el verano del 2006 como el primer Radio Observatorio a estar conectado a Internet a 10 Gbps. En la actualidad aún limitadas estaciones de radio observación cuentan con líneas multi-gigabit.

La instalación de la nueva línea se desarrollo de una manera inesperada, destacado por su simplicidad y eficacia. El material, compuesto por un switch Summit-x450 de la casa Extreme Networks [3], llegó por al mediodía del 29 de Julio 2006 y solamente tres horas más tarde ya estaba conectando los ordenadores del laboratorio al mundo exterior.

La prueba de fuego llegó pocos días después cuando Metsähovi participó en un experimento de eVLBI para seguir la posición de la nave espacial de la ESA Smart-1 [4]. Los datos obtenidos fueron capturados y transferidos en tiempo real y correlados con los datos obtenidos en Italia e Holanda para determinar la trayectoria exacta del satélite antes de impactar sobre la superficie lunar el 03 de Septiembre del 2006.

La velocidad sin control no es suficiente

Pero con fibra óptica, amplio ancho de banda y costosos equipos informáticos no es suficiente para alcanzar rápidas transmisiones de datos. Esto es con lo que nos encontramos ya en el año 2002 cuando las primeras transmisiones des de la universidad hacia Holanda solo nos permitían efectuar velocidades de 2 a 10 MBps .

Similar acontecimiento sucedió cinco años después durante la instalación de la línea cuando descarga e transferencias de datos a través de Internet basado en FTP y TCP estaban limitadas a unos 35 MBytes/s. "Los actuales protocolos de Internet basados en TCP no son compatibles con transmisiones a altas capacidades" resalta Jouko Ritakari.

El control de congestión de paquetes es el encargado de gestionar el sistema de retransmisiones de paquetes. Estos se pierden principalmente a cause del denso tráfico en la red o de los equipos receptores. TCP obliga a que el sistema disminuya su velocidad de transferencia hasta 10 veces debido a la espera de los paquetes retransmitidos antes de aceptar los nuevos para mantener un correcto orden.

Evidentemente este nos forzó a cambiar nuestra estrategia de utilizar protocolos TCP para transmitir los datos de las observaciones. Des del 2002, el equipo de ingenieros de Metsähovi ha estado trabajando en desarrollar software para transmisiones a alta velocidad basado en UDP (Universal Data Packet). El software se encuentra dentro de las normas de Open Source [5] i el código fuente es totalmente abierto a los usuarios sobre plataforma Linux y puede ser descargado des de la página Web sourceforge.net, con el nombre Tsunami-UDP [6].

Los resultados hasta ahora no ha podido ser más satisfactorios, simples transferencias usando ordenadores de sobremesa (COTS ) garantizan un aprovechamiento casi integral de la capacidad de la línea y del ordenador. Los experimentos realizados conjuntamente con el observatorio inglés Jodrell Bank Observatory, perteneciente a la universidad de Manchester y Onsala Observatory, el instituto astronómico de Suecia [7]. Han permitido obtener relativamente fácil, cuotas de transferencia alrededor de 940 MB/s sobre líneas de Internet convencionales. Las limitaciones al posible íntegro uso de la capacidad de la línea viene determinado por el uso de bus interno entre tarjetas de red y CPU y por las escasas capacidades de "buffering" y distribución en los switches utilizados para adaptar la fibra óptica con los cables RJ-42.

Futuro retos para el uso total de la conexión

Des de principios de año el equipo de ingenieros de Metsähovi ha estado trabajando intensamente en dos proyectos para explotar las nuevas tecnologías emergentes y además dar un uso extensivo a la conexión de fibra óptica. Esto son el nuevo procesador Cell integrado en la consola de juegos PlayStation 3 y "microcomputadores" basados en placas electrónicas con chip FPGA e interfaz de 10 Gbps integrados.

La llegada de la nueva PS3 no sólo ha sido un deleite para los jugadores de consolas con el objetivo de mejorar calidad, prestaciones y diversión de los juegos. Sino también para los creadores de software y otras aplicaciones que han visto en el nuevo procesador Cell una fuente de procesamiento inexplorado y más poderoso que el actual Intel [8].

Pero por que puede estar interesado un radio observatorio en adquirir PS3 y desarrollar software. Jouko Ritakari apunta: "La correlación de radio señales requiere enorme intensidad computacional y hasta la actualidad se ha usado hardware especializado, con escasas remodelaciones durante los últimos 15 años de funcionamiento." Evidentemente en los últimos años el poder normal de las CPUs ha incrementando de forma exponencialmente y ahora es cuanto ha tomado fuerza de sustituir la vieja maquinaria por súper-computadoras o clúster de PCS.

Una de las metas de Metsähovi es diseñar una alternativa a los costosos equipos construidos hasta ahora y usados en el centro de computación a un sistema basado en dieciséis PS3 conectadas vía Internet y líneas ópticas (a 1 Gbps) para emular un macrocomputador con capacidades de procesación superiores a 100 Gigaflops .

El procesador llamado Cell incorporado en la PS3 es especialmente adecuado por materias de correlación ya que contiene hasta ocho procesadores vectoriales permitiendo trabajar en paralelo y obtener la potencia varias veces superior al conseguido con computadoras basadas con Intel. El correlador de software empleado hasta ahora ha sido diseñado por Adam Deller [9] de la Universidad Tecnológica de Swinburne, DiFX. Nuestras necesidades nos han obligado a exportar el núcleo del software basado en librerías Intel a las usadas por powerpc, como Cell usa, y vectores de 64-bits.

Por otra banda, el diseño de pequeñas y compactas placas para sustituir los actuales grandes y complexos sistemas existentes en el actual radio observatorios es otro de los principales objetivos para el futuro. La captación de señales intergalácticas a través de la antena, el posterior muestreado de éstas y la transmisión binaria de los datos vía redes de fibra óptica es un modo muy simple de comprender el futuro de las observaciones en VLBI.

La digitalización de la mayoría de sistemas electrónicos es un hecho que nos está afectando cotidianamente y los antiguos sistemas análogos de recepción no son un caso aparte. El muestreado digital del ancho de bando captado, el procesado de los datos utilizando chips programables como los FPGA, de Xilinx, y adaptadores de fibra óptica integrados a alta capacidad demuestra ser una vía óptima de emular las necesidades de las estaciones de observación.

Este prototipo, integrado por un chip programable basado en FPGA, memoria RAM e interfaz de 10 Gbps, está siendo desarrollado por la Universidad de Haystack debajo el nombre de iBOB [10]. Con simples modificaciones y con el debido firmware puede fácilmente emular un sistema receptor-transmisor de datos imposible de alcanzar con los actuales procesadores.

Referencias

[1] FELI, Marcello y SPENCER, Ralph E. Very Long Baseline Interferometry: Techniques and Applications, London 1989.
[2] ROMNEY Jonathan D.!"Very Long Baseline Interferometry and the VLBA", ASP conferences serie , June 1995, Vol. 82, páginas 18-36..
[3] http://www.extremenetworks.com/products/summit-x450.aspx
[4] http://www.esa.int/esaCP/SEM2N58ZMRE_index_0.html, http://www.esa.int/SPECIALS/SMART-1/SEMW58BUQPE_0.html
[5] http://www.opensource.org
[6] http://tsunami-udp.sourceforge.net/
[7] CONWAY J. and Metsähovi et al., "Reporto n FABRIC Month 7 Demonstration `eVLBI Fringes with PC-EVN´" Fabric wiki EU deliverables, October 2006.
[8] WILLIAMS S., SHALF J., OLIKER L., KAMIL S. K, HUSBANDS P., YELICK K.. "The Potential of the Cell Processor for Scientific Computing", IBM news report, 2006.
[9] DELLER A.T., et al. DiFX: "A Software Correlator for Very Long Baseline Interferometry Using Multiprocessor Computing Environments", 2006.
[10] http://bee2.eecs.berkeley.edu/

Fotos

El observatorio de Metsähovi se encuentra situado a unos 35 km nord-oeste de Helsinki en medio de zona forestal. La estación se encuentra mitad del año cubierto por nieve.

A la izquierda switch modelo Summit-X450 de la compañia Extreme Networks e instalado el pasado verano 2006. A la derecha prototipos usados como unidades receptoras e transmisoras para los experimentos de eVLBI.