[論文レビュー] From truck to optical fibre: the coming-of-age of eVLBI

Arpad Szomoru, A. D. Biggs+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2004

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、eVLBIをディスクベースのデータ転送からリアルタイムの光ファイバー伝送へ移行させることに成功し、JIVEで初の3ステーションリアルタイム相関を達成した。高帯域幅・低遅延のIPベースネットワークが、信頼性の高いニアインスタントVLBI相関を可能にすることを確立し、より効率的で一時的天体源への対応性に優れた完全リアルタイムの高感度EVNの実現に道筋を示した。

ABSTRACT

Spurred by the advent of disk-based recording systems and the nearly explosive increase of internet bandwidth, eVLBI (Parsley et al. 2004) has undergone a remarkable development over the past two years. From ftp-based transfers of small amounts of astronomical data, through near real-time correlation (disk-buffered at the correlator), it has culminated this spring in the first three telescope real-time correlation at JIVE (Onsala, Westerbork and Jodrell Bank). In this paper we will give a review of this development and the current state of affairs. We will also address the current limitations and the way we may improve both bandwidth and reliability and finally we will discuss the opportunities a true high-bandwidth real-time VLBI correlator will provide.

研究の動機と目的

• 無線電波望遠鏡と中央相関器間の高速データ転送に、IPルーティングされた光ファイバー網を用いたリアルタイムeVLBIの実現可能性を示すこと。
• 長距離ネットワークにおける高スループットVLBIデータストリームの送信に影響を与える技術的課題、特にTCP/UDPプロトコルのチューニング、バッファ管理、パケット損失回復の対策を提示すること。
• テープベースからリアルタイムeVLBIへの移行がもたらす運用的・科学的利点、すなわちデータ処理の迅速化、コスト削減、信頼性の向上を評価すること。
• 今後のVLBIネットワークにおける継続的1 Gbps以上のデータレートがもたらす影響を検討し、ALMA や SKA といった次世代機器との統合を含む可能性を検討すること。
• 国際的な複数の望遠鏡を用いてエンドツーエンドのシステム性能と信頼性を実証することで、完全リアルタイムで波長スイッチング可能なEVNの基盤を築くこと。

提案手法

• 従来のテープベースVLBIに代わって、専用の光ファイバー網を介したIPベースのデータ転送を実施するため、Mark5ディスクベース記録システムを採用した。
• TCPおよびUDPプロトコルを用いたデータ送信を実施し、コントロールウィンドウ、バッファサイズ（txqueuelen）、選択的アキュラックノウリッジ（sack）の無効化、およびジュンボフレーム対応（9000バイトMTU）による性能最適化を実施した。
• スループットと信頼性を測定するために、iperfを用いたネットワークストレステストおよび、望遠鏡（例：Westerbork、Onsala、Arecibo）とJIVE相関器間での実データ転送を実施した。
• UDPパケット損失に対処するため、パケットの再順序化とギャップ補填機構を実装し、速度を損なわずにデータ整合性を確保した。
• 32–64 Mbpsのデータレートを用いたエンドツーエンドのリアルタイム相関実験を実施し、例えばWesterbork–Arecibo基線でフレアが正常に検出された。
• ネットワーク性能を継続的に監視し、フィードバックループを用いてデータフローを最適化することで、ニアインスタントなデータ処理と遅延の低減を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 Gbpsを超えるデータレートを有するIPベースの光ファイバー網を用いて、リアルタイムeVLBIを実現できるか？
• RQ2 長距離ネットワークにおけるTCPおよびUDPの性能特性が、VLBIデータ送信の信頼性とスループットに与える影響は何か？
• RQ3 eVLBIにおける高速・低遅延データ転送を実現するために、特に重要なネットワークチューニングパrameter（例：バッファサイズ、MTU、インテリジェントコalescence）は何か？
• RQ4 EVNにおけるテープベース記録からリアルタイム光ファイバー伝送への移行が、運用的・科学的利点をもたらすか？
• RQ5 マルチギガビットスループットのeVLBIと完全リアルタイムで波長スイッチング可能なEVNを実現するために、どのようなインfraストラクチャおよび技術的進歩が求められるか？

主な発見

• 2004年春にJIVEで初の3望遠鏡リアルタイム相関が成功した。対象はOnsala、Westerbork、Jodrell Bankであり、eVLBIの成熟を象徴する出来事であった。
• Westerbork–Arecibo基線で32 Mbpsで横断大西洋フレア検出に成功し、Onsala–Westerbork間でも64 Mbpsの実験が実施された。
• 特に高速リンクにおいては、選択的アキュラックノウリッジ（sack）の無効化とバッファサイズの増加により、スループットが最大20–30%向上した。
• ジュンボフレーム（9000バイトMTU）はスループットを顕著に向上させたが、すべてのネットワーク機器でエンドツーエンドでの対応が必須であり、当時では普遍的ではなかった。
• Westerbork、Onsala、Torunでは1 Gbps回線、Jodrell BankおよびAreciboでは155 Mbps回線を用いて安定したリアルタイムデータ転送が可能になった。Jodrell Bankには2.5 Gbpsへのアップグレードが計画されている。
• eVLBIにより、データ輸送遅延が100%削減され、物理的テープの取り扱いや輸送の必要性がなくなることで、運用コストが顕著に削減された。