De aanwezigheid van Ethernet in ons leven heeft de weg geëffend voor de opkomst van het Internet of Things (IoT). Ethernet heeft alles om ons heen en daarbuiten met elkaar verbonden, van slimme huizen en bedrijven tot industrieën, scholen en overheden. Deze specificatie is zelfs terug te vinden in onze voertuigen, waardoor de communicatie tussen interne apparaten wordt vergemakkelijkt. Ethernet heeft krachtige computerdatacenters mogelijk gemaakt, industriële processen en handel versneld, en is wereldwijd in huishoudens te vinden. Ondanks de vooruitgang in Ethernet-technologie, met de opkomst van 800G Ethernet en de standaardisatie van 1.6T Ethernet, blijft high-speed Ethernet boven 100G een zeldzaamheid in edge computing. Dit artikel onderzoekt hoe 100G Ethernet edge computing mogelijk maakt en beschrijft toepassingen en ontwerpuitdagingen voor IP-ontwerpers.

Snelheidsvereisten voor edge computing

"The Edge" verwijst naar elke gegevensbron die uiteindelijk terechtkomt in een datacenter of cloudverwerkingsparadigma. Voorbeelden zijn camera's en sensoren, mobiele apparaten, vele soorten voertuigen, routers en schakelaars, en zelfs slimme apparaten die mogelijkheden hebben om gegevens te verwerken en gegevens te verzamelen/delen. Hoewel het misschien contra-intuïtief lijkt, is de edge zowel wazig als dynamisch. Als gegevensaggregatie of -verwerking aan die perimeter plaatsvindt, hebben we het over edge computing. De proliferatie van edge-apparaten heeft een snelle groei doorgemaakt met machines, sensoren en meters, mobiele en draagbare apparaten, en de voortdurende acceptatie van AI in transport-, thuis- en grootstedelijke technologieën. Volgens Vantage marktonderzoek, "Global Edge Computing Market wordt gewaardeerd op USD 7.1 miljard in 2021 en zal naar verwachting in 49.6 een waarde van USD 2028 miljard bereiken bij een CAGR (Compound Annual Growth Rate) van 38.2% over de prognoseperiode 2022-2028." De betrokken apparaten kunnen veel vormfactoren en architecturen hebben, maar laten we eens kijken naar een individuele server als representatief voor hen.

Fig. 1: Paden naar de wolk vanaf de rand.

Servers gebruiken meestal een gedeelde PCIe-bus om netwerkinterfacekaarten (NIC's) aan te sluiten, en computers die PCIe 3.0 gebruiken, zijn de eerste generatie met een bus die snel genoeg is met 8 GT/s per baan om 100 G Ethernet-adapters te ondersteunen die een x16-link gebruiken (unidirectionele 16 GB/s of 128 Gb/s). Met PCIe 4.0 ondersteunt een 8-baans slot een 100G-adapter op volle snelheid. Dat is een goede plek voor de machines van vandaag, omdat x8-slots meestal beschikbaar zijn op een PCIe-bus. Zelfs met de komende generatie PCIe 5.0/CXL 1.1- of 2.0-systemen past een datasnelheid van 100G comfortabel op een gedeelde PCIe-bus, tenzij ontwerpers parallelle berekeningen proberen te versnellen met maximale bandbreedte en minimale latentie voor communicatie tussen processen (IPC) , zoals ontwerpers nodig hebben voor HPC-clusters.

Tabel 1: PCIe-snelheden als functie van versie en aantal lanes (totaal weergegeven BW is bidirectioneel)

Edge-apparaten zijn over het algemeen ontworpen om de hoeveelheid gegevens die stroomopwaarts moet worden overgedragen, voor te verwerken, te comprimeren en te verminderen. Zelfs als u over de benodigde hoeveelheid post-processed data beschikt om de datasnelheid van 100G bij de individuele serververbinding volledig te benutten, moet het allemaal nog worden geaggregeerd voor datacentergericht verkeer over een zich concentrerende set routers en switches. Bovendien kunnen die architecturen niet te veel gelijktijdige verbindingen met volledige bandbreedte bedienen, tenzij ze uplinks hebben die een aanzienlijk veelvoud zijn van de individuele poortsnelheden. Een 32-poorts 100G Ethernet-switch moet bijvoorbeeld al dat verkeer stroomopwaarts sturen. Link Aggregation Control Protocol (LACP) kan worden gebruikt om meerdere poorten voor een verbinding samen te voegen, maar zelfs dat protocol is beperkt tot acht poorten voor een bepaalde verbinding. Het gebruik van LACP met een switch met een vaste radius verhoogt snel de kosten van infrastructuur en bekabeling door het aantal downstreamverbindingen dat het apparaat kan bieden snel te verminderen. Wi-Fi-verbindingen zijn allemaal afzonderlijk ruim onder de 1 Gb/s, en zelfs cellulair 5G piekt theoretisch op 20 Gbps, dus 100G op de aggregatielaag bedient die markten goed.

Automotive-toepassingen hebben zelden meer dan 10 tot 25G Ethernet in het voertuig nodig, maar vereisen wel veel van de optionele Quality of Service (QoS) en tijdgevoelige netwerkfuncties die nog niet worden aangetroffen in Ethernet-specificaties met hogere snelheid. Als u een netwerk deelt tussen voertuigbesturingssystemen zoals remmen en een entertainmentsysteem, is het belangrijk om prioriteit te geven aan voertuigbesturing, zelfs als uw kinderen naar een boeiende video kijken. Tijdgevoelige netwerkfuncties, die binnenkort worden ondersteund bij 100G, maken ondersteuning mogelijk voor aggregatie op industriële vloeren, audiovisuele toepassingen, beveiliging, gezondheidszorg en zelfs high-end automotive-toepassingen aan de edge!

Een ander voordeel dat 100G Ethernet biedt, in tegenstelling tot zijn snellere tegenhangers, is ondersteuning voor alle vereiste en vele optionele functies gespecificeerd door de IEEE-standaarden, zoals:

• Alle vereiste functies van de standaard IEEE 802.3/802.3ba-standaard
• IEEE 802.3-standaarden voor 10/25/40/50/100G Ethernet-systemen
• IEEE 802.3br-parameters voor Interspersing Express Traffic
• IEEE 802.1 TSN-functies
• IEEE 1588 Precisiekloksynchronisatieprotocol
• IEEE 802.1-Qav voor audio-videoverkeer (AV).
• Energiezuinig Ethernet (EEE) zoals gespecificeerd in IEEE 802.3az

100G Ethernet is momenteel de hoogste Ethernet-snelheid die over een enkele rijstrook kan worden aangehouden. De derde generatie 100G Ethernet met een enkele 100 Gb/s-baan werd in december 2022 gepubliceerd als IEEE 802.3ck, samen met 200G en 400G Ethernet met respectievelijk twee en vier van die banen, en zal worden ondersteund als 100GBASE-CR voor twinax up tot 2m en 100GBASE-KR voor elektrische backplanes. Door gebruik te maken van architecturen met meerdere rijstroken, kan de 100GBASE-ZR-standaard 100G Ethernet over meer dan 80 km ondersteunen via een DWDM-systeem (Dense Wavelength-Division Multiplexing) met een enkele golflengte! Voor meer kosteneffectieve opties biedt een configuratie met vier rijstroken met 25G NRZ SerDes een betrouwbaar transportmedium.

Beveiliging is belangrijk voor alle netwerkomgevingen, maar het is vooral cruciaal aan de rand waar 100G Ethernet volledig wordt ondersteund MAC sec – oftewel IEEE 802.1AE. MACsec is een versleutelingsmechanisme op de hardwarelaag dat gegevens beschermt en beveiligt door ervoor te zorgen dat de privacywetgeving wordt nageleefd en gegevensdiefstal wordt voorkomen. MACsec kan ook voorkomen dat frauduleuze apparaten worden aangesloten op een netwerk, wat een kritieke bescherming is voor een edge-omgeving die zowel onbeheerd als ongecontroleerd kan zijn. Elke verbinding op een Ethernet-netwerk (host naar host, host naar switch of switch naar switch) zal zowel versleuteld als niet-versleuteld verkeer doorkruisen als de controle over die versleuteling wordt opgelegd aan hogere lagen, maar zodra MACsec is ingeschakeld voor een link, gaat al het verkeer door. die verbinding zal worden beveiligd tegen nieuwsgierige blikken.

Ten slotte gaan de kosten per poort dramatisch omhoog aan de rand van de supersnelle Ethernet-technologie. Het toevoegen van de bekabelingskosten voor ultrasnel Ethernet voor edge-apparaten maakt ze alleen maar veel duurder. Deze factoren spannen samen om van 100G de perfecte top-end match te maken voor alle, behalve de meest geavanceerde computertoepassingen, wat op zijn beurt heeft geleid tot de creatie van een enorme markt, zowel op consumenten- als op professioneel niveau, voor 100G Ethernet-producten - switches en routers, NIC's en kabels, en de concurrentie heeft geholpen om de prijs beheersbaar te houden voor edge-implementaties.

Ontwikkelt u producten als NIC's, switches en/of routers voor de edge-markt, dan biedt Synopsys een complete oplossing voor 100G Ethernet-IP: MAC, PCS en een volledige reeks PHY-opties, samen met IP-verificatie, softwareontwikkeling en IP-prototypingkits. Naast de edge biedt Synopsys ook high-speed Ethernet IP tot 800G vandaag en we werken samen met de verschillende standaardgroepen om 1.6T in de toekomst mogelijk te maken.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://semiengineering.com/100g-ethernet-ip-for-edge-computing/