Närvaron av Ethernet i våra liv har banat väg för framväxten av Internet of Things (IoT). Ethernet har kopplat ihop allt runt omkring oss och utanför, från smarta hem och företag, till industrier, skolor och myndigheter. Denna specifikation finns även i våra fordon, vilket underlättar kommunikationen mellan interna enheter. Ethernet har möjliggjort högpresterande datacenter, accelererat industriella processer och handel och kan hittas i hushåll över hela världen. Trots framstegen inom Ethernet-teknik, med uppkomsten av 800G Ethernet och standardiseringen av 1.6T Ethernet, är höghastighets-Ethernet över 100G fortfarande en sällsynthet inom edge computing. Den här artikeln utforskar hur 100G Ethernet möjliggör edge computing och beskriver applikationer och designutmaningar för IP-designers.

Hastighetskrav för edge computing

"The Edge" hänvisar till vilken datakälla som helst som i slutändan hamnar i ett datacenter eller molnbehandlingsparadigm. Exempel är kameror och sensorer, mobila enheter, många typer av fordon, routrar och switchar och till och med smarta apparater som har bearbetnings- och datainsamlings-/delningsmöjligheter. Även om det kan verka kontraintuitivt är kanten både suddig och dynamisk – om dataaggregering eller bearbetning sker på den omkretsen talar vi om kantberäkning. Spridningen av avancerade enheter har sett en hastig tillväxt med maskiner, sensorer och mätare, mobila och bärbara enheter, och den kontinuerliga adoptionen av AI inom transport-, hem- och storstadsteknologier. Enligt Fördel marknadsundersökning, "Global Edge Computing Market värderas till 7.1 miljarder USD 2021 och beräknas nå ett värde av 49.6 miljarder USD år 2028 vid en CAGR (Compound Annual Growth Rate) på 38.2 % under prognosperioden 2022-2028." De inblandade enheterna kan ha många formfaktorer och arkitekturer, men låt oss titta på en enskild server som representativ för dem.

Fig. 1: Vägar till molnet från kanten.

Servrar använder vanligtvis en delad PCIe-buss för att ansluta nätverkskort (NIC), och datorer som använder PCIe 3.0 är den första generationen med en buss som är tillräckligt snabb på 8 GT/s per körfält för att stödja 100 G Ethernet-adaptrar med en x16-länk (enkelriktad 16) GB/s eller 128 Gb/s). Med PCIe 4.0 kommer en 8-filig kortplats att stödja en 100G-adapter vid full hastighet. Det är en sweet spot för dagens maskiner eftersom x8-slots vanligtvis är tillgängliga på en PCIe-buss. Även med den kommande generationen av PCIe 5.0/CXL 1.1- eller 2.0-system passar 100G-datahastigheten bekvämt på en delad PCIe-buss, såvida inte designers försöker accelerera parallell beräkning med maximal bandbredd och minimal latens för interprocesskommunikation (IPC) , som designers behöver för HPC-kluster.

Tabell 1: PCIe-hastigheter som en funktion av version och filantal (Totalt BW som visas är dubbelriktat)

Edge-enheter är i allmänhet utformade för att förbehandla, komprimera och minska mängden data som behöver överföras uppströms. Även om du hade den nödvändiga mängden efterbehandlad data för att fullt ut utnyttja 100G-datahastigheten vid den individuella serveranslutningen, måste allt fortfarande sammanställas för datacentervänd trafik över en koncentrerad uppsättning routrar och switchar. Dessutom kunde dessa arkitekturer inte betjäna för många samtidiga anslutningar med full bandbredd om de inte har upplänkar som är en betydande multipel av de individuella porthastigheterna. Till exempel behöver en 32-portars 100G Ethernet-switch skicka all trafik uppströms. Link Aggregation Control Protocol (LACP) kan användas för att aggregera flera portar för en anslutning, men även det protokollet är begränsat till åtta portar för en given bindning. Att använda LACP med en switch med fast radie ökar snabbt kostnaderna för infrastruktur och kablar genom att snabbt minska antalet nedströmsanslutningar som enheten kan tillhandahålla. Wi-Fi-anslutningar är alla individuellt långt under 1 Gb/s, och till och med cellulär 5G når teoretiskt sett en topp vid 20 Gbps, så 100G i aggregeringsskiktet betjänar dessa marknader väl.

Fordonstillämpningar behöver sällan mer än 10 till 25G Ethernet i fordonet, men kräver många av de valfria tjänstekvalitetsfunktionerna (QoS) och tidskänsliga nätverksfunktioner som ännu inte finns i Ethernet-specifikationerna för högre hastigheter. Om du delar ett nätverk mellan fordonskontrollsystem som bromsar och ett underhållningssystem är det viktigt att prioritera fordonskontroll även om dina barn tittar på en engagerande video. Tidskänsliga nätverksfunktioner, som snart kommer att stödjas vid 100G, möjliggör stöd för aggregering på industrigolv, audiovisuella applikationer, säkerhet, hälsovård och till och med avancerade fordonsapplikationer på kanten!

En annan fördel som 100G Ethernet ger, i motsats till dess motsvarigheter med högre hastighet, är stöd för alla nödvändiga och många valfria funktioner som specificeras av IEEE-standarderna som:

• Alla nödvändiga funktioner i basstandarden IEEE 802.3/802.3ba
• IEEE 802.3-standarder för 10/25/40/50/100G Ethernet-system
• IEEE 802.3br-parametrar för Interspersing Express Traffic
• IEEE 802.1 TSN-funktioner
• IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol
• IEEE 802.1-Qav för Audio Video (AV) trafik
• Energieffektivt Ethernet (EEE) enligt IEEE 802.3az

100G Ethernet är för närvarande den snabbaste Ethernet-hastigheten som kan upprätthållas över ett enda körfält. Den tredje generationen av 100G Ethernet som använder ett enda 100 Gb/s körfält publicerades i december 2022 som IEEE 802.3ck, tillsammans med 200G och 400G Ethernet som använder två respektive fyra av dessa banor, och kommer att stödjas som 100GBASE-CR för twinax up till 2m och 100GBASE-KR för elektriska bakplan. Genom att använda flerfilsarkitekturer kan 100GBASE-ZR-standarden stödja 100G Ethernet mer än 80 km över ett tätt våglängdsdelningsmultiplexsystem (DWDM) med en enda våglängd! För mer kostnadseffektiva alternativ ger en fyrfilig konfiguration med 25G NRZ SerDes ett pålitligt transportmedium.

Säkerhet är viktigt för alla nätverksmiljöer, men det är särskilt kritiskt på kanten där 100G Ethernet stöder fullt ut MACsec – aka IEEE 802.1AE. MACsec är en krypteringsmekanism på hårdvara som skyddar och säkrar data genom att säkerställa efterlevnad av integritetslagar och förhindra datastöld. MACsec kan också förhindra oseriösa enheter från att anslutas till ett nätverk, vilket är ett kritiskt skydd för en kantmiljö som kan vara både ohanterad och oövervakad. Varje anslutning på ett Ethernet-nätverk (värd till värd, värd till växel eller växel till växel) kommer att passera både krypterad och okrypterad trafik om kontroll över den krypteringen åläggs på högre lager, men när MACsec har aktiverats för en länk, kommer all trafik på den anslutningen kommer att säkras från nyfikna ögon.

Slutligen ökar kostnaden per port dramatiskt i de utsvävande kanterna av höghastighets-Ethernet-teknik. Att lägga till kabelkostnaden för ultrahöghastighets-Ethernet för edge-enheter gör dem bara så mycket dyrare. Dessa faktorer konspirerar för att göra 100G till den perfekta toppmatchningen för alla utom de mest avancerade datortillämpningarna, vilket i sin tur har lett till skapandet av en enorm marknad, både på konsument- och professionell nivå, för 100G Ethernet-produkter – switchar och routrar, nätverkskort och kablar, och konkurrenterna har hjälpt till att hålla prisnivån hanterbar för edge-distributioner.

Om du utvecklar produkter som NIC, switchar och/eller routrar för kantmarknaden, erbjuder Synopsys en komplett lösning för 100G Ethernet IP: MAC, PCS och ett komplett utbud av PHY-alternativ tillsammans med verifierings-IP, mjukvaruutveckling och IP-prototypkit. Utöver kanten erbjuder Synopsys också höghastighets Ethernet IP upp till 800G idag och vi arbetar med de olika standardgrupperna för att möjliggöra 1.6T framöver.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://semiengineering.com/100g-ethernet-ip-for-edge-computing/