100G Ethernet IP til Edge Computing

100G Ethernet IP til Edge Computing

Tidsstempel: 9. marts 2023 kl. 3:05
Kildeknude: 2002034

Tilstedeværelsen af ​​Ethernet i vores liv har banet vejen for fremkomsten af ​​Internet of Things (IoT). Ethernet har forbundet alt omkring os og videre, fra smarte hjem og virksomheder til industrier, skoler og regeringer. Denne specifikation findes endda i vores køretøjer, hvilket letter kommunikationen mellem interne enheder. Ethernet har muliggjort højtydende datacentre, accelereret industrielle processer og handel og kan findes i husholdninger verden over. På trods af fremskridtene inden for Ethernet-teknologi, med stigningen i 800G Ethernet og standardiseringen af ​​1.6T Ethernet, er højhastigheds-Ethernet over 100G fortsat en sjældenhed inden for edge computing. Denne artikel undersøger, hvordan 100G Ethernet muliggør edge computing og beskriver applikationer og designudfordringer for IP-designere.

Hastighedskrav til edge computing

"The Edge" refererer til enhver datakilde, der i sidste ende ender i et datacenter eller cloud-behandlingsparadigme. Eksempler er kameraer og sensorer, mobile enheder, mange typer køretøjer, routere og switches og endda smarte apparater, der har behandlings- og dataindsamlings-/delingsmuligheder. Selvom det kan virke kontraintuitivt, er kanten både uklar og dynamisk – hvis dataaggregering eller -behandling finder sted på den perimeter, taler vi om edge computing. Udbredelsen af ​​edge-enheder har oplevet en voldsom vækst med maskiner, sensorer og målere, mobile og bærbare enheder og den kontinuerlige indførelse af kunstig intelligens i transport-, hjem- og storbyteknologier. Ifølge Vantage markedsundersøgelse, "Global Edge Computing Market er vurderet til USD 7.1 milliarder i 2021 og forventes at nå en værdi på USD 49.6 milliarder i 2028 ved en CAGR (Compound Annual Growth Rate) på 38.2 % over prognoseperioden 2022-2028." De involverede enheder kan have mange formfaktorer og arkitekturer, men lad os se på en individuel server som værende repræsentativ for dem.

Fig. 1: Stier til skyen fra kanten.

Servere bruger typisk en delt PCIe-bus til at tilslutte netværkskort (NIC'er), og computere, der bruger PCIe 3.0 er den første generation med en bus, der er hurtig nok på 8 GT/s pr. bane til at understøtte 100 G Ethernet-adaptere ved hjælp af et x16-link (envejs 16) GB/s eller 128 Gb/s). Med PCIe 4.0 vil en 8-banes slot understøtte en 100G adapter ved fuld hastighed. Det er et sødt sted for nutidens maskiner, fordi x8-slots normalt er tilgængelige på en PCIe-bus. Selv med den kommende generation af PCIe 5.0/CXL 1.1- eller 2.0-systemer passer 100G-datahastigheden behageligt på en delt PCIe-bus, medmindre designere forsøger at accelerere parallel beregning med maksimal båndbredde og minimal latenstid til inter-proceskommunikation (IPC) , ligesom designere har brug for HPC-klynger.

Tabel 1: PCIe-hastigheder som funktion af version og vognbaneantal (Total BW vist er tovejs)

Edge-enheder er generelt designet til at forbehandle, komprimere og reducere mængden af ​​data, der skal overføres opstrøms. Selvom du havde den nødvendige mængde efterbehandlede data til fuldt ud at udnytte 100G-datahastigheden ved den enkelte serverforbindelse, skal det hele stadig aggregeres for datacentervendt trafik på tværs af et koncentrerende sæt routere og switches. Derudover kunne disse arkitekturer ikke betjene for mange samtidige forbindelser ved fuld båndbredde, medmindre de har up-links, der er et betydeligt multiplum af de individuelle porthastigheder. For eksempel skal en 32-ports 100G Ethernet-switch sende al den trafik opstrøms. Link Aggregation Control Protocol (LACP) kan bruges til at samle flere porte til en forbindelse, men selv den protokol er begrænset til otte porte for en given binding. Brug af LACP med en switch med fast radius øger hurtigt omkostningerne til infrastruktur og kabler ved hurtigt at reducere antallet af downstream-forbindelser, som enheden kan levere. Wi-Fi-forbindelser er alle individuelt et godt stykke under 1 Gb/s, og selv cellulær 5G topper teoretisk ved 20 Gbps, så 100G på aggregeringslaget betjener disse markeder godt.

Automotive applikationer har sjældent brug for mere end 10 til 25G Ethernet i køretøjet, men kræver mange af de valgfri servicekvalitet (QoS) og tidsfølsomme netværksfunktioner, der endnu ikke findes i højere hastigheds Ethernet-specifikationer. Hvis du deler et netværk mellem køretøjskontrolsystemer som bremser og et underholdningssystem, er det vigtigt at prioritere køretøjskontrol, selvom dine børn ser en engagerende video. Tidsfølsomme netværksfunktioner, som snart vil blive understøttet ved 100G, muliggør understøttelse af aggregering på industrigulve, audiovisuelle applikationer, sikkerhed, sundhedspleje og endda avancerede automobilapplikationer på kanten!

En anden fordel, som 100G Ethernet giver, i modsætning til dets modstykker med højere hastighed, er understøttelse af alle de nødvendige og mange valgfrie funktioner specificeret af IEEE-standarderne, såsom:

  • Alle nødvendige funktioner i basis IEEE 802.3/802.3ba standarden
  • IEEE 802.3-standarder for 10/25/40/50/100G Ethernet-systemer
  • IEEE 802.3br-parametre for interspersing Express Traffic
  • IEEE 802.1 TSN funktioner
  • IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol
  • IEEE 802.1-Qav for Audio Video (AV) trafik
  • Energieffektivt Ethernet (EEE) som specificeret i IEEE 802.3az

100G Ethernet er i øjeblikket den hurtigste Ethernet-hastighed, der kan opretholdes over en enkelt bane. Den tredje generation af 100G Ethernet, der bruger en enkelt 100 Gb/s-bane, blev offentliggjort i december 2022 som IEEE 802.3ck, sammen med 200G og 400G Ethernet, der bruger henholdsvis to og fire af disse baner, og vil blive understøttet som 100GBASE-CR til twinax up til 2m og 100GBASE-KR for elektriske backplanes. Ved at bruge flere banearkitekturer kan 100GBASE-ZR-standarden understøtte 100G Ethernet mere end 80 km over et tæt bølgelængde-divisionsmultipleksing (DWDM) system ved hjælp af en enkelt bølgelængde! For mere omkostningseffektive muligheder giver en fire-sporet konfiguration ved hjælp af 25G NRZ SerDes et pålideligt transportmedium.

Sikkerhed er vigtig for alle netværksmiljøer, men det er særligt kritisk på den kant, hvor 100G Ethernet understøtter fuldt ud MACsec – også kaldet IEEE 802.1AE. MACsec er en hardware-lag krypteringsmekanisme, der beskytter og sikrer data ved at sikre overholdelse af love om beskyttelse af personlige oplysninger og forhindre datatyveri. MACsec kan også forhindre useriøse enheder i at blive forbundet til et netværk, hvilket er en kritisk beskyttelse for et edge-miljø, der kan være både uadministreret og uovervåget. Hver forbindelse på et Ethernet-netværk (vært til vært, vært til switch eller switch til switch) vil krydse både krypteret og ukrypteret trafik, hvis kontrol over denne kryptering pålægges på højere lag, men når først MACsec er aktiveret for et link, aktiveres al trafik. denne forbindelse vil være sikret mod nysgerrige øjne.

Endelig stiger omkostningerne pr. port dramatisk ved de bløde kanter af højhastigheds-Ethernet-teknologi. Tilføjelse af kabelomkostningerne for ultra-high-speed Ethernet til edge-enheder gør dem bare så meget dyrere. Disse faktorer konspirerer for at gøre 100G til det perfekte top-end match for alle undtagen de mest avancerede computerapplikationer, hvilket igen har ført til skabelsen af ​​et enormt marked, både på forbruger- og professionelt niveau, for 100G Ethernet-produkter – switche og routere, NIC'er og kabler, og konkurrencen har bidraget til at holde prisniveauet overskueligt for edge-implementeringer.

Hvis du udvikler produkter som NIC'er, switche og/eller routere til kantmarkedet, tilbyder Synopsys en komplet løsning til 100G Ethernet IP: MAC, PCS og et komplet udvalg af PHY-muligheder sammen med verifikations-IP, softwareudvikling og IP-prototypesæt. Ud over kanten tilbyder Synopsys også højhastigheds Ethernet IP op til 800G i dag, og vi arbejder med de forskellige standardgrupper for at muliggøre 1.6T fremover.

Tidsstempel:

Mere fra Semi Engineering