100G-Ethernet-IP für Edge-Computing

Die Präsenz von Ethernet in unserem Leben hat den Weg für die Entstehung des Internets der Dinge (IoT) geebnet. Ethernet hat alles um uns herum und darüber hinaus miteinander verbunden, von Smart Homes und Unternehmen bis hin zu Industrien, Schulen und Regierungen. Diese Spezifikation findet sich sogar in unseren Fahrzeugen und erleichtert die Kommunikation zwischen internen Geräten. Ethernet hat Hochleistungsrechenzentren ermöglicht, industrielle Prozesse und den Handel beschleunigt und ist weltweit in Haushalten zu finden. Trotz der Fortschritte in der Ethernet-Technologie, mit dem Aufkommen von 800G-Ethernet und der Standardisierung von 1.6T-Ethernet, bleibt Hochgeschwindigkeits-Ethernet über 100G eine Seltenheit im Edge-Computing. Dieser Artikel untersucht, wie 100G-Ethernet Edge-Computing ermöglicht, und beschreibt Anwendungen und Designherausforderungen für IP-Designer.

Geschwindigkeitsanforderungen für Edge-Computing

„The Edge“ bezieht sich auf jede Datenquelle, die letztendlich in einem Rechenzentrum oder einem Cloud-Verarbeitungsparadigma landet. Beispiele sind Kameras und Sensoren, mobile Geräte, viele Arten von Fahrzeugen, Router und Switches und sogar intelligente Geräte mit Verarbeitungs- und Datenerfassungs-/Teilungsfunktionen. Obwohl es kontraintuitiv erscheinen mag, ist der Rand sowohl unscharf als auch dynamisch – wenn die Datenaggregation oder -verarbeitung an diesem Perimeter stattfindet, sprechen wir von Edge Computing. Die Verbreitung von Edge-Geräten hat mit Maschinen, Sensoren und Messgeräten, mobilen und tragbaren Geräten und der kontinuierlichen Einführung von KI in Transport-, Heim- und Großstadttechnologien ein kometenhaftes Wachstum erlebt. Entsprechend Vantage-Marktforschung, „Der globale Edge-Computing-Markt wird im Jahr 7.1 auf 2021 Milliarden USD geschätzt und soll bis 49.6 einen Wert von 2028 Milliarden USD bei einer CAGR (Compound Annual Growth Rate) von 38.2 % im Prognosezeitraum 2022-2028 erreichen.“ Die beteiligten Geräte können viele Formfaktoren und Architekturen haben, aber betrachten wir einen einzelnen Server als repräsentativ für sie.

Abb. 1: Wege zur Wolke vom Rand.

Server verwenden normalerweise einen gemeinsam genutzten PCIe-Bus, um Netzwerkschnittstellenkarten (NICs) anzuschließen, und Computer mit PCIe 3.0 sind die erste Generation mit einem Bus, der mit 8 GT/s pro Lane schnell genug ist, um 100-G-Ethernet-Adapter über eine x16-Verbindung (unidirektionale 16 GB/s oder 128 GB/s). Mit PCIe 4.0 unterstützt ein 8-Lane-Steckplatz einen 100G-Adapter bei voller Geschwindigkeit. Das ist ein idealer Punkt für die heutigen Maschinen, da x8-Steckplätze normalerweise auf einem PCIe-Bus verfügbar sind. Selbst mit der kommenden Generation von PCIe 5.0/CXL 1.1- oder 2.0-Systemen passt eine 100G-Datenrate bequem auf einen gemeinsam genutzten PCIe-Bus, es sei denn, Designer versuchen, die parallele Berechnung mit maximaler Bandbreite und minimaler Latenz für die Interprozesskommunikation (IPC) zu beschleunigen. , wie Designer sie für HPC-Cluster benötigen.

Tabelle 1: PCIe-Geschwindigkeiten als Funktion von Version und Lane-Anzahl (gezeigte Gesamt-BW ist bidirektional)

Edge-Geräte sind im Allgemeinen so konzipiert, dass sie die Datenmenge, die nach oben übertragen werden muss, vorverarbeiten, komprimieren und reduzieren. Selbst wenn Sie über die erforderliche Menge an nachverarbeiteten Daten verfügen, um die 100G-Datenrate an der einzelnen Serververbindung vollständig zu nutzen, muss alles für den Datenverkehr zum Rechenzentrum über einen konzentrierten Satz von Routern und Switches aggregiert werden. Darüber hinaus könnten diese Architekturen nicht zu viele gleichzeitige Verbindungen bei voller Bandbreite bedienen, es sei denn, sie haben Uplinks, die ein signifikantes Vielfaches der Geschwindigkeiten der einzelnen Ports sind. Beispielsweise muss ein 32G-Ethernet-Switch mit 100 Ports den gesamten Datenverkehr Upstream senden. Das Link Aggregation Control Protocol (LACP) kann verwendet werden, um mehrere Ports für eine Verbindung zusammenzufassen, aber selbst dieses Protokoll ist auf acht Ports für eine bestimmte Verbindung beschränkt. Die Verwendung von LACP mit einem Switch mit festem Radius treibt die Kosten für Infrastruktur und Verkabelung schnell in die Höhe, indem die Anzahl der Downstream-Verbindungen, die das Gerät bereitstellen kann, schnell reduziert wird. Wi-Fi-Verbindungen liegen alle einzeln deutlich unter 1 Gbit/s, und selbst 5G-Mobilfunk erreicht theoretisch Spitzenwerte von 20 Gbit/s, sodass 100G auf der Aggregationsebene diese Märkte gut bedient.

Automobilanwendungen benötigen selten mehr als 10 bis 25G Ethernet innerhalb des Fahrzeugs, erfordern jedoch viele der optionalen Quality of Service (QoS) und zeitkritischen Netzwerkfunktionen, die in den Spezifikationen für Ethernet mit höherer Geschwindigkeit noch nicht zu finden sind. Wenn Sie ein Netzwerk zwischen Fahrzeugsteuerungssystemen wie Bremsen und einem Unterhaltungssystem teilen, ist es wichtig, der Fahrzeugsteuerung Priorität einzuräumen, selbst wenn Ihre Kinder ein ansprechendes Video ansehen. Zeitkritische Netzwerkfunktionen, die bald bei 100G unterstützt werden, ermöglichen Unterstützung für Aggregation auf Industrieböden, audiovisuelle Anwendungen, Sicherheit, Gesundheitswesen und sogar High-End-Automobilanwendungen am Rand!

Ein weiterer Vorteil, den 100G-Ethernet im Gegensatz zu seinen Gegenstücken mit höherer Geschwindigkeit bietet, ist die Unterstützung aller erforderlichen und vieler optionaler Funktionen, die von den IEEE-Standards spezifiziert werden, wie zum Beispiel:

• Alle erforderlichen Funktionen des Basisstandards IEEE 802.3/802.3ba
• IEEE 802.3-Standards für 10/25/40/50/100G-Ethernet-Systeme
• IEEE 802.3br-Parameter für Interspersing Express Traffic
• IEEE 802.1 TSN-Funktionen
• IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol
• IEEE 802.1-Qav für Audio-Video (AV)-Verkehr
• Energy Efficient Ethernet (EEE) gemäß IEEE 802.3az

100G-Ethernet ist derzeit die schnellste Ethernet-Geschwindigkeit, die über eine einzige Spur aufrechterhalten werden kann. Die dritte Generation von 100G-Ethernet mit einer einzigen 100-Gb/s-Spur wurde im Dezember 2022 als IEEE 802.3ck veröffentlicht, zusammen mit 200G- und 400G-Ethernet, die zwei bzw. vier dieser Spuren verwenden, und wird als 100GBASE-CR für Twinax up unterstützt bis 2m und 100GBASE-KR für elektrische Backplanes. Unter Verwendung von Mehrspurarchitekturen kann der 100GBASE-ZR-Standard 100G-Ethernet über mehr als 80 km über ein dichtes Wellenlängenmultiplexsystem (DWDM) mit einer einzigen Wellenlänge unterstützen! Für kostengünstigere Optionen bietet eine vierspurige Konfiguration mit 25G NRZ SerDes ein zuverlässiges Transportmedium.

Sicherheit ist für alle Netzwerkumgebungen wichtig, aber besonders kritisch am Rand, wo 100G-Ethernet vollständig unterstützt wird MACsec – auch bekannt als IEEE 802.1AE. MACsec ist ein Verschlüsselungsmechanismus auf Hardwareebene, der Daten schützt und sichert, indem er die Einhaltung von Datenschutzgesetzen gewährleistet und Datendiebstahl verhindert. MACsec kann auch verhindern, dass Rogue-Geräte mit einem Netzwerk verbunden werden, was ein kritischer Schutz für eine Edge-Umgebung ist, die sowohl nicht verwaltet als auch nicht überwacht werden kann. Jede Verbindung in einem Ethernet-Netzwerk (Host-zu-Host, Host-zu-Switch oder Switch-zu-Switch) durchquert sowohl verschlüsselten als auch unverschlüsselten Datenverkehr, wenn die Kontrolle über diese Verschlüsselung auf höheren Schichten auferlegt wird, aber sobald MACsec für eine Verbindung aktiviert ist, wird der gesamte Datenverkehr eingeschaltet diese Verbindung wird vor neugierigen Blicken geschützt.

Zu guter Letzt steigen die Kosten pro Port an den Spitzen der Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Technologie dramatisch an. Wenn Sie die Verkabelungskosten für Ultra-High-Speed-Ethernet für Edge-Geräte hinzufügen, werden sie nur noch viel teurer. Diese Faktoren wirken zusammen, um 100G zum perfekten Top-End-Spiel für alle außer den modernsten Computeranwendungen zu machen, was wiederum zur Schaffung eines riesigen Marktes für 100G-Ethernet-Produkte sowohl auf Verbraucher- als auch auf professioneller Ebene geführt hat – Switches und Router, NICs und Kabel, und die Konkurrenz hat dazu beigetragen, den Preispunkt für Edge-Bereitstellungen überschaubar zu halten.

Wenn Sie Produkte wie NICs, Switches und/oder Router für den Edge-Markt entwickeln, bietet Synopsys eine Komplettlösung für 100G-Ethernet-IP: MAC, PCS und eine vollständige Palette von PHY-Optionen zusammen mit Verifizierungs-IP, Softwareentwicklung und IP-Prototyping-Kits. Über den Rand hinaus bietet Synopsys auch Hochgeschwindigkeits-Ethernet-IP bis zu 800G heute und wir arbeiten mit den verschiedenen Standardgruppen zusammen, um 1.6T in Zukunft zu ermöglichen.

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• Quelle: https://semiengineering.com/100g-ethernet-ip-for-edge-computing/