IP Ethernet 100G pour l'informatique de périphérie

IP Ethernet 100G pour l'informatique de périphérie

Horodatage: 9 mars 2023 3:05
Nœud source: 2002034

La présence d'Ethernet dans nos vies a ouvert la voie à l'émergence de l'Internet des objets (IoT). Ethernet a connecté tout ce qui nous entoure et au-delà, des maisons et entreprises intelligentes aux industries, écoles et gouvernements. Cette spécification se retrouve même dans nos véhicules, facilitant la communication entre les appareils internes. Ethernet a permis des centres de données informatiques hautes performances, accéléré les processus industriels et le commerce, et peut être trouvé dans les foyers du monde entier. Malgré les progrès de la technologie Ethernet, avec la montée en puissance de l'Ethernet 800G et la normalisation de l'Ethernet 1.6T, l'Ethernet haut débit supérieur à 100G reste une rareté dans l'informatique de pointe. Cet article explore comment l'Ethernet 100G permet l'informatique de pointe et décrit les applications et les défis de conception pour les concepteurs IP.

Exigences de vitesse pour l'informatique de pointe

« The Edge » fait référence à toute source de données qui finit par se retrouver dans un centre de données ou un paradigme de traitement en nuage. Les exemples sont les caméras et les capteurs, les appareils mobiles, de nombreux types de véhicules, les routeurs et les commutateurs, et même les appareils intelligents dotés de capacités de traitement et de collecte/partage de données. Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, la périphérie est à la fois floue et dynamique - si l'agrégation ou le traitement des données se produit sur ce périmètre, nous parlons d'informatique de pointe. La prolifération des appareils périphériques a connu une croissance fulgurante avec des machines, des capteurs et des compteurs, des appareils mobiles et portables, et l'adoption continue de l'IA dans les technologies de transport, domestiques et métropolitaines. Selon Étude de marché avantageuse, "Le marché mondial de l'informatique de périphérie est évalué à 7.1 milliards USD en 2021 et devrait atteindre une valeur de 49.6 milliards USD d'ici 2028 à un TCAC (taux de croissance annuel composé) de 38.2 % sur la période de prévision 2022-2028." Les appareils impliqués peuvent avoir de nombreux facteurs de forme et architectures, mais considérons un serveur individuel comme étant représentatif d'eux.

Fig. 1 : Chemins vers le cloud depuis le bord.

Les serveurs utilisent généralement un bus PCIe partagé pour connecter des cartes d'interface réseau (NIC), et les ordinateurs utilisant PCIe 3.0 sont la première génération avec un bus suffisamment rapide à 8 GT/s par voie pour prendre en charge les adaptateurs Ethernet 100 G utilisant une liaison x16 (unidirectionnel 16 Go/s ou 128 Go/s). Avec PCIe 4.0, un emplacement à 8 voies prendra en charge un adaptateur 100G à pleine vitesse. C'est un endroit idéal pour les machines d'aujourd'hui, car les emplacements x8 sont généralement disponibles sur un bus PCIe. Même avec la prochaine génération de systèmes PCIe 5.0/CXL 1.1 ou 2.0, le débit de données de 100G est un ajustement confortable sur un bus PCIe partagé, à moins que les concepteurs n'essaient d'accélérer le calcul parallèle avec une bande passante maximale et une latence minimale pour la communication inter-processus (IPC) , comme les concepteurs en ont besoin pour les clusters HPC.

Tableau 1 : Vitesses PCIe en fonction de la version et du nombre de voies (la bande passante totale indiquée est bidirectionnelle)

Les périphériques Edge sont généralement conçus pour prétraiter, compresser et réduire la quantité de données devant être transférées en amont. Même si vous disposiez de la quantité nécessaire de données post-traitées pour utiliser pleinement le débit de données 100G au niveau de la connexion au serveur individuel, tout doit encore être agrégé pour le trafic vers le centre de données sur un ensemble concentré de routeurs et de commutateurs. De plus, ces architectures ne pourraient pas desservir trop de connexions simultanées à pleine bande passante à moins qu'elles n'aient des liaisons montantes qui soient un multiple significatif des vitesses de port individuelles. Par exemple, un commutateur Ethernet 32G à 100 ports doit envoyer tout ce trafic en amont. Le protocole LACP (Link Aggregation Control Protocol) peut être utilisé pour agréger plusieurs ports pour une connexion, mais même ce protocole est limité à huit ports pour une liaison donnée. L'utilisation de LACP avec un commutateur à rayon fixe augmente rapidement le coût de l'infrastructure et du câblage en réduisant rapidement le nombre de connexions en aval que l'appareil peut fournir. Les connexions Wi-Fi sont toutes individuellement bien en dessous de 1 Gb/s, et même la 5G cellulaire culmine théoriquement à 20 Gbps, donc 100G au niveau de la couche d'agrégation dessert bien ces marchés.

Les applications automobiles ont rarement besoin de plus de 10 à 25G Ethernet dans le véhicule, mais nécessitent de nombreuses fonctionnalités optionnelles de qualité de service (QoS) et de mise en réseau sensible au temps qui ne se trouvent pas encore dans les spécifications Ethernet à haut débit. Si vous partagez un réseau entre les systèmes de contrôle du véhicule comme les freins et un système de divertissement, il est important de donner la priorité au contrôle du véhicule même si vos enfants regardent une vidéo engageante. Les fonctionnalités de mise en réseau sensibles au temps, qui seront bientôt prises en charge à 100G, permettent la prise en charge de l'agrégation sur les sols industriels, les applications audiovisuelles, la sécurité, les soins de santé et même les applications automobiles haut de gamme en périphérie !

Un autre avantage qu'offre l'Ethernet 100G, par rapport à ses homologues à plus haut débit, est la prise en charge de toutes les fonctionnalités requises et de nombreuses fonctionnalités optionnelles spécifiées par les normes IEEE telles que :

  • Toutes les fonctionnalités requises de la norme de base IEEE 802.3/802.3ba
  • Normes IEEE 802.3 pour les systèmes Ethernet 10/25/40/50/100G
  • Paramètres IEEE 802.3br pour Interspersing Express Traffic
  • Fonctionnalités IEEE 802.1 TSN
  • Protocole de synchronisation d'horloge de précision IEEE 1588
  • IEEE 802.1-Qav pour le trafic audio vidéo (AV)
  • Energy Efficient Ethernet (EEE) comme spécifié dans IEEE 802.3az

L'Ethernet 100G est actuellement la vitesse Ethernet la plus rapide pouvant être maintenue sur une seule voie. La troisième génération d'Ethernet 100G utilisant une seule voie de 100 Gb/s a été publiée en décembre 2022 sous le nom d'IEEE 802.3ck, ainsi que l'Ethernet 200G et 400G utilisant respectivement deux et quatre de ces voies, et sera prise en charge en tant que 100GBASE-CR pour twinax up à 2 m et 100GBASE-KR pour les fonds de panier électriques. Utilisant des architectures à voies multiples, la norme 100GBASE-ZR peut prendre en charge l'Ethernet 100G sur plus de 80 km sur un système de multiplexage par répartition en longueur d'onde dense (DWDM) utilisant une seule longueur d'onde ! Pour des options plus économiques, une configuration à quatre voies utilisant 25G NRZ SerDes fournit un moyen de transport fiable.

La sécurité est importante pour tous les environnements réseau, mais elle est particulièrement critique à la périphérie où l'Ethernet 100G prend entièrement en charge MACsec – alias IEEE 802.1AE. MACsec est un mécanisme de cryptage de couche matérielle qui protège et sécurise les données en garantissant le respect des lois sur la confidentialité et en empêchant le vol de données. MACsec peut également empêcher la connexion de périphériques malveillants à un réseau, ce qui constitue une protection essentielle pour un environnement périphérique qui pourrait être à la fois non géré et non surveillé. Chaque connexion sur un réseau Ethernet (hôte à hôte, hôte à commutateur ou commutateur à commutateur) traversera à la fois le trafic crypté et non crypté si le contrôle de ce cryptage est imposé à des couches supérieures, mais une fois que MACsec est activé pour une liaison, tout le trafic sur cette connexion sera sécurisée des regards indiscrets.

Enfin, le coût par port augmente considérablement à la pointe de la technologie Ethernet haut débit. L'ajout du coût de câblage pour l'Ethernet ultra-rapide pour les périphériques de périphérie les rend encore plus chers. Ces facteurs concourent à faire du 100G la solution haut de gamme parfaite pour toutes les applications informatiques, sauf les plus avancées, ce qui a conduit à la création d'un énorme marché, tant au niveau des consommateurs que des professionnels, pour les produits Ethernet 100G - commutateurs et routeurs, cartes réseau et câbles, et la concurrence a contribué à maintenir le prix gérable pour les déploiements en périphérie.

Si vous développez des produits tels que des cartes réseau, des commutateurs et/ou des routeurs pour le marché périphérique, Synopsys propose une solution complète pour IP Ethernet 100G: MAC, PCS et une gamme complète d'options PHY ainsi que des kits de vérification IP, de développement de logiciels et de prototypage IP. Au-delà de la périphérie, Synopsys propose également une IP Ethernet haut débit jusqu'à 800G aujourd'hui et nous travaillons avec les différents groupes de normalisation pour permettre à 1.6T d'aller de l'avant.

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