IP Ethernet 100G per l'edge computing

IP Ethernet 100G per l'edge computing

Timestamp: 9 marzo 2023 3:05
Nodo di origine: 2002034

La presenza di Ethernet nelle nostre vite ha spianato la strada all'emergere dell'Internet of Things (IoT). Ethernet ha connesso tutto ciò che ci circonda e oltre, dalle case e le aziende intelligenti, alle industrie, alle scuole e ai governi. Questa specifica si trova anche nei nostri veicoli, facilitando la comunicazione tra i dispositivi interni. Ethernet ha consentito data center di calcolo ad alte prestazioni, processi industriali accelerati e commercio e può essere trovato nelle famiglie di tutto il mondo. Nonostante i progressi nella tecnologia Ethernet, con l'ascesa dell'Ethernet 800G e la standardizzazione dell'Ethernet 1.6T, l'Ethernet ad alta velocità sopra i 100G rimane una rarità nell'edge computing. Questo articolo esplora il modo in cui 100G Ethernet consente l'edge computing e descrive le applicazioni e le sfide di progettazione per i progettisti IP.

Requisiti di velocità per l'edge computing

"The Edge" si riferisce a qualsiasi fonte di dati che alla fine finisce in un data center o in un paradigma di elaborazione cloud. Ne sono un esempio fotocamere e sensori, dispositivi mobili, molti tipi di veicoli, router e switch e persino dispositivi intelligenti con capacità di elaborazione e raccolta/condivisione dei dati. Sebbene possa sembrare controintuitivo, l'edge è sia sfocato che dinamico: se l'aggregazione o l'elaborazione dei dati avviene su quel perimetro, stiamo parlando di edge computing. La proliferazione di dispositivi edge ha visto una crescita vertiginosa con macchine, sensori e contatori, dispositivi mobili e indossabili e la continua adozione dell'IA nelle tecnologie di trasporto, domestiche e metropolitane. Secondo Ricerche di mercato vantaggiose, "Il mercato globale dell'edge computing ha un valore di 7.1 miliardi di dollari nel 2021 e si prevede che raggiungerà un valore di 49.6 miliardi di dollari entro il 2028 a un CAGR (tasso di crescita annuale composto) del 38.2% nel periodo di previsione 2022-2028." I dispositivi coinvolti possono avere molti fattori di forma e architetture, ma consideriamo un singolo server come rappresentativo di essi.

Fig. 1: Percorsi verso la nuvola dal bordo.

I server in genere utilizzano un bus PCIe condiviso per collegare le schede di interfaccia di rete (NIC) e i computer che utilizzano PCIe 3.0 sono la prima generazione con un bus abbastanza veloce a 8 GT/s per corsia per supportare adattatori Ethernet 100 G utilizzando un collegamento x16 (unidirezionale 16 GB/s o 128 Gb/s). Con PCIe 4.0, uno slot a 8 corsie supporterà un adattatore 100G a piena velocità. Questo è un punto debole per le macchine di oggi perché gli slot x8 sono solitamente disponibili su un bus PCIe. Anche con la prossima generazione di sistemi PCIe 5.0/CXL 1.1 o 2.0, la velocità dati di 100 G è una soluzione comoda per un bus PCIe condiviso, a meno che i progettisti non stiano cercando di accelerare il calcolo parallelo con la massima larghezza di banda e la minima latenza per la comunicazione tra processi (IPC) , come hanno bisogno i progettisti per i cluster HPC.

Tabella 1: velocità PCIe in funzione della versione e del numero di corsie (il BW totale mostrato è bidirezionale)

I dispositivi edge sono generalmente progettati per pre-elaborare, comprimere e ridurre la quantità di dati che devono essere trasferiti a monte. Anche se disponi della quantità necessaria di dati post-elaborati per utilizzare completamente la velocità dati di 100 G alla connessione del singolo server, è comunque necessario aggregare tutto per il traffico rivolto al data center attraverso un insieme concentrato di router e switch. Inoltre, tali architetture non potrebbero servire troppe connessioni simultanee a piena larghezza di banda a meno che non dispongano di uplink che sono un multiplo significativo delle velocità delle singole porte. Ad esempio, uno switch Ethernet 32G a 100 porte deve inviare tutto il traffico a monte. Il protocollo LACP (Link Aggregation Control Protocol) può essere utilizzato per aggregare più porte per una connessione, ma anche tale protocollo è limitato a otto porte per un determinato legame. L'utilizzo di LACP con uno switch a raggio fisso aumenta rapidamente il costo dell'infrastruttura e del cablaggio riducendo rapidamente il numero di connessioni a valle che il dispositivo può fornire. Le connessioni Wi-Fi sono tutte individualmente ben al di sotto di 1 Gb/s, e persino il 5G cellulare teoricamente raggiunge picchi di 20 Gbps, quindi 100G a livello di aggregazione servono bene quei mercati.

Le applicazioni automobilistiche raramente richiedono più di 10-25G Ethernet all'interno del veicolo, ma richiedono molte delle funzionalità opzionali di qualità del servizio (QoS) e di rete sensibili al tempo non ancora presenti nelle specifiche Ethernet ad alta velocità. Se condividi una rete tra i sistemi di controllo del veicolo come i freni e un sistema di intrattenimento, è importante dare la priorità al controllo del veicolo anche se i tuoi figli stanno guardando un video coinvolgente. Le funzionalità di rete sensibili al tempo, che presto saranno supportate a 100G, consentono il supporto per l'aggregazione su piani industriali, applicazioni audiovisive, sicurezza, assistenza sanitaria e persino applicazioni automobilistiche di fascia alta sull'edge!

Un altro vantaggio fornito da 100G Ethernet, rispetto alle sue controparti a velocità più elevata, è il supporto per tutte le funzionalità richieste e molte opzioni opzionali specificate dagli standard IEEE come:

  • Tutte le caratteristiche richieste dello standard IEEE 802.3/802.3ba di base
  • Standard IEEE 802.3 per sistemi Ethernet 10/25/40/50/100G
  • Parametri IEEE 802.3br per Interspersing Express Traffic
  • Funzionalità TSN IEEE 802.1
  • Protocollo di sincronizzazione dell'orologio di precisione IEEE 1588
  • IEEE 802.1-Qav per il traffico audio video (AV).
  • Energy Efficient Ethernet (EEE) come specificato in IEEE 802.3az

100G Ethernet è attualmente la velocità Ethernet più veloce che può essere sostenuta su una singola corsia. La terza generazione di 100G Ethernet che utilizza una singola corsia da 100 Gb/s è stata pubblicata nel dicembre 2022 come IEEE 802.3ck, insieme a 200G e 400G Ethernet che utilizzano rispettivamente due e quattro di queste corsie e sarà supportata come 100GBASE-CR per twinax up a 2m e 100GBASE-KR per backplane elettrici. Utilizzando architetture a più corsie, lo standard 100GBASE-ZR può supportare 100G Ethernet per più di 80 km su un sistema DWDM (dense wavelength-division multiplexing) utilizzando una singola lunghezza d'onda! Per opzioni più convenienti, una configurazione a quattro corsie che utilizza 25G NRZ SerDes fornisce un mezzo di trasporto affidabile.

La sicurezza è importante per tutti gli ambienti di rete, ma è particolarmente critica all'edge dove 100G Ethernet supporta completamente MACsec – noto anche come IEEE 802.1AE. MACsec è un meccanismo di crittografia a livello hardware che protegge e protegge i dati garantendo la conformità alle leggi sulla privacy e prevenendo il furto di dati. MACsec può anche impedire la connessione di dispositivi non autorizzati a una rete, che è una protezione fondamentale per un ambiente edge che potrebbe essere sia non gestito che non monitorato. Ogni connessione su una rete Ethernet (da host a host, da host a switch o da switch a switch) attraverserà sia il traffico crittografato che non crittografato se il controllo su tale crittografia è imposto a livelli superiori, ma una volta che MACsec è abilitato per un collegamento, tutto il traffico su quella connessione sarà protetta da occhi indiscreti.

Infine, il costo per porta aumenta drasticamente ai margini della tecnologia Ethernet ad alta velocità. L'aggiunta del costo del cablaggio per l'Ethernet ad altissima velocità per i dispositivi edge li rende molto più costosi. Questi fattori cospirano per rendere 100G l'abbinamento perfetto di fascia alta per tutte le applicazioni informatiche tranne le più all'avanguardia, il che a sua volta ha portato alla creazione di un enorme mercato, sia a livello consumer che professionale, per i prodotti 100G Ethernet: switch e router, NIC e cavi e la concorrenza ha contribuito a mantenere gestibile il prezzo per le distribuzioni edge.

Se stai sviluppando prodotti come NIC, switch e/o router per il mercato edge, Synopsys offre una soluzione completa per IP Ethernet 100G: MAC, PCS e una gamma completa di opzioni PHY insieme a IP di verifica, sviluppo software e kit di prototipazione IP. Oltre l'edge, Synopsys offre anche IP Ethernet ad alta velocità fino a 800G oggi e stiamo lavorando con i vari gruppi di standard per consentire a 1.6T di andare avanti.

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