100G Ethernet IP for Edge Computing

Tilstedeværelsen av Ethernet i livene våre har banet vei for fremveksten av tingenes internett (IoT). Ethernet har koblet sammen alt rundt oss og utover, fra smarte hjem og bedrifter, til industrier, skoler og myndigheter. Denne spesifikasjonen finnes til og med i våre kjøretøyer, og letter kommunikasjonen mellom interne enheter. Ethernet har aktivert datasentre med høy ytelse, akselerert industrielle prosesser og handel, og kan finnes i husholdninger over hele verden. Til tross for fremskritt innen Ethernet-teknologi, med fremveksten av 800G Ethernet og standardiseringen av 1.6T Ethernet, forblir høyhastighets-Ethernet over 100G en sjeldenhet innen edge-databehandling. Denne artikkelen utforsker hvordan 100G Ethernet muliggjør edge computing og beskriver applikasjoner og designutfordringer for IP-designere.

Hastighetskrav for edge computing

"The Edge" refererer til enhver datakilde som til slutt ender opp i et datasenter eller skybehandlingsparadigme. Eksempler er kameraer og sensorer, mobile enheter, mange typer kjøretøy, rutere og brytere, og til og med smarte apparater som har prosesserings- og datainnsamlings-/delingsmuligheter. Selv om det kan virke kontraintuitivt, er kanten både uklar og dynamisk – hvis dataaggregering eller prosessering skjer på den perimeteren, snakker vi om edge computing. Utbredelsen av edge-enheter har sett en voldsom vekst med maskiner, sensorer og målere, mobile og bærbare enheter, og den kontinuerlige bruken av AI i transport-, hjem- og storbyteknologier. I følge Fordel markedsundersøkelser, "Global Edge Computing Market er verdsatt til USD 7.1 milliarder i 2021 og anslås å nå en verdi på USD 49.6 milliarder innen 2028 ved en CAGR (Compound Annual Growth Rate) på 38.2 % over prognoseperioden 2022-2028." Enhetene som er involvert kan ha mange formfaktorer og arkitekturer, men la oss se på en individuell server som representativ for dem.

Fig. 1: Stier til skyen fra kanten.

Servere bruker vanligvis en delt PCIe-buss for å koble til nettverkskort (NIC), og datamaskiner som bruker PCIe 3.0 er den første generasjonen med en buss som er rask nok på 8 GT/s per kjørefelt til å støtte 100 G Ethernet-adaptere ved hjelp av en x16-kobling (enveis 16) GB/s eller 128 Gb/s). Med PCIe 4.0 vil et 8-felts spor støtte en 100G-adapter ved full hastighet. Det er et godt sted for dagens maskiner fordi x8-spor vanligvis er tilgjengelig på en PCIe-buss. Selv med den kommende generasjonen av PCIe 5.0/CXL 1.1- eller 2.0-systemer, passer 100G-datahastigheten komfortabelt på en delt PCIe-buss, med mindre designere prøver å akselerere parallell beregning med maksimal båndbredde og minimal latens for interprosesskommunikasjon (IPC) , som designere trenger for HPC-klynger.

Tabell 1: PCIe-hastigheter som en funksjon av versjon og kjørefeltantall (Total BW vist er toveis)

Edge-enheter er generelt designet for å forhåndsbehandle, komprimere og redusere mengden data som må overføres oppstrøms. Selv om du hadde den nødvendige mengden etterbehandlede data for å fullt ut utnytte 100G datahastighet ved den individuelle servertilkoblingen, må alt fortsatt samles for datasentervendt trafikk på tvers av et konsentrert sett med rutere og svitsjer. I tillegg kunne ikke disse arkitekturene betjene for mange samtidige tilkoblinger med full båndbredde med mindre de har oppkoblinger som er et betydelig multiplum av de individuelle porthastighetene. For eksempel må en 32-porters 100G Ethernet-svitsj sende all den trafikken oppstrøms. Link Aggregation Control Protocol (LACP) kan brukes til å samle flere porter for en tilkobling, men selv den protokollen er begrenset til åtte porter for en gitt binding. Bruk av LACP med en svitsj med fast radius øker raskt kostnadene for infrastruktur og kabling ved å raskt redusere antallet nedstrømsforbindelser som enheten kan tilby. Wi-Fi-tilkoblinger er alle individuelt godt under 1 Gb/s, og til og med mobil 5G topper seg teoretisk med 20 Gbps, så 100G på aggregeringslaget betjener disse markedene godt.

Bilapplikasjoner trenger sjelden mer enn 10 til 25G Ethernet i kjøretøyet, men krever mange av den valgfrie tjenestekvaliteten (QoS) og tidssensitive nettverksfunksjoner som ennå ikke finnes i høyhastighets Ethernet-spesifikasjoner. Hvis du deler et nettverk mellom kjøretøykontrollsystemer som bremser og et underholdningssystem, er det viktig å prioritere kjøretøykontroll selv om barna ser på en engasjerende video. Tidssensitive nettverksfunksjoner, som snart skal støttes på 100G, muliggjør støtte for aggregering på industrigulv, audiovisuelle applikasjoner, sikkerhet, helsevesen og til og med avanserte bilapplikasjoner på kanten!

En annen fordel som 100G Ethernet gir, i motsetning til sine motparter med høyere hastighet, er støtte for alle de nødvendige og mange valgfrie funksjonene spesifisert av IEEE-standardene som:

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

100G Ethernet er for øyeblikket den raskeste Ethernet-hastigheten som kan opprettholdes over en enkelt kjørefelt. Den tredje generasjonen av 100G Ethernet som bruker en enkelt 100 Gb/s-bane ble publisert i desember 2022 som IEEE 802.3ck, sammen med 200G og 400G Ethernet som bruker henholdsvis to og fire av disse banene, og vil bli støttet som 100GBASE-CR for twinax up til 2m og 100GBASE-KR for elektriske bakplan. Ved å bruke flerfeltsarkitekturer, kan 100GBASE-ZR-standarden støtte 100G Ethernet mer enn 80 km over et tett bølgelengdedelingsmultipleksing (DWDM) system ved bruk av en enkelt bølgelengde! For mer kostnadseffektive alternativer gir en firefelts konfigurasjon med 25G NRZ SerDes et pålitelig transportmedium.

Sikkerhet er viktig for alle nettverksmiljøer, men det er spesielt kritisk på kanten der 100G Ethernet støtter fullt ut MACsec – aka IEEE 802.1AE. MACsec er en maskinvare-lags krypteringsmekanisme som beskytter og sikrer data ved å sikre overholdelse av personvernlover og forhindre datatyveri. MACsec kan også forhindre at useriøse enheter kobles til et nettverk, noe som er en kritisk beskyttelse for et edge-miljø som kan være både uadministrert og uovervåket. Hver tilkobling på et Ethernet-nettverk (vert til vert, vert til svitsj eller bytte til svitsj) vil krysse både kryptert og ukryptert trafikk hvis kontroll over krypteringen pålegges på høyere lag, men når MACsec er aktivert for en kobling, vil all trafikk på den forbindelsen vil være sikret fra nysgjerrige øyne.

Til slutt øker kostnaden per port dramatisk ved de blødende kantene til høyhastighets Ethernet-teknologi. Å legge til kablingskostnadene for ultra-høyhastighets Ethernet for edge-enheter gjør dem bare så mye dyrere. Disse faktorene konspirerer for å gjøre 100G til den perfekte toppmatchen for alle unntatt de mest banebrytende databehandlingsapplikasjonene, som igjen har ført til etableringen av et enormt marked, både på forbruker- og profesjonelt nivå, for 100G Ethernet-produkter – brytere og rutere, NIC-er og kabler, og konkurrentene har bidratt til å holde prispunktet håndterbart for edge-distribusjoner.

Hvis du utvikler produkter som NIC, switcher og/eller rutere for kantmarkedet, tilbyr Synopsys en komplett løsning for 100G Ethernet IP: MAC, PCS og et komplett utvalg av PHY-alternativer sammen med verifiserings-IP, programvareutvikling og IP-prototyping-sett. Utover kanten tilbyr Synopsys også høyhastighets Ethernet IP opp til 800G i dag, og vi jobber med de ulike standardgruppene for å muliggjøre 1.6T fremover.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://semiengineering.com/100g-ethernet-ip-for-edge-computing/