IP Ethernet 100G para computação de borda

A presença da Ethernet em nossas vidas abriu caminho para o surgimento da Internet das Coisas (IoT). A Ethernet conectou tudo ao nosso redor e além, desde casas e empresas inteligentes até indústrias, escolas e governos. Essa especificação é encontrada inclusive em nossos veículos, facilitando a comunicação entre os dispositivos internos. A Ethernet permitiu centros de dados de computação de alto desempenho, processos industriais e comerciais acelerados e pode ser encontrada em residências em todo o mundo. Apesar dos avanços na tecnologia Ethernet, com o surgimento da Ethernet 800G e a padronização da Ethernet 1.6T, a Ethernet de alta velocidade acima de 100G continua sendo uma raridade na computação de ponta. Este artigo explora como a Ethernet 100G permite a computação de borda e descreve aplicativos e desafios de design para designers de IP.

Requisitos de velocidade para computação de borda

“The Edge” refere-se a qualquer fonte de dados que acaba em um data center ou paradigma de processamento em nuvem. Exemplos são câmeras e sensores, dispositivos móveis, muitos tipos de veículos, roteadores e switches e até mesmo dispositivos inteligentes que possuem recursos de processamento e coleta/compartilhamento de dados. Embora possa parecer contra-intuitivo, a borda é difusa e dinâmica – se a agregação ou processamento de dados estiver ocorrendo nesse perímetro, estamos falando de computação de ponta. A proliferação de dispositivos de ponta teve um crescimento meteórico com máquinas, sensores e medidores, dispositivos móveis e vestíveis e a adoção contínua de IA em tecnologias de transporte, residências e metropolitanas. De acordo com Pesquisa de Mercado Vantage, “O mercado global de computação de borda está avaliado em US$ 7.1 bilhões em 2021 e está projetado para atingir um valor de US$ 49.6 bilhões até 2028 com uma CAGR (taxa de crescimento anual composta) de 38.2% durante o período de previsão 2022-2028.” Os dispositivos envolvidos podem ter muitos fatores de forma e arquiteturas, mas vamos olhar para um servidor individual como sendo representativo deles.

Fig. 1: Caminhos para a nuvem a partir da borda.

Os servidores geralmente usam um barramento PCIe compartilhado para conectar placas de interface de rede (NICs) e os computadores que usam PCIe 3.0 são a primeira geração com um barramento rápido o suficiente a 8 GT/s por pista para suportar adaptadores Ethernet de 100 G usando um link x16 (unidirecional 16 GB/s ou 128 Gb/s). Com PCIe 4.0, um slot de 8 pistas suportará um adaptador de 100G em velocidade total. Esse é um ponto ideal para as máquinas de hoje porque os slots x8 geralmente estão disponíveis em um barramento PCIe. Mesmo com a próxima geração de sistemas PCIe 5.0/CXL 1.1 ou 2.0, a taxa de dados de 100 G é um ajuste confortável em um barramento PCIe compartilhado, a menos que os projetistas estejam tentando acelerar a computação paralela com largura de banda máxima e latência mínima para comunicação entre processos (IPC) , como os designers precisam para clusters HPC.

Tabela 1: Velocidades PCIe em função da versão e contagem de faixas (o BW total mostrado é bidirecional)

Os dispositivos de borda geralmente são projetados para pré-processar, compactar e reduzir a quantidade de dados que precisam ser transferidos upstream. Mesmo que você tenha a quantidade necessária de dados pós-processados ​​para utilizar totalmente a taxa de dados de 100 G na conexão do servidor individual, tudo ainda precisa ser agregado para o tráfego voltado para o data center em um conjunto concentrador de roteadores e switches. Além disso, essas arquiteturas não poderiam atender a muitas conexões simultâneas em largura de banda total, a menos que tivessem uplinks que fossem um múltiplo significativo das velocidades de porta individuais. Por exemplo, um switch Ethernet 32G de 100 portas precisa enviar todo esse tráfego upstream. O protocolo de controle de agregação de link (LACP) pode ser usado para agregar várias portas para uma conexão, mas mesmo esse protocolo é limitado a oito portas para um determinado vínculo. O uso do LACP com um switch de raio fixo aumenta rapidamente o custo da infraestrutura e do cabeamento, reduzindo rapidamente o número de conexões downstream que o dispositivo pode fornecer. As conexões Wi-Fi estão todas individualmente bem abaixo de 1 Gb/s, e mesmo o 5G celular teoricamente atinge o pico de 20 Gbps, então 100G na camada de agregação atende bem a esses mercados.

As aplicações automotivas raramente precisam de mais de 10 a 25 G Ethernet dentro do veículo, mas exigem muitos dos recursos opcionais de qualidade de serviço (QoS) e de rede sensível ao tempo ainda não encontrados nas especificações de Ethernet de alta velocidade. Se você compartilha uma rede entre os sistemas de controle do veículo, como freios e um sistema de entretenimento, é importante priorizar o controle do veículo, mesmo que seus filhos estejam assistindo a um vídeo interessante. Os recursos de rede sensíveis ao tempo, que em breve serão suportados em 100G, permitem o suporte para agregação em pisos industriais, aplicativos audiovisuais, segurança, assistência médica e até mesmo aplicativos automotivos de ponta!

Outra vantagem que a Ethernet 100G fornece, ao contrário de suas contrapartes de velocidade mais alta, é o suporte para todos os recursos necessários e muitos opcionais especificados pelos padrões IEEE, como:

• Todos os recursos necessários do padrão IEEE 802.3/802.3ba base
• Padrões IEEE 802.3 para sistemas Ethernet 10/25/40/50/100G
• Parâmetros IEEE 802.3br para Interspersing Express Traffic
• Recursos IEEE 802.1 TSN
• Protocolo de Sincronização de Relógio de Precisão IEEE 1588
• IEEE 802.1-Qav para tráfego de áudio e vídeo (AV)
• Energy Efficient Ethernet (EEE) conforme especificado em IEEE 802.3az

A Ethernet 100G é atualmente a velocidade Ethernet mais rápida que pode ser sustentada em uma única via. A terceira geração de Ethernet 100G usando uma única faixa de 100 Gb/s foi publicada em dezembro de 2022 como IEEE 802.3ck, junto com Ethernet 200G e 400G usando duas e quatro dessas faixas, respectivamente, e será suportada como 100GBASE-CR para twinax up a 2m e 100GBASE-KR para backplanes elétricos. Usando arquiteturas de múltiplas pistas, o padrão 100GBASE-ZR pode suportar 100G Ethernet por mais de 80 km em um sistema denso de multiplexação por divisão de comprimento de onda (DWDM) usando um único comprimento de onda! Para opções mais econômicas, uma configuração de quatro pistas usando 25G NRZ SerDes fornece um meio de transporte confiável.

A segurança é importante para todos os ambientes de rede, mas é particularmente crítica na borda, onde a Ethernet 100G suporta totalmente MACsec – também conhecido como IEEE 802.1AE. O MACsec é um mecanismo de criptografia de camada de hardware que protege e protege os dados garantindo a conformidade com as leis de privacidade e impedindo o roubo de dados. O MACsec também pode impedir que dispositivos não autorizados sejam conectados a uma rede, o que é uma proteção crítica para um ambiente de borda que pode ser não gerenciado e não monitorado. Cada conexão em uma rede Ethernet (host para host, host para switch ou switch para switch) atravessará o tráfego criptografado e não criptografado se o controle sobre essa criptografia for imposto em camadas superiores, mas uma vez que o MACsec é habilitado para um link, todo o tráfego em essa conexão será protegida de olhares indiscretos.

Por último, o custo por porta sobe dramaticamente nas bordas da tecnologia Ethernet de alta velocidade. Acrescentar o custo de cabeamento para Ethernet de velocidade ultra-alta para dispositivos de ponta apenas os torna muito mais caros. Esses fatores conspiram para tornar o 100G a combinação perfeita de ponta para todos, exceto os aplicativos de computação de ponta, o que, por sua vez, levou à criação de um enorme mercado, tanto no nível do consumidor quanto no nível profissional, para produtos Ethernet 100G – switches e roteadores, NICs e cabos, e a concorrência ajudou a manter o preço gerenciável para implantações de ponta.

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