用于边缘计算的 100G 以太网 IP

用于边缘计算的 100G 以太网 IP

时间戳记：9年2023月3日上午05:XNUMX
源节点： 2002034

以太网在我们生活中的出现为物联网 (IoT) 的出现铺平了道路。 以太网连接了我们周围的一切，从智能家居和企业到工业、学校和政府。 这种规范甚至出现在我们的车辆中，促进了内部设备之间的通信。 以太网使高性能计算数据中心成为可能，加速了工业流程和商业，并且可以在世界各地的家庭中找到。 尽管以太网技术日新月异，随着800G以太网的兴起和1.6T以太网的标准化，100G以上的高速以太网在边缘计算领域仍然是稀缺资源。 本文探讨了 100G 以太网如何支持边缘计算，并描述了 IP 设计人员的应用和设计挑战。

边缘计算的速度要求

“边缘”是指最终出现在数据中心或云处理范例中的任何数据源。 例如相机和传感器、移动设备、多种类型的车辆、路由器和交换机，甚至是具有处理和数据收集/共享功能的智能设备。 尽管这似乎违反直觉，但边缘既是模糊的又是动态的——如果数据聚合或处理发生在该边界上，我们就在谈论边缘计算。 边缘设备的激增见证了机器、传感器和仪表、移动和可穿戴设备的飞速增长，以及人工智能在交通、家庭和大都市技术中的不断采用。 根据 华帝市场研究，“7.1 年全球边缘计算市场价值 2021 亿美元，预计到 49.6 年将达到 2028 亿美元，在 38.2-2022 年预测期间的复合年增长率（复合年增长率）为 2028%。” 所涉及的设备可能具有多种形式因素和体系结构，但让我们将单个服务器视为它们的代表。

图 1：从边缘到云的路径。

服务器通常使用共享 PCIe 总线来连接网络接口卡 (NIC)，而使用 PCIe 3.0 的计算机是第一代，其总线速度足够快，每通道 8 GT/s，可支持使用 x100 链路（单向 16 GB/秒或 16 Gb/秒）。 借助 PCIe 128，一个 4.0 通道插槽将全速支持 8G 适配器。 这是当今机器的最佳选择，因为 x100 插槽通常在 PCIe 总线上可用。 即使对于即将到来的 PCIe 8/CXL 5.0 或 1.1 系统，2.0G 数据速率也很适合共享 PCIe 总线，除非设计人员试图以最大带宽和最小延迟进行进程间通信 (IPC) 来加速并行计算，就像设计师需要 HPC 集群一样。

表 1：PCIe 速度与版本和通道数的关系（显示的总 BW 是双向的）

边缘设备通常设计用于预处理、压缩和减少需要向上游传输的数据量。 即使您拥有必要数量的后处理数据以在单个服务器连接上充分利用 100G 数据速率，仍然需要将所有这些数据聚合起来，以便跨越一组集中的路由器和交换机，以实现面向数据中心的流量。 此外，这些架构无法在全带宽下同时为太多连接提供服务，除非它们的上行链路是单个端口速度的显着倍数。 例如，一个 32 端口 100G 以太网交换机需要向上游发送所有流量。 链路聚合控制协议 (LACP) 可用于为一个连接聚合多个端口，但即使是该协议也仅限于给定绑定的八个端口。 通过快速减少设备可提供的下游连接数量，将 LACP 与固定半径交换机结合使用会迅速增加基础设施和布线的成本。 Wi-Fi 连接都远低于 1 Gb/s，甚至蜂窝 5G 理论上的峰值也达到 20 Gbps，因此汇聚层的 100G 可以很好地服务于这些市场。

汽车应用很少需要超过 10 到 25G 的车内以太网，但确实需要高速以太网规范中尚未发现的许多可选服务质量 (QoS) 和时间敏感网络功能。 如果您在刹车等车辆控制系统和娱乐系统之间共享网络，那么即使您的孩子正在观看引人入胜的视频，优先考虑车辆控制也很重要。 时间敏感的网络功能，很快将在 100G 上得到支持，支持工业车间的聚合、视听应用、安全、医疗保健，甚至边缘的高端汽车应用！

与高速以太网相比，100G 以太网提供的另一个优势是支持 IEEE 标准指定的所有必需功能和许多可选功能，例如：

  • 基本 IEEE 802.3/802.3ba 标准的所有必需功能
  • 802.3/10/25/40/50G 以太网系统的 IEEE 100 标准
  • 用于散布快速流量的 IEEE 802.3br 参数
  • IEEE 802.1 TSN 特性
  • IEEE 1588 精密时钟同步协议
  • 用于音频视频 (AV) 流量的 IEEE 802.1-Qav
  • 符合 IEEE 802.3az 规范的节能以太网 (EEE)

100G 以太网是目前可在单通道上维持的最快以太网速度。 使用单个 100 Gb/s 通道的第三代 100G 以太网于 2022 年 802.3 月作为 IEEE 200ck 发布，以及分别使用其中两个和四个通道的 400G 和 100G 以太网，并将作为双轴向上的 2GBASE-CR 得到支持到 100m 和 100GBASE-KR 电气背板。 100GBASE-ZR 标准使用多通道架构，可以在使用单一波长的密集波分复用 (DWDM) 系统上支持超过 80 公里的 25G 以太网！ 对于更具成本效益的选项，使用 XNUMXG NRZ SerDes 的四通道配置提供了可靠的传输介质。

安全对于所有网络环境都很重要，但在 100G 以太网完全支持的边缘尤为重要 MACsec – 又名 IEEE 802.1AE。 MACsec 是一种硬件层加密机制，可通过确保遵守隐私法和防止数据盗窃来保护和保护数据。 MACsec 还可以防止流氓设备连接到网络，这是对可能既不受管理又不受监控的边缘环境的重要保护。 如果在更高层强加对加密的控制，则以太网网络上的每个连接（主机到主机、主机到交换机或交换机到交换机）都将遍历加密和未加密的流量，但是一旦为链路启用 MACsec，所有流量都在该连接将不会被窥视。

最后，在高速以太网技术的前沿，每个端口的成本急剧上升。 为边缘设备增加超高速以太网的布线成本只会使它们变得更加昂贵。 这些因素共同使 100G 成为除了最尖端计算应用之外的所有应用的完美高端匹配，这反过来又为 100G 以太网产品创造了一个巨大的消费者和专业市场市场——交换机和路由器、NIC 和电缆以及竞争有助于保持边缘部署的价格可控。

如果您正在为边缘市场开发 NIC、交换机和/或路由器等产品，Synopsys 可为您提供完整的解决方案 100G以太网IP：MAC、PCS 和全系列 PHY 选项以及验证 IP、软件开发和 IP 原型设计套件。 除了边缘之外，Synopsys 还提供高达 800G 今天，我们正在与各种标准组织合作，以推动 1.6T 的发展。

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