用于邊緣計算的100G以太網 IP
以太網在我們生活中的應用為物聯(lián)網 (IoT) 的出現鋪平了道路。 以太網連接了我們周圍的一切，從智能家居和企業(yè)到工業(yè)、學校和政府。 這種規(guī)范甚至出現在我們的車輛中，促進了內部設備之間的通信。以太網使高性能計算數據中心成為可能，加速了工業(yè)流程和商業(yè)，并且可以在世界各地的家庭中找到他們的身影。
盡管以太網技術日新月異，隨著800G以太網的興起和1.6T以太網的標準化，100G以上的高速以太網在邊緣計算領域仍然是稀缺資源。本文探討了 100G 以太網如何支持邊緣計算，并探討了 IP 設計人員的應用和設計挑戰(zhàn)。
邊緣計算的速度要求
“邊緣”是指最終出現在數據中心或云處理范例中的任何數據源。
例如攝像機和傳感器、移動設備、各種類型的車輛、路由器和交換機，甚至是具有處理和數據收集與共享功能的智能設備。盡管這似乎違反直覺，但邊緣既是模糊的又是動態(tài)的——如果數據聚合或處理發(fā)生在邊緣上，我們就稱之為邊緣計算。
邊緣設備的激增見證了機器、傳感器和儀表、移動和可穿戴設備的飛速增長，以及人工智能在交通、家庭和大都市技術中的不斷采用。根據??Vantage Market Research??的數據，“2021 年全球邊緣計算市場價值為 71 億美元，預計到 2028 年將達到 496 億美元，在 2022 年至 2022 年的預測期內復合年增長率為 38.2%。” 所涉及的設備可能具有多種形式因素和體系結構，但我們將單個服務器視為它們的代表。
圖 1：從邊緣到云的路徑
服務器通常使用共享PCIe總線來連接網絡接口卡 (NIC)， 而使用PCIe 3.0的計算機是第一代具有足夠快的總線(每通道8 GT/s)的計算機，可以支持使用x16鏈路(單向16gb /s或128gb /s)的100g以太網適配器。在PCIe 4.0中，8通道插槽將支持100G適配器全速運行。這是當今機器的最佳選擇，因為 x8 插槽通常在 PCIe 總線上可用。即使對于即將到來的 PCIe 5.0/CXL 1.1 或 2.0 系統(tǒng)，100G 數據速率也很適合共享 PCIe 總線，除非設計人員試圖以最大帶寬和最小延遲進行進程間通信 (IPC) 來加速并行計算 ，就像設計師需要 HPC 集群一樣。
表 1：PCIe 速度與版本和通道數的關系（顯示的總 BW 是雙向的）
邊緣設備通常設計用于預處理、壓縮和減少需要向上游傳輸的數據量。 即使擁有必要數量的后處理數據來充分利用單個服務器連接上的100G數據速率，但仍然需要通過集中的路由器和交換機集對面向數據中心的流量進行聚合。此外，這些架構不能在全帶寬下同時服務太多的連接，除非它們的上行鏈路是單個端口速度的很多倍。
例如，一臺32端口100G以太網交換機需要向上游發(fā)送所有流量。鏈路聚合控制協(xié)議(Link Aggregation Control Protocol, LACP)可用于為一個連接聚合多個端口，但即使是該協(xié)議，對于給定的綁定也僅限于八個端口。使用帶有固定半徑交換機的LACP會迅速減少設備可以提供的下游連接數量，從而迅速增加基礎設施和布線的成本。Wi-Fi連接都遠低于1gb /s，即使是蜂窩5G理論上也能達到20gbps的峰值，所以在聚合層的100G可以很好地服務這些市場。
汽車應用很少需要超過10到25G的車載以太網，但確實需要許多可選的服務質量(QoS)和時間敏感的網絡功能，這些功能在高速以太網規(guī)范中還沒有。如果你在剎車等車輛控制系統(tǒng)和娛樂系統(tǒng)之間共享一個網絡，即使你的孩子正在觀看精彩的視頻，也要優(yōu)先考慮車輛控制。時間敏感的網絡功能，很快將在100G上得到支持，支持工業(yè)車間的聚合、視聽應用、安全、醫(yī)療保健，甚至邊緣的高端汽車應用！
與高速以太網相比，100G 以太網提供的另一個優(yōu)勢是支持IEEE標準指定的所有必需功能和許多可選功能，例如：
- 基本 IEEE 802.3/802.3ba 標準的所有必需功能
- 10/25/40/50/100G 以太網系統(tǒng)的 IEEE 802.3 標準
- 用于Interspersing Express Traffic的 IEEE 802.3br 參數
- IEEE 802.1 TSN 特性
- IEEE 1588 精密時鐘同步協(xié)議
- 用于音頻視頻 (AV) 流量的 IEEE 802.1-Qav
- 符合 IEEE 802.3az 規(guī)范的節(jié)能以太網 (EEE)
100G 以太網是目前可在單通道上維持的最快以太網速度。使用單個100 Gb/s通道的第三代100G 以太網于 2022 年 12 月作為 IEEE 802.3ck 發(fā)布，以及分別使用其中兩個和四個通道的200G和400G 以太網， 并將支持高達2m的雙聯(lián)100GBASE-CR和用于電背板的100GBASE-KR。100GBASE-ZR 標準使用多通道架構，可以在使用單一波長的密集波分復用 (DWDM) 系統(tǒng)上支持超過80公里的100G以太網！ 對于更具成本效益的選項，使用 25G NRZ SerDes 的四通道配置提供了可靠的傳輸介質。
安全性對于所有網絡環(huán)境都很重要，但在100G以太網完全支持MACsec(即IEEE 802.1AE)的邊緣環(huán)境中尤為重要。MACsec是一種硬件層加密機制，通過確保遵守隱私法和防止數據盜竊來保護和保護數據。MACsec還可以防止非法設備連接到網絡，這是對可能既不受管理又不受監(jiān)控的邊緣環(huán)境的關鍵保護。以太網網絡上的每個連接(主機到主機、主機到交換機或交換機到交換機)都將遍歷加密和未加密的流量，如果對加密的控制施加在更高的層，但是一旦對鏈路啟用了MACsec，該連接上的所有流量都將免受窺探。
最后，在高速以太網技術的前沿，每個端口的成本急劇上升。加上用于邊緣設備的超高速以太網的布線成本，只會使它們變得更加昂貴。這些因素共同作用，使100G成為除最尖端計算應用之外的所有應用的完美頂級匹配，這反過來又導致在消費者和專業(yè)層面上為100G以太網產品(交換機和路由器、網卡和電纜)創(chuàng)造了一個巨大的市場，競爭有助于保持邊緣部署的價格可控。
如果您正在為邊緣市場開發(fā) NIC、交換機和/或路由器等產品，Synopsys 可為 100G 以太網 IP 提供完整的解決方案：MAC、PCS 和全方位的 PHY 選項以及驗證 IP、軟件開發(fā)和 IP 原型設計套件。除了邊緣之外，Synopsys 今天還提供高達 800G 的高速以太網 IP，我們正在與各種標準組織合作，以實現 1.6T 的發(fā)展。
