100G以太网IP用于边缘计算

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。以太网已经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。这一规格甚至可以在我们的车辆中找到，促进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。尽管以太网技术不断进步，但随着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中仍然是罕见的。本文探讨100G以太网如何实现边缘计算，并描述IP设计人员面临的应用程序和设计挑战。

边缘计算的速度要求

“边缘”指的是最终进入数据中心或云处理范式的任何数据源。例如相机和传感器、移动设备、许多类型的车辆、路由器和交换机，甚至具有处理和数据收集/共享功能的智能设备。虽然这似乎与直觉相反，但边缘是模糊的和动态的——如果数据聚合或处理发生在边界上，我们谈论的就是边缘计算。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迅速增长，以及人工智能在交通、家庭和城市技术中的不断采用。根据Vantage市场研究“到2021年，全球边缘计算市场的价值为71亿美元，预计到2028年将达到496亿美元，在2022-2028年预测期内，CAGR(复合年增长率)为38.2%。”所涉及的设备可能有许多形式因素和体系结构，但是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的PCIe总线来连接网络接口卡(nic)，而使用PCIe 3.0的计算机是第一代具有足够快的总线(每通道8 GT/s)的计算机，可以支持使用x16链路(单向16gb /s或128gb /s)的100g以太网适配器。在PCIe 4.0中，8通道插槽将支持100G适配器全速运行。这是当今机器的最佳位置，因为x8插槽通常在PCIe总线上可用。即使是即将到来的新一代PCIe 5.0/CXL 1.1或2.0系统，100G的数据速率也非常适合共享PCIe总线，除非设计人员试图用最大带宽和进程间通信(IPC)的最小延迟来加速并行计算，就像设计人员需要HPC集群那样。

表1:作为版本和车道数函数的PCIe速度(显示的总BW是双向的)

边缘设备通常用于预处理、压缩和减少需要传输到上游的数据量。即使您拥有必要数量的后处理数据来充分利用单个服务器连接上的100G数据速率，但仍然需要通过集中的路由器和交换机集对面向数据中心的流量进行聚合。此外，这些架构不能在全带宽下同时服务太多的连接，除非它们的上行链路是单个端口速度的显著倍数。例如，一台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(Link Aggregation Control Protocol, LACP)可用于为一个连接聚合多个端口，但即使是该协议，对于给定的绑定也仅限于八个端口。使用带有固定半径交换机的LACP会迅速减少设备可以提供的下游连接数量，从而迅速增加基础设施和布线的成本。Wi-Fi连接都远低于1gb /s，即使是蜂窝5G理论上也能达到20gbps的峰值，所以在聚合层的100G可以很好地服务这些市场。

汽车应用很少需要超过10到25G的车载以太网，但确实需要许多可选的服务质量(QoS)和时间敏感的网络功能，这些功能在高速以太网规范中还没有。如果你在刹车等车辆控制系统和娱乐系统之间共享一个网络，即使你的孩子正在观看精彩的视频，也要优先考虑车辆控制。即将在100G下支持的时间敏感网络功能，可支持工业楼层、视听应用、安全、医疗保健甚至高端汽车边缘应用的聚合!

与高速以太网相比，100G以太网提供的另一个优势是支持IEEE标准规定的所有必需和许多可选特性，例如:

• 基本IEEE 802.3/802.3ba标准的所有必需特性
• 用于10/25/40/50/100G以太网系统的IEEE 802.3标准
• IEEE 802.3br参数
• IEEE 802.1 TSN特性
• IEEE 1588精确时钟同步协议
• IEEE 802.1-Qav用于音频视频(AV)流量
• IEEE 802.3az规定的EEE (Energy Efficient Ethernet)

100G以太网是目前可以在单通道上维持的最快以太网速度。使用单个100gb /s通道的第三代100G以太网于2022年12月发布，为IEEE 802.3ck，以及分别使用其中两个和四个通道的200G和400G以太网，并将支持高达2m的双联100GBASE-CR和用于电背板的100GBASE-KR。使用多通道架构，100GBASE-ZR标准可以在使用单一波长的密集波分多路复用(DWDM)系统上支持超过80公里的100G以太网!对于更具成本效益的选择，使用25G NRZ SerDes的四车道配置提供了可靠的传输介质。

安全性对于所有网络环境都很重要，但在完全支持100G以太网的边缘环境中尤为重要MACsec-又名IEEE 802.1AE。MACsec是一种硬件层加密机制，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还可以防止非法设备连接到网络，这是对可能既不受管理又不受监控的边缘环境的关键保护。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，如果对加密的控制施加在更高的层，但是一旦对链路启用了MACsec，该连接上的所有流量都将免受窥探。

最后，在高速以太网技术的前沿，每个端口的成本急剧上升。加上用于边缘设备的超高速以太网的布线成本，只会使它们变得更加昂贵。这些因素共同作用，使100G成为除最尖端计算应用之外的所有应用的完美顶级匹配，这反过来又导致在消费者和专业层面上为100G以太网产品(交换机和路由器、网卡和电缆)创造了一个巨大的市场，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网卡、交换机和/或路由器等产品，Synopsys为您提供完整的解决方案100G以太网IP: MAC, pc和全套PHY选项以及验证IP，软件开发和IP原型工具包。除此之外，Synopsys还提供高速以太网IP高达800克今天，我们正在与各个标准组织合作，以实现1.6T的发展。