[技術(shù)前沿]100G以太網(wǎng)仍然是邊緣和互聯(lián)網(wǎng)之間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇
以太網(wǎng)在 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 生活中的應用為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的普及打下了堅實的基礎(chǔ)。從智能家居和企業(yè)到工業(yè)、學校和政府，以太網(wǎng)已經(jīng)成為連接 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 周圍一切事物的紐帶。甚至在車輛中，以太網(wǎng)也促進了內(nèi)部設備之間的高效通信。以太網(wǎng)讓高性能計算數(shù)據(jù)中心成為可能，加速了工業(yè)流程和商業(yè)開展，如今，它已經(jīng)在世界各地的家庭中得到了普及。然而，盡管以太網(wǎng)技術(shù)取得了巨大進步，800G以太網(wǎng)開始興起，甚至1.6T 以太網(wǎng)也開始標準化，但在邊緣計算領(lǐng)域，100G 以上的高速以太網(wǎng)仍然很罕見。本文探討了 100G 以太網(wǎng)在邊緣計算中的實現(xiàn)，并描述了 IP 設計人員面臨的應用和設計挑戰(zhàn)。
邊緣計算不斷增長的速度要求
“邊緣”是指在數(shù)據(jù)到達數(shù)據(jù)中心或云處理環(huán)境之前，收集和處理數(shù)據(jù)的各種設備。這些設備包括攝像機、傳感器、移動設備、車輛、路由器、交換機，甚至智能設備。邊緣計算既具動態(tài)性又具復雜性，隨著機器、傳感器、儀表以及移動和可穿戴設備等邊緣設備的激增，促進了邊緣計算的飛速開展，同時人工智能在交通、家居和大都市技術(shù)中得到不斷采用。以太網(wǎng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)在邊緣和互聯(lián)網(wǎng)之間的高速傳輸，因而不斷是邊緣計算的關(guān)鍵有助于因素。
圖 1：計算正在從云遷移到邊緣
根據(jù) Vantage Market Research 的數(shù)據(jù)，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，復合年增長率 (CAGR) 為 38.2%。邊緣計算涉及的設備可能具有多種形式因素和體系結(jié)構(gòu)，但在此 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將以單個服務器作為是這些設備的代表。
圖 2：從邊緣到云的路徑
100G以太網(wǎng)：邊緣計算的最佳選擇
服務器通常使用共享 PCIe 總線來連接網(wǎng)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 16 GB/s 或 128 Gb/s）的 100 G 以太網(wǎng)適配器。隨著PCIe 4.0的問世，8 通道插槽將支持 100G 適配器全速運行，這成為當今機器的最佳選擇，因為 x8 插槽通?？稍?PCIe 總線上使用。即使對于即將推出的新一代 PCIe 5.0/CXL 1.1 或 2.0 系統(tǒng)，100G 數(shù)據(jù)速率也適合共享 PCIe 總線，除非設計人員正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，就像設計人員需要 HPC 集群一樣。
表 1：PCIe帶寬與版本和通道數(shù)的關(guān)系（所顯示的總帶寬為雙向）
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?shù)臄?shù)據(jù)量。即使您擁有足夠的后處理數(shù)據(jù)，可以充分利用單個服務器連接上的 100G 數(shù)據(jù)速率，仍然需要順利獲得一組集中的路由器和交換機來對面向數(shù)據(jù)中心的流量進行聚合。此外，這些架構(gòu)無法在全帶寬下同時為過多鏈路給予服務，除非它們有上行鏈路，并且這些上行鏈路是單個端口速度的很多倍。例如，32 端口 100G 以太網(wǎng)交換機需要將所有流量發(fā)送到上游。鏈路聚合控制協(xié)議 (LACP) 可用于聚合一個連接的多個端口，但即使采用該協(xié)議，對于給定的綁定，也僅限于八個端口。若使用具有固定半徑交換機的 LACP，則會迅速降低設備可給予的下游連接數(shù)量，導致基礎(chǔ)架構(gòu)和布線的成本急劇上升。單獨的Wi-Fi 連接速率都遠低于 1 Gb/s，而5G蜂窩的理論峰值速率也只能達到 20 Gbps，因此聚合層上的 100G 能夠很好地滿足這些市場需求。
邊緣的車載以太網(wǎng)應用
汽車應用很少需要超過 10G 到 25G 的車載以太網(wǎng)，但確實需要許多高速以太網(wǎng)規(guī)范中尚未包含的可選服務質(zhì)量 (QoS) 和時間敏感型網(wǎng)絡功能。如果將網(wǎng)絡共享于車輛控制系統(tǒng)（如剎車系統(tǒng)）和娛樂系統(tǒng)之間，有必要優(yōu)先考慮車輛控制，即使您的孩子正在觀看有趣的視頻。時間敏感型網(wǎng)絡功能即將在 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！
100G 以太網(wǎng)支持 IEEE 標準和多通道架構(gòu)
與高速以太網(wǎng)相比，100G 以太網(wǎng)具有的另一項優(yōu)勢是支持 IEEE 標準規(guī)定的所有必要功能和許多可選功能，例如：
基本 IEEE 802.3/802.3ba 標準的所有必要功能
■10/25/40/50/100G 以太網(wǎng)系統(tǒng)的 IEEE 802.3 標準
■用于 Interspersing Express Traffic 的 IEEE 802.3br 參數(shù)
■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(wǎng) (EEE)
100G 以太網(wǎng)是現(xiàn)在可在單通道上保持的最快以太網(wǎng)速度。使用單個 100G Gb/s 通道的第三代 100G 以太網(wǎng)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(wǎng)，并將支持高達 2 米的雙軸電纜 100GBASE-CR 以及用于電氣背板的 100GBASE-KR。100GBASE-ZR 標準使用多通道架構(gòu)，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(wǎng)！如果希望成本更具優(yōu)勢，使用 25G NRZ SerDes 的四通道配置可給予可靠的傳輸介質(zhì)。
保護邊緣：MACSec
圖 3：MACsec 的安全網(wǎng)絡流量（用于汽車、5G 和 HPC SoC）
安全性對所有網(wǎng)絡環(huán)境都很重要，但在完全支持 MACSec（即 IEEE 802.1AE）的100G以太網(wǎng)邊緣環(huán)境中尤為重要。MACSec 是一種硬件層加密機制，順利獲得確保數(shù)據(jù)遵守隱私法律和防止數(shù)據(jù)被盜來保護數(shù)據(jù)。此外，MACSec 還可以防止惡意設備連接到網(wǎng)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(guān)鍵保護。如果在更高層對加密施加控制，則以太網(wǎng)網(wǎng)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）將遍歷已加密和未加密的流量，但是，一旦鏈路啟用了 MACsec，該連接上的所有流量都將受到保護，免遭窺探。
經(jīng)濟高效
最后，在高速以太網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)的布線成本，只會使它們變得更加昂貴。這些因素共同使 100G 成為除了最尖端計算應用之外的所有應用的完美高端匹配之選，同時也有助于了 100G 以太網(wǎng)產(chǎn)品的消費級和專業(yè)級市場的繁榮開展——包括交換機、路由器、NIC 和電纜。市場競爭有助于保持邊緣部署的價格合理。
總結(jié)
隨著邊緣計算市場的興起，100G 以太網(wǎng)仍然是邊緣和互聯(lián)網(wǎng)之間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。新思科技給予了完整的100G 以太網(wǎng) IP解決方案，包括 MAC、PCS 和各種 PHY 選項，以及驗證 IP、軟件開發(fā)和 IP 原型設計套件。該解決方案是邊緣市場中希望將 100G 以太網(wǎng)技術(shù)融入其產(chǎn)品的 NIC、交換機和路由器開發(fā)人員的理想選擇。此外，除了100G 以太網(wǎng) IP 解決方案，新思科技還給予高達 800G 的高速以太網(wǎng) IP，并且正在持續(xù)與各種標準團體合作，以期在未來實現(xiàn) 1.6T。這種廣泛的 IP 解決方案使新思科技能夠滿足從邊緣設備到高端數(shù)據(jù)中心的各種網(wǎng)絡市場客戶的需求。
作者：Synopsys 高級技術(shù)產(chǎn)品經(jīng)理 Jerry Lotto
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