用于边缘计算的100G以太网 IP

以太网在我们生活中的应用为物联网 (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他们的身影。

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，并探讨了 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Vantage Market Research的数据，“2021 年全球边缘计算市场价值为 71 亿美元，预计到 2028 年将达到 496 亿美元，在 2022 年至 2022 年的预测期内复合年增长率为 38.2%。” 所涉及的设备可能具有多种形式因素和体系结构，但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选择，因为 x8 插槽通常在 PCIe 总线上可用。即使对于即将到来的 PCIe 5.0/CXL 1.1 或 2.0 系统，100G 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很多倍。

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。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：

1. 基本 IEEE 802.3/802.3ba 标准的所有必需功能
2. 10/25/40/50/100G 以太网系统的 IEEE 802.3 标准
3. 用于Interspersing Express Traffic的 IEEE 802.3br 参数
   
4. IEEE 802.1 TSN 特性
5. IEEE 1588 精密时钟同步协议
6. 用于音频视频 (AV) 流量的 IEEE 802.1-Qav
7. 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 12 月作为 IEEE 802.3ck 发布，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。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100G以太网！ 对于更具成本效益的选项，使用 25G NRZ SerDes 的四通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100G以太网完全支持MACsec(即IEEE 802.1AE)的边缘环境中尤为重要。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 NIC、交换机和/或路由器等产品，Synopsys 可为 100G 以太网 IP 提供完整的解决方案：MAC、PCS 和全方位的 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 今天还提供高达 800G 的高速以太网 IP，我们正在与各种标准组织合作，以实现 1.6T 的发展。

本文作者：Jerry Lotto是Synopsys公司的高级技术营销经理。