以太網(wǎng)在我們生活中的應(yīng)用為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的出現(xiàn)鋪平了道路。 以太網(wǎng)連接了我們周圍的一切，從智能家居和企業(yè)到工業(yè)、學(xué)校和政府。 這種規(guī)范甚至出現(xiàn)在我們的車輛中，促進(jìn)了內(nèi)部設(shè)備之間的通信。以太網(wǎng)使高性能計(jì)算數(shù)據(jù)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(wǎng)技術(shù)日新月異，隨著800G以太網(wǎng)的興起和1.6T以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化，100G以上的高速以太網(wǎng)在邊緣計(jì)算領(lǐng)域仍然是稀缺資源。本文探討了 100G 以太網(wǎng)如何支持邊緣計(jì)算，并探討了 IP 設(shè)計(jì)人員的應(yīng)用和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

【資料圖】

邊緣計(jì)算的速度要求

“邊緣”是指最終出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心或云處理范例中的任何數(shù)據(jù)源。

例如攝像機(jī)和傳感器、移動設(shè)備、各種類型的車輛、路由器和交換機(jī)，甚至是具有處理和數(shù)據(jù)收集與共享功能的智能設(shè)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(shù)據(jù)聚合或處理發(fā)生在邊緣上，我們就稱之為邊緣計(jì)算。

邊緣設(shè)備的激增見證了機(jī)器、傳感器和儀表、移動和可穿戴設(shè)備的飛速增長，以及人工智能在交通、家庭和大都市技術(shù)中的不斷采用。根據(jù)??Vantage Market Research??的數(shù)據(jù)，“2021 年全球邊緣計(jì)算市場價(jià)值為 71 億美元，預(yù)計(jì)到 2028 年將達(dá)到 496 億美元，在 2022 年至 2022 年的預(yù)測期內(nèi)復(fù)合年增長率為 38.2%?！?所涉及的設(shè)備可能具有多種形式因素和體系結(jié)構(gòu)，但我們將單個(gè)服務(wù)器視為它們的代表。

圖 1：從邊緣到云的路徑

服務(wù)器通常使用共享PCIe總線來連接網(wǎng)絡(luò)接口卡 (NIC)，而使用PCIe 3.0的計(jì)算機(jī)是第一代具有足夠快的總線(每通道8 GT/s)的計(jì)算機(jī)，可以支持使用x16鏈路(單向16gb /s或128gb /s)的100g以太網(wǎng)適配器。在PCIe 4.0中，8通道插槽將支持100G適配器全速運(yùn)行。這是當(dāng)今機(jī)器的最佳選擇，因?yàn)?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(shù)據(jù)速率也很適合共享 PCIe 總線，除非設(shè)計(jì)人員試圖以最大帶寬和最小延遲進(jìn)行進(jìn)程間通信 (IPC) 來加速并行計(jì)算 ，就像設(shè)計(jì)師需要 HPC 集群一樣。

表 1：PCIe 速度與版本和通道數(shù)的關(guān)系（顯示的總 BW 是雙向的）

邊緣設(shè)備通常設(shè)計(jì)用于預(yù)處理、壓縮和減少需要向上游傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。 即使擁有必要數(shù)量的后處理數(shù)據(jù)來充分利用單個(gè)服務(wù)器連接上的100G數(shù)據(jù)速率，但仍然需要通過集中的路由器和交換機(jī)集對面向數(shù)據(jù)中心的流量進(jìn)行聚合。此外，這些架構(gòu)不能在全帶寬下同時(shí)服務(wù)太多的連接，除非它們的上行鏈路是單個(gè)端口速度的很多倍。

例如，一臺32端口100G以太網(wǎng)交換機(jī)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(gè)連接聚合多個(gè)端口，但即使是該協(xié)議，對于給定的綁定也僅限于八個(gè)端口。使用帶有固定半徑交換機(jī)的LACP會迅速減少設(shè)備可以提供的下游連接數(shù)量，從而迅速增加基礎(chǔ)設(shè)施和布線的成本。Wi-Fi連接都遠(yuǎn)低于1gb /s，即使是蜂窩5G理論上也能達(dá)到20gbps的峰值，所以在聚合層的100G可以很好地服務(wù)這些市場。

汽車應(yīng)用很少需要超過10到25G的車載以太網(wǎng)，但確實(shí)需要許多可選的服務(wù)質(zhì)量(QoS)和時(shí)間敏感的網(wǎng)絡(luò)功能，這些功能在高速以太網(wǎng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)，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(shí)間敏感的網(wǎng)絡(luò)功能，很快將在100G上得到支持，支持工業(yè)車間的聚合、視聽?wèi)?yīng)用、安全、醫(yī)療保健，甚至邊緣的高端汽車應(yīng)用！

與高速以太網(wǎng)相比，100G 以太網(wǎng)提供的另一個(gè)優(yōu)勢是支持IEEE標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的所有必需功能10/25/40/50/100G 以太網(wǎng)系統(tǒng)的 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)用于Interspersing Express Traffic的 IEEE 802.3br 參數(shù)IEEE 802.1 TSN 特性IEEE 1588 精密時(shí)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)是目前可在單通道上維持的最快以太網(wǎng)速度。使用單個(gè)100 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(gè)和四個(gè)通道的200G和400G 以太網(wǎng)，并將支持高達(dá)2m的雙聯(lián)100GBASE-CR和用于電背板的100GBASE-KR。100GBASE-ZR 標(biāo)準(zhǔn)使用多通道架構(gòu)，可以在使用單一波長的密集波分復(fù)用 (DWDM) 系統(tǒng)上支持超過80公里的100G以太網(wǎng)！ 對于更具成本效益的選項(xiàng)，使用 25G NRZ SerDes 的四通道配置提供了可靠的傳輸介質(zhì)。

安全性對于所有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境都很重要，但在100G以太網(wǎng)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(jī)制，通過確保遵守隱私法和防止數(shù)據(jù)盜竊來保護(hù)和保護(hù)數(shù)據(jù)。MACsec還可以防止非法設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，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(hù)。以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)連接(主機(jī)到主機(jī)、主機(jī)到交換機(jī)或交換機(jī)到交換機(jī))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(wǎng)技術(shù)的前沿，每個(gè)端口的成本急劇上升。加上用于邊緣設(shè)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。這些因素共同作用，使100G成為除最尖端計(jì)算應(yīng)用之外的所有應(yīng)用的完美頂級匹配，這反過來又導(dǎo)致在消費(fèi)者和專業(yè)層面上為100G以太網(wǎng)產(chǎn)品(交換機(jī)和路由器、網(wǎng)卡和電纜)創(chuàng)造了一個(gè)巨大的市場，競爭有助于保持邊緣部署的價(jià)格可控。

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