La presencia de Ethernet en nuestras vidas ha allanado el camino para el surgimiento de Internet de las cosas (IoT). Ethernet ha conectado todo lo que nos rodea y más allá, desde hogares y negocios inteligentes hasta industrias, escuelas y gobiernos. Esta especificación se encuentra incluso en nuestros vehículos, facilitando la comunicación entre dispositivos internos. Ethernet ha permitido centros de datos informáticos de alto rendimiento, procesos industriales acelerados y comercio, y se puede encontrar en hogares de todo el mundo. A pesar de los avances en la tecnología Ethernet, con el auge de Ethernet 800G y la estandarización de Ethernet 1.6T, Ethernet de alta velocidad por encima de 100G sigue siendo una rareza en la informática perimetral. Este artículo explora cómo 100G Ethernet permite la computación perimetral y describe las aplicaciones y los desafíos de diseño para los diseñadores de IP.

Requisitos de velocidad para la informática perimetral

“The Edge” se refiere a cualquier fuente de datos que finalmente termina en un centro de datos o en un paradigma de procesamiento en la nube. Los ejemplos son cámaras y sensores, dispositivos móviles, muchos tipos de vehículos, enrutadores y conmutadores, e incluso dispositivos inteligentes que tienen capacidades de procesamiento y recopilación/compartición de datos. Aunque pueda parecer contrario a la intuición, el perímetro es borroso y dinámico: si la agregación o el procesamiento de datos se produce en ese perímetro, estamos hablando de computación perimetral. La proliferación de dispositivos de borde ha experimentado un crecimiento meteórico con máquinas, sensores y medidores, dispositivos móviles y portátiles, y la adopción continua de IA en tecnologías de transporte, hogar y metropolitanas. De acuerdo a Investigación de mercado de Vantage, "El mercado global de Edge Computing está valorado en USD 7.1 mil millones en 2021 y se prevé que alcance un valor de USD 49.6 mil millones para 2028 con una CAGR (tasa de crecimiento anual compuesta) del 38.2 % durante el período de pronóstico 2022-2028". Los dispositivos involucrados pueden tener muchos factores de forma y arquitecturas, pero veamos un servidor individual como representativo de ellos.

Fig. 1: Caminos a la nube desde el borde.

Los servidores generalmente usan un bus PCIe compartido para conectar tarjetas de interfaz de red (NIC), y las computadoras que usan PCIe 3.0 son la primera generación con un bus lo suficientemente rápido a 8 GT/s por carril para admitir adaptadores Ethernet de 100 G que usan un enlace x16 (unidireccional 16 GB/s o 128 Gb/s). Con PCIe 4.0, una ranura de 8 carriles admitirá un adaptador de 100 G a máxima velocidad. Ese es un punto óptimo para las máquinas de hoy porque las ranuras x8 generalmente están disponibles en un bus PCIe. Incluso con la próxima generación de sistemas PCIe 5.0/CXL 1.1 o 2.0, la velocidad de datos de 100 G es un ajuste cómodo en un bus PCIe compartido, a menos que los diseñadores intenten acelerar el cómputo paralelo con un ancho de banda máximo y una latencia mínima para la comunicación entre procesos (IPC). , como los diseñadores necesitan para los clústeres de HPC.

Tabla 1: Velocidades de PCIe en función de la versión y el número de carriles (el ancho de banda total que se muestra es bidireccional)

Los dispositivos perimetrales generalmente están diseñados para preprocesar, comprimir y reducir la cantidad de datos que deben transferirse aguas arriba. Incluso si tuviera la cantidad necesaria de datos posprocesados ​​para utilizar por completo la velocidad de datos de 100 G en la conexión del servidor individual, aún debe agregarse todo para el tráfico orientado al centro de datos a través de un conjunto concentrador de enrutadores y conmutadores. Además, esas arquitecturas no podrían dar servicio a demasiadas conexiones simultáneas con un ancho de banda completo a menos que tengan enlaces ascendentes que sean un múltiplo significativo de las velocidades de los puertos individuales. Por ejemplo, un conmutador Ethernet 32G de 100 puertos necesita enviar todo ese tráfico en sentido ascendente. El Protocolo de control de agregación de enlaces (LACP) se puede usar para agregar varios puertos para una conexión, pero incluso ese protocolo está limitado a ocho puertos para un enlace determinado. El uso de LACP con un conmutador de radio fijo aumenta rápidamente el costo de la infraestructura y el cableado al reducir rápidamente la cantidad de conexiones descendentes que el dispositivo puede proporcionar. Las conexiones Wi-Fi están todas individualmente muy por debajo de 1 Gb/s, e incluso el 5G celular teóricamente alcanza un máximo de 20 Gbps, por lo que 100G en la capa de agregación atiende bien a esos mercados.

Las aplicaciones automotrices rara vez necesitan más de 10 a 25G Ethernet dentro del vehículo, pero sí requieren muchas de las funciones opcionales de calidad de servicio (QoS) y redes sensibles al tiempo que aún no se encuentran en las especificaciones de Ethernet de mayor velocidad. Si comparte una red entre los sistemas de control del vehículo, como los frenos y un sistema de entretenimiento, es importante priorizar el control del vehículo incluso si sus hijos están viendo un video atractivo. Las funciones de red sensibles al tiempo, que pronto serán compatibles con 100G, permiten la agregación en plantas industriales, aplicaciones audiovisuales, seguridad, atención médica e incluso aplicaciones automotrices de alta gama en el perímetro.

Otra ventaja que proporciona 100G Ethernet, a diferencia de sus contrapartes de mayor velocidad, es la compatibilidad con todas las funciones requeridas y muchas opcionales especificadas por los estándares IEEE, tales como:

• Todas las características requeridas del estándar IEEE 802.3/802.3ba base
• Estándares IEEE 802.3 para sistemas Ethernet 10/25/40/50/100G
• Parámetros IEEE 802.3br para Interspersing Express Traffic
• Características de IEEE 802.1 TSN
• Protocolo de sincronización de reloj de precisión IEEE 1588
• IEEE 802.1-Qav para tráfico de audio y video (AV)
• Ethernet de eficiencia energética (EEE) según lo especificado en IEEE 802.3az

100G Ethernet es actualmente la velocidad de Ethernet más rápida que se puede mantener en un solo carril. La tercera generación de Ethernet 100G que usa un solo carril de 100 Gb/s se publicó en diciembre de 2022 como IEEE 802.3ck, junto con Ethernet 200G y 400G que usan dos y cuatro de esos carriles respectivamente, y será compatible como 100GBASE-CR para twinax up a 2m y 100GBASE-KR para backplanes eléctricos. Usando arquitecturas de múltiples carriles, el estándar 100GBASE-ZR puede admitir 100G Ethernet en más de 80 km a través de un sistema de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) usando una sola longitud de onda. Para opciones más rentables, una configuración de cuatro carriles con 25G NRZ SerDes proporciona un medio de transporte confiable.

La seguridad es importante para todos los entornos de red, pero es particularmente crítica en el perímetro donde 100G Ethernet es totalmente compatible MACsec – también conocido como IEEE 802.1AE. MACsec es un mecanismo de cifrado de capa de hardware que protege y asegura los datos al garantizar el cumplimiento de las leyes de privacidad y evitar el robo de datos. MACsec también puede evitar que los dispositivos no autorizados se conecten a una red, lo cual es una protección crítica para un entorno de borde que podría no estar administrado ni supervisado. Cada conexión en una red Ethernet (host a host, host a conmutador o conmutador a conmutador) atravesará tráfico cifrado y sin cifrar si el control sobre ese cifrado se impone en capas superiores, pero una vez que se habilita MACsec para un enlace, todo el tráfico en esa conexión estará protegida de miradas indiscretas.

Por último, el costo por puerto sube dramáticamente en la vanguardia de la tecnología Ethernet de alta velocidad. Agregar el costo del cableado para Ethernet de ultra alta velocidad para dispositivos perimetrales solo los hace mucho más caros. Estos factores conspiran para hacer de 100G la combinación perfecta de gama alta para todas las aplicaciones informáticas excepto las más avanzadas, lo que a su vez ha llevado a la creación de un enorme mercado, tanto a nivel de consumidor como profesional, para productos 100G Ethernet: conmutadores y enrutadores, NIC y cables, y la competencia ha ayudado a mantener el punto de precio manejable para implementaciones perimetrales.

Si está desarrollando productos como NIC, conmutadores o enrutadores para el mercado perimetral, Synopsys ofrece una solución completa para IP Ethernet 100G: MAC, PCS y una gama completa de opciones PHY junto con IP de verificación, desarrollo de software y kits de creación de prototipos de IP. Más allá del borde, Synopsys también ofrece IP Ethernet de alta velocidad hasta 800G hoy y estamos trabajando con los diversos grupos de estándares para habilitar 1.6T en el futuro.

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• Fuente: https://semiengineering.com/100g-ethernet-ip-for-edge-computing/