[技术前沿]100G以太网仍然是边缘和互联网之间高速数据传输的最佳选择

以太网在我们生活中的应用为物联网 (IoT) 的普及打下了坚实的基础。从智能家居和企业到工业、学校和政府，以太网已经成为连接我们周围一切事物的纽带。甚至在车辆中，以太网也促进了内部设备之间的高效通信。以太网让高性能计算数据中心成为可能，加速了工业流程和商业发展，如今，它已经在世界各地的家庭中得到了普及。然而，尽管以太网技术取得了巨大进步，800G以太网开始兴起，甚至1.6T 以太网也开始标准化，但在边缘计算领域，100G 以上的高速以太网仍然很罕见。本文探讨了 100G 以太网在边缘计算中的实现，并描述了 IP 设计人员面临的应用和设计挑战。

边缘计算不断增长的速度要求

“边缘”是指在数据到达数据中心或云处理环境之前，收集和处理数据的各种设备。这些设备包括摄像机、传感器、移动设备、车辆、路由器、交换机，甚至智能设备。边缘计算既具动态性又具复杂性，随着机器、传感器、仪表以及移动和可穿戴设备等边缘设备的激增，促进了边缘计算的飞速发展，同时人工智能在交通、家居和大都市技术中得到不断采用。以太网可实现数据在边缘和互联网之间的高速传输，因而一直是边缘计算的关键推动因素。

图 1：计算正在从云迁移到边缘

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，复合年增长率 (CAGR) 为 38.2%。边缘计算涉及的设备可能具有多种形式因素和体系结构，但在此我们将以单个服务器作为是这些设备的代表。

图 2：从边缘到云的路径

100G以太网：边缘计算的最佳选择

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 16 GB/s 或 128 Gb/s）的 100 G 以太网适配器。随着PCIe 4.0的问世，8 通道插槽将支持 100G 适配器全速运行，这成为当今机器的最佳选择，因为 x8 插槽通常可在 PCIe 总线上使用。即使对于即将推出的新一代 PCIe 5.0/CXL 1.1 或 2.0 系统，100G 数据速率也适合共享 PCIe 总线，除非设计人员正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，就像设计人员需要 HPC 集群一样。

表 1：PCIe带宽与版本和通道数的关系（所显示的总带宽为双向）

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。即使您拥有足够的后处理数据，可以充分利用单个服务器连接上的 100G 数据速率，仍然需要通过一组集中的路由器和交换机来对面向数据中心的流量进行聚合。此外，这些架构无法在全带宽下同时为过多链路提供服务，除非它们有上行链路，并且这些上行链路是单个端口速度的很多倍。例如，32 端口 100G 以太网交换机需要将所有流量发送到上游。链路聚合控制协议 (LACP) 可用于聚合一个连接的多个端口，但即使采用该协议，对于给定的绑定，也仅限于八个端口。若使用具有固定半径交换机的 LACP，则会迅速降低设备可提供的下游连接数量，导致基础架构和布线的成本急剧上升。单独的Wi-Fi 连接速率都远低于 1 Gb/s，而5G蜂窝的理论峰值速率也只能达到 20 Gbps，因此聚合层上的 100G 能够很好地满足这些市场需求。

边缘的车载以太网应用

汽车应用很少需要超过 10G 到 25G 的车载以太网，但确实需要许多高速以太网规范中尚未包含的可选服务质量 (QoS) 和时间敏感型网络功能。如果将网络共享于车辆控制系统（如刹车系统）和娱乐系统之间，有必要优先考虑车辆控制，即使您的孩子正在观看有趣的视频。时间敏感型网络功能即将在 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！

100G 以太网支持 IEEE 标准和多通道架构

与高速以太网相比，100G 以太网具有的另一项优势是支持 IEEE 标准规定的所有必要功能和许多可选功能，例如：

基本 IEEE 802.3/802.3ba 标准的所有必要功能

  ■10/25/40/50/100G 以太网系统的 IEEE 802.3 标准

  ■用于 Interspersing Express Traffic 的 IEEE 802.3br 参数

  ■IEEE 802.1 TSN 特性

  ■IEEE 1588 精密时钟同步协议

  ■用于音频视频 (AV) 流量的 IEEE 802.1-Qav

  ■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保持的最快以太网速度。使用单个 100G 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 2 米的双轴电缆 100GBASE-CR 以及用于电气背板的 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！如果希望成本更具优势，使用 25G NRZ SerDes 的四通道配置可提供可靠的传输介质。

保护边缘：MACSec

图 3：MACsec 的安全网络流量（用于汽车、5G 和 HPC SoC）

安全性对所有网络环境都很重要，但在完全支持 MACSec（即 IEEE 802.1AE）的100G以太网边缘环境中尤为重要。MACSec 是一种硬件层加密机制，通过确保数据遵守隐私法律和防止数据被盗来保护数据。此外，MACSec 还可以防止恶意设备连接到网络，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。如果在更高层对加密施加控制，则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）将遍历已加密和未加密的流量，但是，一旦链路启用了 MACsec，该连接上的所有流量都将受到保护，免遭窥探。

经济高效

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。这些因素共同使 100G 成为除了最尖端计算应用之外的所有应用的完美高端匹配之选，同时也推动了 100G 以太网产品的消费级和专业级市场的繁荣发展——包括交换机、路由器、NIC 和电缆。市场竞争有助于保持边缘部署的价格合理。

总结

随着边缘计算市场的兴起，100G 以太网仍然是边缘和互联网之间高速数据传输的最佳选择。新思科技提供了完整的100G 以太网 IP解决方案，包括 MAC、PCS 和各种 PHY 选项，以及验证 IP、软件开发和 IP 原型设计套件。该解决方案是边缘市场中希望将 100G 以太网技术融入其产品的 NIC、交换机和路由器开发人员的理想选择。此外，除了100G 以太网 IP 解决方案，新思科技还提供高达 800G 的高速以太网 IP，并且正在积极与各种标准团体合作，以期在未来实现 1.6T。这种广泛的 IP 解决方案使新思科技能够满足从边缘设备到高端数据中心的各种网络市场客户的需求。

作者：Synopsys 高级技术产品经理 Jerry Lotto