乙太網路(Ethernet)應用範圍持續拓展，和邊緣運算(Edge Computing)攜手推動萬物聯網趨勢。儘管100G以上的高速乙太網路在邊緣運算仍不算普及，面對與日俱增的資料量，100G乙太網路有機會發揮其高速傳輸和支援IEEE標準功能等優勢，在邊緣運算大放異彩。
乙太網路(Ethernet)催化了物聯網(IoT)的誕生。從智慧家居到企業、產業、學校和政府等各個面向的應用，連結萬物的乙太網路在生活中無所不在；甚至在汽車應用中，乙太網路也正在加速內部裝置之間的通訊。乙太網路使高效能運算(HPC)資料中心發揮作用，加速工業製程和商業進展。乙太網路技術與日俱進，如800G乙太網路和1.6T乙太網路標準化，但100G以上的高速乙太網路在邊緣運算(Edge Computing)應用仍屬少見。本文將探討100G乙太網路如何推動邊緣運算，並說明IP設計人員所面臨的應用和設計挑戰。
邊緣運算對速度的要求日益殷切
「邊緣(Edge)」意指在資料傳送至資料中心或雲端處理環境前，收集和處理資料的所有裝置，包含攝影機、感測器、行動裝置、汽車、路由器、交換器、儀表、穿戴式裝置甚至是智慧家電(圖1)。邊緣運算繁複且具變化性，隨著邊緣裝置數量日益成長，再加上導入人工智慧(AI)技術的交通工具、居家和都會區規畫，各式各樣的應用更進一步推動邊緣運算快速發展。乙太網路能夠實現邊緣裝置和網際網路之間的高速資料傳輸，因此成為邊緣運算的關鍵成功因素。
圖1 運算從雲端轉移至邊緣
根據Vantage市場調查報告，2021年全球邊緣運算市場價值為71億美元，預估到2028年價值可達496億美元，年均複合成長率(CAGR)達38.2%。邊緣運算所涵蓋的裝置可能具有多種外形規格(Form Factor)和架構，但且讓我們以伺服器為例進行進一步分析。
圖2 從邊緣到雲端的路徑
100G乙太網路：邊緣運算的甜蜜點
伺服器通常利用共享PCIe匯流排來連結網路介面卡(Network in Cards, NICs)，而使用PCIe 3.0的電腦是第一代高速裝置，具備每通道8GT/s速率，可支援x16連結(單向16GB/s或128Gb/s)的100G乙太網路介面卡(圖2)。進展到下一代的PCIe 4.0時，只需要一個8通道插槽就能全速支援100G介面卡。由於PCIe匯流排上通常會搭載x8插槽，因此這對現今的機器而言無疑是最佳選擇。即便是新世代PCIe 5.0/CXL 1.1或2.0系統，100G資料速率也能夠游刃有餘地處理共享PCIe匯流排負載(表1)；除非設計人員為因應HPC叢集(Cluster)等類似需求，試圖將頻寬最大化、延遲最小化，來加速平行運算以實現行程間通訊(Inter-process Communication, IPC)，那就另當別論了。
表1 PCIe各版本的速度和通道數量(總頻寬為雙向)
邊緣裝置一般被設計用來預先處理、壓縮和減少需要向上傳輸的資料量。即使已經具有經過後處理(Post-process)的必要資料量，能夠充分利用個別伺服器連接的100G資料傳輸速率，所有資料仍然需要通過一組聚合式(Aggregated)路由器和交換器，以匯總傳送至資料中心的流量。此外，除非上行鏈路具備的速度是單一連接埠速度的好幾倍，否則這些架構無法以全頻寬的速度同時提供過多連線服務。例如，32連接埠的100G乙太網路交換器需要向上傳送所有流量。鏈路聚合控制協定(Link Aggregation Control Protocol, LACP)可用於將多個連接埠匯聚為單一鏈路，但即使是該協定，也僅限於為指定連接匯總八個連接埠。將LACP與固定半徑的交換器搭配使用，可減少裝置提供的下行連接數量，進而推升基礎架構及布線成本。目前，個別的Wi-Fi連線速率普遍低於1Gbps，甚至5G蜂巢式網路的理論峰值也僅達20Gbps，由此可見聚合層(Aggregation Layer)所具備的100G速度，已能夠滿足上述市場應用。
邊緣裝置乙太網路在汽車的應用
目前汽車應用很少需要使用10G至25G以上的乙太網路，但對於提升額外的服務品質(Quality of Service, QoS)以及具時效性的網路功能(TSN)要求而言，高速乙太網路仍然充滿潛力。舉例來說，若汽車控制系統(例如剎車)和娛樂系統之間共用網路，那麼網路功能必須以汽車控制的需求為優先，即使此時孩童正在觀賞影片。100G速度即將支援具時效性的網路功能，屆時將可進一步實現工業建築物樓面、視聽裝置、安全性、健康照護，甚至是高階汽車等邊緣應用的支援聚合。
100G乙太網路：邊緣運算甜蜜點(1)
100G乙太網路：邊緣運算甜蜜點(2)