Łączność domowa przechodzi cichą rewolucję. Chociaż nadal istnieją obszary, w których internet światłowodowy nie jest dostępny ani oczekiwany, branża koncentruje się już na nowych standardach, które mogą zwielokrotnić prędkość, niezawodność i przepustowość sieci . W tym kontekście pojawia się Ultra Ethernet – koncepcja zrodzona z dużych centrów danych i sztucznej inteligencji, która w perspektywie średnioterminowej może również wpłynąć na sposób, w jaki łączymy się z naszych salonów.
Może to brzmieć jak marketingowy bełkot, ale za tą koncepcją kryje się ogrom pracy technicznej i zaangażowanie wielu potężnych firm. Ultra Ethernet to nie tylko „szybszy Ethernet”. Mówimy o kompletnej architekturze komunikacyjnej zaprojektowanej z myślą o skalowaniu do tysięcy, a nawet milionów węzłów, minimalizacji opóźnień i wykorzystaniu każdego gigabitu przepustowości z kabla . Choć jego naturalnym środowiskiem są obecnie sztuczna inteligencja i obliczenia o wysokiej wydajności (HPC), zrozumienie, czym jest i dokąd zmierza, pomaga nam wyobrazić sobie, jak będą wyglądać sieci domowe za kilka lat. Przyszłość, w której 1 Gb/s światłowodu będzie wydawać się czymś wręcz skromnym.
Czym jest Ultra Ethernet i co go wyróżnia?
Ultra Ethernet to w istocie głęboka ewolucja tradycyjnego Ethernetu, zaprojektowana z myślą o spełnieniu ekstremalnych wymagań sztucznej inteligencji i obliczeń o wysokiej wydajności . Nie tylko zwiększa prędkość łącza. Redefiniuje sposób przesyłu danych, zarządzania przeciążeniem i koordynacji tysięcy urządzeń pracujących jednocześnie.
Samo Konsorcjum Ultra Ethernet (UEC) definiuje ją jako kompletną, otwartą, interoperacyjną architekturę komunikacyjną opartą na technologii Ethernet. Została zaprojektowana z myślą o tworzeniu sieci o bardzo dużej skali, charakteryzujących się niskimi opóźnieniami i ekstremalnie wysoką gęstością przepustowości. Jej deklarowanym celem jest wyjście poza to, co oferują obecnie technologie takie jak tradycyjna technologia RDMA, RoCE (RDMA over Converged Ethernet), a nawet InfiniBand, która od lat dominuje w klastrach HPC.
Kluczem jest to, że Ultra Ethernet został zaprojektowany z myślą o specyficznych obciążeniach AI i HPC. Są to środowiska, w których sama „wysoka przepustowość” nie wystarczy. Wymagają one wielu jednoczesnych ścieżek, bardzo szybkiej reakcji na przeciążenia oraz możliwości wysyłania i odbierania danych w dowolnej kolejności bez zawieszania aplikacji. A przede wszystkim muszą być łatwe w zarządzaniu i konfigurowalne, nie powodując problemów operacyjnych.
W przeciwieństwie do poprzednich prób z Ethernetem, UEC dąży do zaoferowania kompletnego stosu komunikacyjnego. Od warstwy fizycznej po oprogramowanie, w tym nowe formy telemetrii, bezpieczeństwa, przechowywania danych i zarządzania . Innymi słowy, nie jest to rozwiązanie tymczasowe, ale spójny projekt skoncentrowany na wykorzystaniu Ethernetu do kolejnych skoków prędkości (800G, 1,6T i więcej).
Konsorcjum Ultra Ethernet: kto stoi za tym standardem
Za Ultra Ethernet nie stoi żadna firma. W rzeczywistości jest to konsorcjum branżowe, w którego skład wchodzą jedne z największych firm technologicznych. Konsorcjum Ultra Ethernet (UEC) zostało oficjalnie powołane 19 lipca 2023 roku pod patronatem Linux Foundation i jej Joint Development Foundation. To już wyraźnie wskazuje na jego otwarte i oparte na współpracy podejście.
Członkami założycielami są znane marki: AMD, Arista, Broadcom, Cisco, Eviden, HPE, Intel, Meta i Microsoft . Łącznie mogą pochwalić się dekadami doświadczenia we wdrażaniu sieci na dużą skalę, centrów danych w chmurze, platform AI i środowisk obliczeń o wysokiej wydajności. Wszystkich łączy bezpośrednie zainteresowanie siecią przewodową nowej generacji, niezależną od dostawców i wykorzystującą istniejącą infrastrukturę Ethernet.
Konsorcjum rozpoczęło działalność z dziewięcioma lub dziesięcioma firmami. W ciągu zaledwie kilku miesięcy dołączyło do niego kilkadziesiąt kolejnych . Od listopada 2023 roku UEC otworzył swoje podwoje dla nowych członków i obecnie liczy ponad pięćdziesiąt podmiotów, w tym tak prominentne firmy jak Baidu, Dell, Huawei, IBM, Nokia, Lenovo, Supermicro, Tencent, Bytedance, Fujitsu, Samsung oraz producenci specjalistycznego sprzętu.
W sumie w rozwój Ultra Ethernet aktywnie zaangażowanych jest ponad 715 ekspertów branżowych, podzielonych na osiem grup roboczych : warstwa fizyczna, warstwa łącza danych, warstwa transportowa, oprogramowanie, pamięć masowa, zgodność, zarządzanie oraz wydajność i debugowanie. Każda grupa zajmuje się inną częścią stosu, ale wszystkie są skoordynowane, aby zapewnić spójność poszczególnych elementów i zachować, w miarę możliwości, kompatybilność z obecnym ekosystemem Ethernet.
Dlaczego Ethernet potrzebuje Ultra Ethernetu
W dobie ery 5G, Wi-Fi 7, a nawet pierwszych testów Wi-Fi 8, mogłoby się wydawać, że kable Ethernet stały się nieco „stare” w porównaniu z sieciami bezprzewodowymi . Jednak jeśli chodzi o maksymalną wydajność, minimalne opóźnienia i niezawodność, nic nie przebije dobrego połączenia przewodowego.
Problem polega na tym, że Ethernet, jakiego używamy dzisiaj, nie został zaprojektowany do trenowania modeli AI z tysiącami procesorów graficznych pracujących równolegle, ani do klastrów HPC stale przesyłających petabajty danych . Te obciążenia wymagają, oprócz czystej przepustowości, takich rzeczy, jak wiele ścieżek danych, bardzo precyzyjna kontrola przeciążenia, efektywne zarządzanie współzależnymi przepływami i wyjątkowo niskie opóźnienie kolejki.
Powszechnie używane protokoły sieciowe mogą zaspokoić niektóre z tych potrzeb, ale nie wszystkie . Zostały one zazwyczaj zaprojektowane dla sieci bardziej ogólnych, z mniejszą liczbą zsynchronizowanych przepływów i mniejszą wrażliwością na opóźnienia. W dłuższej perspektywie prowadzi to do wąskich gardeł i strat wydajności. Nie wspominając o złożoności zarządzania, która słabo się skaluje.
Tu właśnie pojawia się Ultra Ethernet. UEC ma na celu wypełnienie tych luk, oferując stos komunikacyjny zaprojektowany specjalnie dla sztucznej inteligencji i obliczeń o wysokiej wydajności (HPC), obejmujący wszystko, od fizyki łącza po architekturę oprogramowania . Jego cele obejmują wprowadzenie nowych protokołów i mechanizmów sygnalizacji elektrycznej i optycznej, nowych protokołów transportu sieciowego (łącza i end-to-end) oraz zaktualizowanych systemów telemetrii, zarządzania, przechowywania danych i bezpieczeństwa, dostosowanych do tych środowisk.
Ultra Ethernet Transport (UET) i jego związek z RDMA
Jednym z kluczowych elementów tej układanki jest protokół transportowy zaproponowany przez samą firmę UEC: Ultra Ethernet Transport (UET) . Protokół ten ma być naturalnym następcą RoCE w wielu wdrożeniach, zachowując jednocześnie najlepsze cechy protokołu RDMA w sieci Ethernet i dostosowując je do obecnych wymagań sztucznej inteligencji (AI) i systemów HPC.
UET jest projektowany jako otwarta specyfikacja. Rozwiązanie od podstaw zaprojektowane do działania w oparciu o IP i Ethernet . Do jego kluczowych funkcji należy natywna obsługa wielościeżkowości i rozpylania pakietów, co pozwala na maksymalne wykorzystanie przepustowości sieci AI bez powodowania przeciążeń lub blokowania nagłówków, a także bez konieczności stosowania scentralizowanych algorytmów równoważenia obciążenia lub nadmiernie złożonych kontrolerów routingu.
Kolejną ważną funkcją jest zarządzanie zjawiskiem „incast” , typowym dla środowisk, w których wiele węzłów wysyła dane jednocześnie do jednego miejsca docelowego. UET wprowadza mechanizm kontroli „fanningu” na łączu końcowym do hosta docelowego, minimalizując utratę pakietów. Poprawia to ogólną wydajność i stabilność systemu.
Aby dotrzymać kroku rosnącym prędkościom, Ultra Ethernet Transport integruje wysoce wydajny algorytm kontroli prędkości. Pozwala to transmisjom szybko osiągnąć prędkość łącza bez obciążania przepływów konkurujących o te same zasoby. Jest to kluczowe w przypadku łączy 800G, 1,6T lub szybszych, gdzie każda nieefektywność jest kosztowna.
Co więcej, UET udostępnia interfejsy API zaprojektowane do dostarczania pakietów w nieuporządkowanej kolejności, z opcją kompletowania wiadomości w kolejności. Maksymalizuje to współbieżność między siecią a aplikacjami, minimalizuje opóźnienia w przypadku wiadomości krytycznych i ułatwia tworzenie architektur, w których wiele współbieżnych ścieżek działa z pełną wydajnością, nie wymuszając jednocześnie ścisłej kolejności odbioru.
Główne zalety Ultra Ethernetu w porównaniu z innymi technologiami
Jeśli porównamy Ultra Ethernet z tradycyjnym Ethernetem i alternatywami, takimi jak InfiniBand, istnieje kilka obszarów, w których ten nowy standard ma szansę się wyróżnić. Oto one:
- Rzeczywista skalowalność na dużą skalę. Zarówno pod względem liczby węzłów, jak i gęstości przepustowości. Tam, gdzie klasyczny Ethernet zaczyna mieć problemy, Ultra Ethernet dąży do utrzymania wydajnej pracy.
- WydajnośćTechnologia Ultra Ethernet została zaprojektowana w celu minimalizacji opóźnień w kolejkach i obsługi bardzo intensywnych przepływów danych, typowych dla wnioskowania i trenowania modeli sztucznej inteligencji. W przyszłych standardach Ethernetu przewidywane są łączne prędkości do 1,6 T i wyższe. Przekłada się to na redukcję wewnętrznych wąskich gardeł i ułatwia przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym.
- Koszt i interoperacyjnośćWykorzystując istniejącą infrastrukturę Ethernet, Ultra Ethernet obniża koszty wdrożenia w porównaniu z alternatywnymi technologiami wymagającymi zupełnie innego sprzętu. Członkowie założyciele podkreślają również otwarty charakter standardu.
- Bezpieczeństwo i niezawodnośćUltra Ethernet wykorzystuje zaawansowaną telemetrię i proaktywne mechanizmy zarządzania przeciążeniem. Pozwala to na wykrywanie i rozwiązywanie problemów, zanim doprowadzą one do utraty pakietów lub spadku wydajności. W środowiskach o znaczeniu krytycznym ta przejrzystość i responsywność są nieocenione.
Mając to wszystko na uwadze, Ultra Ethernet jest pozycjonowany jako bardzo atrakcyjne rozwiązanie dla centrów danych, dostawców usług w chmurze, laboratoriów naukowych i dużych korporacji , które potrzebują połączenia ekstremalnej wydajności z rozsądnymi kosztami i solidną interoperacyjnością. I choć początkowo nie jest to technologia przeznaczona dla użytkownika końcowego, jej wpływ ostatecznie wpłynie na infrastrukturę wielu usług, z których korzystamy na co dzień.
Ultra Ethernet i jego potencjalny wpływ na sieci domowe
W tym momencie nasuwa się logiczne pytanie, co to wszystko ma wspólnego z sieciami domowymi. Dziś, w domu, większość z nas funkcjonuje w scenariuszu, w którym 1 Gb/s w kablu brzmi świetnie, a najnowocześniejsze komercyjne łącza światłowodowe oferują prędkości rzędu kilku gigabitów . Mimo to, nie trzeba szukać daleko, aby znaleźć przykłady ciągłego wzrostu zapotrzebowania na przepustowość.
Niedawno, na przykład, w laboratorium ustanowiono rekord prędkości światłowodu wynoszący prawie 402 Tb/s, wykorzystując wysoce wyspecjalizowane kable światłowodowe i wzmacniacze sieciowe . Do osiągnięcia takiego poziomu w domach wciąż daleka droga, ale pokazuje to, jak daleko infrastruktura może się rozwijać. Tymczasem operatorzy oferują już połączenia o przepustowości 1 Gb/s i wyższej.
W środowisku domowym coraz bardziej sensowne jest posiadanie sieci wewnętrznych zdolnych dorównać szybkości połączenia internetowego, a przynajmniej ją dorównać . Sieć Gigabit Ethernet między urządzeniami zapobiega zakłóceniu nowego połączenia światłowodowego 1 Gb/s przez wąskie gardło między routerem a sprzętem domowym. Co więcej, nawet jeśli połączenie zewnętrzne jest słabsze, szybka sieć lokalna ma ogromne znaczenie podczas przesyłania dużych ilości danych w domu.
Rozważmy na przykład serwer NAS podłączony do routera lub przełącznika. Załóżmy, że przechowujemy tam kopie zapasowe , zbiory multimediów lub maszyny wirtualne. Jeśli duże ilości danych są często przesyłane między serwerem NAS a kilkoma komputerami, konsolami lub odtwarzaczami multimedialnymi , różnica między siecią 100 Mb/s a siecią gigabitową jest ogromna. I to bez konieczności korzystania z połączenia internetowego.
Aktualne opcje dla szybkich sieci domowych
Podczas gdy Ultra Ethernet dojrzewa w centrach danych i dużych klastrach, mamy już kilka opcji budowy wydajnych sieci domowych, wykorzystujących istniejące połączenia światłowodowe . Chociaż żadna z nich nie jest Ultra Ethernetem w najściślejszym tego słowa znaczeniu, wiele z nich opiera się na podobnych zasadach maksymalizacji wykorzystania dostępnego medium fizycznego. Oto obecnie dostępne opcje:
Okablowanie Gigabit Ethernet
Najbardziej solidna opcja. Z routerem oferującym porty gigabitowe i dodatkowym przełącznikiem, jeśli potrzebna jest większa przepustowość, możliwe jest rozproszenie sieci w różnych pomieszczeniach. Większość nowoczesnych komputerów PC, konsol, telewizorów i urządzeń NAS posiada już zintegrowane kontrolery gigabitowe, więc problemy ze zgodnością występują rzadko, z wyjątkiem bardzo starych urządzeń.
Aby sieć Gigabit Ethernet działała prawidłowo, konieczne jest użycie kabli sieciowych kategorii 5e lub 6 (UTP) . Standardowy kabel kategorii 5 jest niewystarczający, ponieważ jest przeznaczony do standardów 10BASE-T i 100BASE-TX, ale nie do 1000BASE-T. Z kolei kable Cat 5e lub Cat 6 pozwalają bez problemu korzystać z prędkości 1 Gb/s na typowych odległościach w gospodarstwach domowych.
Główną wadą sieci przewodowej jest instalacja. Jeśli nie ma istniejącej infrastruktury danych, doprowadzenie kabla do wszystkich pomieszczeń, w których potrzebne jest gniazdko sieciowe, może być skomplikowane . Czasami stosuje się natynkowe korytka kablowe. Innym razem wykorzystuje się istniejące kanały elektryczne lub telekomunikacyjne, używając przeciągaczy kablowych, tak jak zrobiłby to profesjonalny elektryk.
Gdy porty routera są niewystarczające lub topologia sieci domowej jest nieco skomplikowana, z pomocą przychodzi przełącznik. Mały, 5- lub 8-portowy przełącznik gigabitowy kosztuje zazwyczaj od 20 do 30 euro . To dość niedrogi sposób na łatwe zwiększenie liczby urządzeń przewodowych, które można podłączyć. W przeciwieństwie do starszych koncentratorów, przełącznik inteligentnie zarządza ruchem sieciowym, poprawiając zarówno bezpieczeństwo, jak i wydajność.
WiFi
Poza połączeniami przewodowymi, najpopularniejszą alternatywą jest Wi-Fi. Standard IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5) i jego następcy pozwalają na osiągnięcie teoretycznych prędkości zbliżonych lub przekraczających 1 Gb/s w paśmie 5 GHz , zwłaszcza gdy punkt dostępowy posiada wiele anten i technologię MIMO. W praktyce rzeczywista prędkość będzie zależeć od odległości, przeszkód i zakłóceń ze strony innych sieci.
Wiele domowych routerów AC oferuje teoretyczną prędkość do 867 Mb/s w paśmie 5 GHz. Bardziej zaawansowane urządzenia osiągają jednak 1.300 Mb/s lub więcej. Aby osiągnąć takie prędkości, kluczowe jest, aby zarówno punkt dostępowy, jak i urządzenia klienckie obsługiwały ten sam standard i posiadały wiele anten . W przeciwnym razie prędkość będzie ograniczona przez najsłabsze ogniwo w łańcuchu.
Sieci Wi-Fi mają również swoją piętę achillesową w zakresie bezpieczeństwa i stabilności. Są łatwiejsze do zaatakowania niż sieci przewodowe, wymagają odpowiedniej konfiguracji szyfrowania (co najmniej WPA2, a nawet lepiej WPA3) i są bardzo wrażliwe na otoczenie fizyczne, ściany, drzwi i obecność innych sieci . Mimo to, gdy prowadzenie kabli nie jest możliwe lub pożądane, pozostają one najbardziej praktyczną alternatywą.
Technologia PLC (Power Line Communications)
Istnieje trzecia, pośrednia opcja: technologia PLC (Power Line Communications). Polega ona na wykorzystaniu domowej instalacji elektrycznej do przesyłania danych . Adaptery PLC podłącza się do gniazdka elektrycznego i udostępniają port Ethernet, do którego można podłączyć urządzenie. Teoretycznie niektóre modele obiecują prędkość do 1.200 Mb/s ze 128-bitowym szyfrowaniem AES.
Problem z adapterami Powerline (PLC) polega na tym, że sieć energetyczna jest medium o bardzo dużych zakłóceniach, a zakłócenia i inne zakłócenia drastycznie obniżają rzeczywistą wydajność . W testach praktycznych efektywna prędkość jest zazwyczaj znacznie niższa od deklarowanej, czasami nawet poniżej 50%, przez co rzadko zbliżają się do prawdziwego gigabitu. Są wygodnym rozwiązaniem, gdy nie ma innej alternatywy.
Patrząc w przyszłość, zaczynają pojawiać się propozycje, takie jak plastikowe włókno światłowodowe z rdzeniem z polimetakrylanu metylu , które firmy takie jak Telefónica przetestowały już w środowiskach pilotażowych. To plastikowe włókno jest niedrogie, elastyczne, ma zaledwie 2,2 mm średnicy i jest łatwe do cięcia; można je instalować w istniejących rurach osłonowych i zapewnia prędkość transmisji 1 Gb/s, a w przyszłości nawet do prawie 10 Gb/s na dystansie do 50 metrów.
W tej konfiguracji plastikowy kabel światłowodowy łączy się ze specjalnymi gniazdami, które łączą gniazdko elektryczne z jednym lub dwoma portami sieci optycznej , ułatwiając w ten sposób integrację z domem. Jeśli tego typu rozwiązanie zyska popularność komercyjną, może stać się interesującym etapem przejściowym, zanim koncepcje wywodzące się z Ultra Ethernetu trafią do domów.
Ultra Ethernet, AI, HPC i przyszłość przetwarzania brzegowego
Poza domem, Ultra Ethernet odegra znaczącą rolę w nadchodzących latach we wszystkim, co dotyczy centrów danych, przetwarzania w chmurze, przetwarzania brzegowego i infrastruktury AI . Już dziś istnieją centra szkoleniowe sztucznej inteligencji wykorzystujące sieci IP oparte na Ethernet, dzięki rozbudowanemu ekosystemowi przełączników, kart sieciowych, kabli, transceiverów i narzędzi do zarządzania.
UEC chce pójść o krok dalej w tym zakresie. Chodzi o obsługę dużych farm GPU, klastrów obliczeniowych i środowisk analizy danych w czasie rzeczywistym . W takich scenariuszach przetwarzanie danych zbliża się do krawędzi sieci, gdzie generowane i przetwarzane są ogromne ilości danych, a następnie agregowane w chmurze. Ultra Ethernet może odegrać kluczową rolę, zapewniając niskie opóźnienia, wiele ścieżek i możliwość skalowania do setek tysięcy węzłów.
Kolejnym, coraz ważniejszym aspektem jest zrównoważony rozwój. Centra danych zużywają ogromne ilości energii, a sieci stanowią istotną część tego zużycia . Energooszczędne rozwiązania w ramach Ultra Ethernetu mogą pomóc zmniejszyć ogólny ślad węglowy tych infrastruktur.
Wreszcie, Ultra Ethernet może zyskać na znaczeniu w aplikacjach przetwarzania brzegowego (edge computing) powiązanych z Internetem Rzeczy (IoT) i siecią 5G. W miarę jak inteligentne urządzenia, czujniki i systemy sterowania generują coraz więcej danych , niezbędne będą przewodowe łącza o bardzo niskim opóźnieniu do pobliskich węzłów obliczeniowych. To, co zaczyna się dziś w ogromnych centrach danych, prawdopodobnie znajdzie swoje zastosowanie w pobliżu stacji bazowych, a nawet w obiektach przemysłowych i inteligentnych budynkach.
Cała ta aktywność wokół Ultra Ethernetu odzwierciedla wyraźną rzeczywistość: potrzeby sieciowe sztucznej inteligencji i wysokowydajnych komputerów wyprzedzają o kilka lat to, co obecnie uważamy za „normalne” w domu . Choć może się to teraz wydawać odległe, wiele definiowanych pomysłów, protokołów i optymalizacji ostatecznie trafi do domowych przełączników, routerów, kart sieciowych i rozwiązań łączności, z których będziemy korzystać, nie zastanawiając się zbytnio nad tym, co kryje się pod spodem. To rewolucja.
