Kućna povezanost prolazi kroz tihu revoluciju. Iako još uvijek postoje područja gdje optički internet nije dostupan niti se očekuje, industrija je već fokusirana na nove standarde koji mogu umnožiti brzinu, pouzdanost i kapacitet mreža . U tom kontekstu, pojavljuje se Ultra Ethernet , koncept rođen u velikim podatkovnim centrima i umjetnoj inteligenciji, ali koji bi srednjoročno mogao utjecati i na način na koji se povezujemo iz naših dnevnih soba.
Možda zvuči kao marketinška pompa, ali iza ovog koncepta stoji mnogo tehničkog rada i uključeno je mnogo moćnih kompanija. Ultra Ethernet nije jednostavno "brži Ethernet". Govorimo o kompletnoj komunikacijskoj arhitekturi dizajniranoj za skaliranje na hiljade ili milione čvorova, smanjenje latencije na minimum i iscijedi svaki gigabit propusnog opsega iz kabla . Iako je njegovo prirodno stanište danas vještačka inteligencija i računarstvo visokih performansi (HPC), razumijevanje šta je to i kuda ide pomaže nam da zamislimo kakve će kućne mreže biti za nekoliko godina. Budućnost u kojoj će 1 Gbps optičkog vlakna izgledati gotovo skromno.
Šta je Ultra Ethernet i po čemu se razlikuje?
Ultra Ethernet je, u suštini, duboka evolucija tradicionalnog Etherneta, dizajniranog da zadovolji ekstremne zahtjeve vještačke inteligencije i računarstva visokih performansi . On ne samo da povećava brzine veze. On redefiniše način prenosa podataka, upravljanja zagušenjem i koordinacije hiljada uređaja koji rade istovremeno.
Sam Ultra Ethernet konzorcij (UEC) definira ga kao kompletnu, otvorenu, interoperabilnu komunikacijsku arhitekturu zasnovanu na Ethernetu. Dizajnirana je za stvaranje vrlo velikih mreža s niskom latencijom i izuzetno visokom gustoćom propusnog opsega. Njen navedeni cilj je da ide dalje od onoga što tehnologije poput tradicionalnog RDMA, RoCE (RDMA preko konvergentnog Etherneta) ili čak InfiniBand-a, koji godinama dominira HPC klasterima, trenutno nude.
Ključno je to što je Ultra Ethernet dizajniran za specifična AI i HPC opterećenja. To su okruženja gdje jednostavno "visoka propusnost" nije dovoljna. Zahtijevaju više istovremenih puteva, vrlo brz odgovor na zagušenje i mogućnost slanja i primanja podataka van redoslijeda bez rušenja aplikacije. I, prije svega, moraju biti upravljivi i konfigurabilni bez izazivanja operativnih problema.
Za razliku od prethodnih pokušaja Etherneta, UEC ima za cilj ponuditi kompletan komunikacijski paket. Od fizičkog sloja do softvera, uključujući nove oblike telemetrije, sigurnosti, pohrane i upravljanja . Drugim riječima, to nije privremeno rješenje, već koherentan redizajn usmjeren na iskorištavanje Etherneta za sljedeće brzinske skokove (800G, 1,6T i više).
Konzorcij Ultra Ethernet: ko stoji iza standarda
Ultra Ethernet ne podržava nijedna kompanija. To je zapravo industrijski konzorcij sastavljen od nekih od najvećih imena u tehnologiji. Ultra Ethernet konzorcij (UEC) je zvanično osnovan 19. jula 2023. godine, pod okriljem Linux fondacije i njene Zajedničke fondacije za razvoj. To već jasno ukazuje na njegov otvoreni i kolaborativni pristup.
Osnivači su poznata imena: AMD, Arista, Broadcom, Cisco, Eviden, HPE, Intel, Meta i Microsoft . Zajedno se mogu pohvaliti višedecenijskim iskustvom u implementaciji velikih mreža, cloud data centara, AI platformi i visokoperformansnih računarskih okruženja. Svi dijele direktan interes za žičanu mrežu sljedeće generacije koja je nezavisna od dobavljača i koristi postojeću Ethernet infrastrukturu.
Konzorcij je započeo s devet ili deset kompanija. Zatim su se, za samo nekoliko mjeseci, pridružile još desetine . Od novembra 2023. godine, UEC je otvorio svoja vrata novim članovima i sada ima preko pedeset subjekata, s istaknutim dodacima kao što su Baidu, Dell, Huawei, IBM, Nokia, Lenovo, Supermicro, Tencent, Bytedance, Fujitsu, Samsung i specijalizirani proizvođači hardvera.
Ukupno je više od 715 stručnjaka iz industrije aktivno uključeno u razvoj Ultra Etherneta, podijeljenih u osam radnih grupa : fizički sloj, sloj podatkovne veze, transportni sloj, softver, pohrana, usklađenost, upravljanje te performanse i otklanjanje grešaka. Svaka grupa se bavi različitim dijelom steka, ali sve su koordinirane kako bi se osiguralo da se dijelovi uklapaju i da se, koliko god je to moguće, održi kompatibilnost s trenutnim Ethernet ekosistemom.
Zašto Ethernetu treba Ultra Ethernet
Usred 5G ere, WiFi 7, pa čak i prvih testiranja WiFi 8, moglo bi se činiti da su Ethernet kablovi postali pomalo "zastarjeli" u poređenju s bežičnim mrežama . Međutim, kada su u pitanju maksimalne performanse, minimalna latencija i izuzetno pouzdana veza, ništa ne može zamijeniti dobru žičanu vezu.
Problem je što Ethernet, kakav danas koristimo, nije dizajniran za treniranje AI modela sa hiljadama GPU-ova koji rade paralelno, niti je dizajniran za HPC klastere koji stalno prenose petabajte podataka . Ova opterećenja zahtijevaju, pored sirovog propusnog opsega, stvari poput višestrukih puteva podataka, vrlo fine kontrole zagušenja, efikasnog upravljanja međuzavisnim tokovima i izuzetno niske latencije reda čekanja.
Mrežni protokoli koje obično koristimo mogu pokriti neke od ovih potreba, ali ne sve . Oni su uglavnom dizajnirani za generičnije mreže, s manje sinhronizovanim tokovima i manjom osjetljivošću na latenciju. Dugoročno gledano, to dovodi do uskih grla i gubitka performansi. A da ne spominjemo složenost upravljanja koja se slabo skalira.
Tu nastupa Ultra Ethernet. UEC ima za cilj da premosti ove praznine nudeći komunikacijski stek posebno dizajniran za AI i HPC, koji pokriva sve, od fizike veze do softverske arhitekture . Njegovi ciljevi uključuju uvođenje novih električnih i optičkih signalnih protokola i mehanizama, novih protokola mrežnog transporta (veza i od kraja do kraja) i ažuriranih sistema telemetrije, upravljanja, skladištenja i sigurnosti prilagođenih ovim okruženjima.
Ultra Ethernet Transport (UET) i njegov odnos sa RDMA
Jedan od ključnih dijelova slagalice je transportni protokol koji je predložio sam UEC: Ultra Ethernet Transport (UET) . Ovaj protokol ima za cilj da bude prirodna zamjena za RoCE u mnogim implementacijama, zadržavajući najbolje karakteristike RDMA preko Etherneta i prilagođavajući ih trenutnim zahtjevima umjetne inteligencije i HPC-a.
UET se dizajnira kao otvorena specifikacija. Rješenje je od temelja zamišljeno za rad preko IP-a i Etherneta . Ključne karakteristike uključuju izvornu podršku za višestruko dijeljenje puteva i raspršivanje paketa, što omogućava maksimalno korištenje kapaciteta AI mreže bez izazivanja zagušenja ili blokiranja zaglavlja, te bez oslanjanja na centralizirane algoritme za uravnoteženje opterećenja ili previše složene kontrolere usmjeravanja.
Druga važna funkcija je upravljanje fenomenom "incasta" , tipičnim za okruženja gdje mnogi čvorovi istovremeno šalju podatke na jedno odredište. UET uvodi mehanizam za kontrolu distribucije na konačnoj vezi do odredišnog hosta uz minimalan gubitak paketa. Ovo poboljšava ukupne performanse i stabilnost sistema.
Kako bi pratio rastuće brzine, Ultra Ethernet Transport integrira visoko efikasan algoritam za kontrolu brzine. To omogućava prijenosima da brzo dostignu linijsku brzinu bez kažnjavanja tokova koji se takmiče za isti resurs. Ovo je ključno kada se radi o vezama od 800G, 1,6T ili većih brzina, gdje je svaka neefikasnost skupa.
Nadalje, UET pruža API-je dizajnirane za isporuku paketa koji nisu po redoslijedu, s mogućnošću dovršavanja poruka po redoslijedu. Ovo maksimizira konkurentnost između mreže i aplikacija, minimizira latenciju za kritične poruke i olakšava arhitekture gdje više istovremenih puteva radi punim kapacitetom bez uvijek strogog nametanja redoslijeda prijema.
Ključne prednosti Ultra Etherneta u odnosu na druge tehnologije
Ako uporedimo Ultra Ethernet sa tradicionalnim Ethernetom i alternativama poput InfiniBand-a, postoji nekoliko područja gdje ovaj novi standard ima za cilj da napravi razliku. To su:
- Prava skalabilnost na velikoj skali. I po broju čvorova i po gustoći propusnog opsega. Tamo gdje klasični Ethernet počinje da se muči, Ultra Ethernet ima za cilj da nastavi efikasno da radi.
- PerformanseUltra Ethernet je dizajniran da minimizira latenciju čekanja i da se nosi sa visokointenzivnim tokovima podataka tipičnim za zaključivanje i obuku AI modela. Za buduće Ethernet standarde predviđene su agregatne brzine do 1,6T i više. To se prevodi u smanjenje internih uskih grla i olakšava obradu podataka u realnom vremenu.
- Troškovi i interoperabilnostIskorištavanjem postojeće Ethernet infrastrukture, Ultra Ethernet smanjuje troškove usvajanja u poređenju s alternativnim tehnologijama koje zahtijevaju potpuno drugačiju opremu. Osnivači također naglašavaju otvorenu prirodu standarda.
- Sigurnost i pouzdanostUltra Ethernet uključuje naprednu telemetriju i proaktivne mehanizme upravljanja zagušenjem. To omogućava otkrivanje i rješavanje problema prije nego što dovedu do gubitka paketa ili pada performansi. U kritičnim okruženjima, ova vidljivost i odziv su neprocjenjivi.
Imajući sve ovo u vidu, Ultra Ethernet se pozicionira kao veoma atraktivno rješenje za podatkovne centre, pružatelje usluga u oblaku, naučne laboratorije i velike korporacije kojima je potrebno da kombinuju ekstremne performanse sa razumnom cijenom i robusnom interoperabilnošću. I iako prvobitno nije tehnologija dizajnirana za krajnjeg korisnika, njen uticaj će u konačnici uticati na infrastrukturu koja stoji iza mnogih usluga koje svakodnevno koristimo.
Ultra Ethernet i njegov potencijalni utjecaj na kućne mreže
U ovom trenutku, logično pitanje je kakve sve ovo veze ima s kućnim mrežama. Danas, kod kuće, većina nas radi u scenariju gdje 1 Gbps preko kabla zvuči odlično, a najnaprednije komercijalne optičke veze nude brzine od nekoliko gigabita . Uprkos tome, ne moramo dugo tražiti primjere kako potražnja za propusnim opsegom nastavlja rasti.
Nedavno je, na primjer, u laboratoriji, korištenjem visoko specijaliziranih optičkih kablova i mrežnih pojačala , postavljen rekord brzine optičkog vlakna od gotovo 402 Tbps . Još uvijek je daleko od toga da nešto takvo stigne do domova, ali to ilustruje koliko se infrastruktura može nastaviti skalirati. U međuvremenu, operateri već nude veze od 1 Gbps i više.
U kućnom okruženju, sve je logičnije imati interne mreže koje mogu dostići ili barem dostići brzinu vaše internet veze . Gigabitna Ethernet mreža između uređaja sprječava da ta potpuno nova optička veza od 1 Gbps bude narušena uskim grlom između rutera i vaše kućne opreme. I ne samo to: čak i ako je vaša vanjska veza skromnija, brza lokalna mreža pravi veliku razliku pri premještanju velikih količina podataka unutar vašeg doma.
Razmotrimo, na primjer, NAS povezan na ruter ili switch. Pretpostavimo da tamo pohranjujemo sigurnosne kopije , medijske kolekcije ili virtualne mašine. Ako se velike količine podataka često prenose između NAS-a i nekoliko računara, konzola ili media playera , razlika između mreže od 100 Mbps i gigabitne mreže je ogromna. I to bez ikakvog uključivanja internet veze.
Trenutne opcije za kućne mreže velike brzine
Dok Ultra Ethernet sazrijeva u podatkovnim centrima i velikim klasterima, već imamo nekoliko opcija za izgradnju visokoperformansnih kućnih mreža koje koriste prednosti postojećih optičkih veza . Iako nijedna nije Ultra Ethernet u najstrožem smislu, mnoge dijele slične principe maksimiziranja korištenja dostupnog fizičkog medija. Ovo su trenutne opcije:
Gigabit Ethernet kabliranje
Najrobustnija opcija. Sa ruterom koji nudi gigabitne portove i dodatnim prekidačem ako je potreban veći kapacitet, moguće je distribuirati mrežu po različitim prostorijama. Većina modernih računara, konzola, televizora i NAS uređaja već ima integrirane gigabitne kontrolere, tako da su problemi s kompatibilnošću rijetki osim kod vrlo starih uređaja.
Da bi Gigabit Ethernet ispravno funkcionirao, neophodno je koristiti mrežne kablove kategorije 5e ili 6 (UTP) . Standardni kabel kategorije 5 nije dovoljan jer je dizajniran za 10BASE-T i 100BASE-TX, ali ne i za 1000BASE-T. S druge strane, kablovi kategorije 5e ili 6 omogućuju vam da bez problema iskoristite brzine od 1 Gbps na tipičnim kućnim udaljenostima.
Glavni nedostatak žičane mreže je instalacija. Ako ne postoji postojeća podatkovna infrastruktura, može biti komplicirano provući kabel do svih prostorija u kojima je potrebna mrežna utičnica . Ponekad se koriste naizmjenično montirani kabelski regal. Drugi put se koriste postojeći električni ili komunikacijski kanali, koristeći alate za izvlačenje kabela kao što bi to učinio profesionalni električar.
Kada broj portova na vašem ruteru nije dovoljan ili je topologija vaše kućne mreže malo složena, na scenu stupa prekidač. Mali gigabitni prekidač sa 5 ili 8 portova obično košta između 20 i 30 eura . To je prilično pristupačan način da lako proširite broj žičnih uređaja koje možete povezati. Za razliku od starijeg hub-a, prekidač inteligentno upravlja mrežnim saobraćajem, poboljšavajući i sigurnost i performanse.
Wi-Fi
Pored žičanih veza, najčešća alternativa je Wi-Fi. Standard IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5) i njegovi nasljednici omogućavaju teorijske brzine blizu ili veće od 1 Gbps u opsegu od 5 GHz , posebno kada pristupna tačka ima više antena i MIMO tehnologiju. U praksi, stvarna brzina će zavisiti od udaljenosti, prepreka i smetnji od drugih mreža.
Mnogi kućni "AC" ruteri nude teorijske brzine do 867 Mbps na opsegu od 5 GHz. Međutim, napredniji uređaji mogu dostići 1.300 Mbps ili više. Da bi se postigle ove brzine, ključno je da i pristupna tačka i klijentski uređaji podržavaju isti standard i imaju više antena . U suprotnom, brzina će biti ograničena najslabijom karikom u lancu.
WiFi mreže također imaju Ahilovu petu u sigurnosti i stabilnosti. Lakše ih je napasti nego žičane mreže, zahtijevaju odgovarajuću konfiguraciju enkripcije (barem WPA2, a još bolje, WPA3) i vrlo su osjetljive na fizičko okruženje, zidove, vrata i prisustvo drugih mreža . Uprkos tome, kada provođenje kablova nije moguće ili poželjno, one ostaju najpraktičnija alternativa.
PLC (komunikacije putem elektroenergetskih vodova) tehnologija
Postoji i treća, međuopcija: PLC (Power Line Communications) tehnologija. Ovo uključuje korištenje kućnih električnih instalacija za prijenos podataka . PLC adapteri se uključuju u utičnicu i osiguravaju Ethernet port na koji se uređaj može spojiti. U teoriji, neki modeli obećavaju brzine do 1.200 Mbps sa 128-bitnom AES enkripcijom.
Problem sa adapterima za električnu mrežu (PLC) je taj što je električna mreža vrlo bučan medij, sa smetnjama i drugim šumom koji drastično smanjuju stvarne performanse . U praktičnim testovima, efektivna brzina je obično daleko ispod oglašene brzine, ponekad čak i ispod 50%, tako da se rijetko približavaju pravom gigabitu. Oni su praktično rješenje kada nema druge alternative.
Gledajući dalje u budućnost, počinju se pojavljivati prijedlozi poput plastičnih optičkih vlakana s jezgrom od polimetil metakrilata , koje su kompanije poput Telefónice već testirale u pilot okruženjima. Ova plastična vlakna su jeftina, fleksibilna, promjera samo 2,2 mm i lako se režu; mogu se instalirati kroz postojeće cijevi i obećavaju brzine od 1 Gbps, a u budućnosti i do gotovo 10 Gbps na udaljenostima do 50 metara.
U ovoj konfiguraciji, plastični optički kabel spaja se na posebne utičnice koje kombiniraju električnu utičnicu s jednim ili dva optička mrežna porta , čime se olakšava integracija u dom. Ako ova vrsta rješenja dobije komercijalni uspjeh, mogla bi postati zanimljiv međukorak prije nego što koncepti izvedeni iz Ultra Etherneta pronađu put u domove.
Ultra Ethernet, umjetna inteligencija, HPC i budućnost edge computinga
Izvan kućnog okruženja, Ultra Ethernet će imati značajnu ulogu u narednim godinama u svemu što je vezano za podatkovne centre, računarstvo u oblaku, računarstvo na rubu mreže i AI infrastrukturu . Danas već postoje centri za obuku vještačke inteligencije koji koriste IP mreže zasnovane na Ethernetu zahvaljujući svom ogromnom ekosistemu prekidača, mrežnih kartica, kablova, primopredajnika i alata za upravljanje.
UEC želi da tu osnovu podigne na višu razinu. Ideja je podržati velike GPU farme, računarske klastere i okruženja za analizu podataka u stvarnom vremenu . U ovim scenarijima, računarstvo se pomiče bliže rubu mreže, gdje se generiraju i obrađuju ogromne količine podataka prije nego što se agregiraju u oblaku. Ultra Ethernet može igrati ključnu ulogu pružajući nisku latenciju, višestruke puteve i mogućnost skaliranja na stotine hiljada čvorova.
Još jedan sve važniji aspekt je održivost. Centri podataka troše ogromne količine energije, a mreže su značajan dio te potrošnje energije . Energetski efikasni dizajni unutar Ultra Ethernet okvira mogli bi pomoći u smanjenju ukupnog ugljičnog otiska ovih infrastruktura.
Konačno, Ultra Ethernet bi mogao dobiti na značaju u aplikacijama na rubu računarstva povezanim s IoT-om i 5G-om. Kako pametni uređaji, senzori i kontrolni sistemi generiraju sve više podataka , bit će potrebne žičane veze s vrlo malom latencijom do obližnjih računarskih čvorova. Ono što danas počinje u ogromnim podatkovnim centrima vjerojatno će završiti u blizini baznih stanica ili čak u industrijskim postrojenjima i pametnim zgradama.
Sva ova aktivnost oko Ultra Etherneta odražava jasnu stvarnost: mrežne potrebe umjetne inteligencije i visokoperformansnog računarstva su nekoliko godina ispred onoga što trenutno smatramo "normalnim" u kući . Iako se sada može činiti dalekim, mnoge ideje, protokoli i optimizacije koje se definiraju na kraju će se svesti na kućne prekidače, rutere, mrežne adaptere i rješenja za povezivanje koja ćemo koristiti bez mnogo razmišljanja o tome šta se krije iza njih. Revolucija.
