Advanced photonic technologies for data centre networks
Authors: Χαϊντούτης Χαρίδημος 
Published: January 2024

Τα κέντρα δεδομένων αποτελούν βασικό τεχνολογικό πυλώνα του 21ου αιώνα, καθώς ο σύγχρονος τρόπος ζωής οδηγεί στην παραγωγή τεράστιων όγκων δεδομένων που πρέπει να αποθηκευτούν και να επεξεργαστούν προκειμένου να πραγματοποιηθούν καθημερινές λειτουργίες: από την online παρακολούθηση βίντεο έως την καθοδήγηση μέσω GPS, τις λειτουργίες e-banking και την πρόσβασή στα κάθε λογής κοινωνικά δίκτυα. Αυτή η αύξηση της παραγωγής δεδομένων επιταχύνεται με νέες τάσεις όπως το Διαδίκτυο των Πραγμάτων / Internet of Things, οι εφαρμογές μηχανικής μάθησης, η αυτόνομη οδήγηση κ.λπ. διογκώνοντας όχι μόνο τον ρυθμό παραγωγής δεδομένων αλλά και την ανάγκη για περισσότερη επεξεργασία αυτών. Κατά συνέπεια, η παγκόσμια κίνηση στο Διαδίκτυο αυξάνεται και η κίνηση στα κέντρα δεδομένων αυξάνεται ακόμη γρηγορότερα αφού κάθε αίτημα HTTP μερικών Kbytes παράγει στη συνέχεια εκατοντάδες ή και χιλιάδες ακόμη Kbytes κίνησης στο δίκτυα εντός των κέντρων δεδομένων. Η συνολική κίνηση που διαχειρίζονται τα κέντρα δεδομένων ασκεί τεράστια πίεση στα εσωτερικά τους δίκτυα. Σε μεγάλα κέντρα δεδομένων με δεκάδες χιλιάδες διακομιστές, οι ηλεκτρο-οπτικοί μεταγωγείς top-of-the-rack χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση διακομιστών που συνήθως οργανώνονται σε αρχιτεκτονικές πολλαπλών επιπέδων. Αυτές οι αρχιτεκτονικές αντιμετωπίζουν εγγενή προβλήματα όσον αφορά το εύρος ζώνης, τον χρόνο καθυστέρησης / latency, το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας και καθίστανται εξαιρετικά περιοριστικοί παράγοντες στο σχεδιασμό των δικτύων κέντρων δεδομένων του μέλλοντος. Για τη βελτίωση της απόδοσης και τη μείωση του κόστους λειτουργίας έχουν προταθεί τεχνολογίες βασισμένες σε φωτονικές διασυνδέσεις, δεδομένου ότι αυτές έχουν τη δυνατότητα αποτελεσματικής εκμετάλλευσης της χωρικής και χρονικής πολυπλεξίας, καθώς και της πολυπλεξίας μήκους κύματος. Οι φωτονικές διασυνδέσεις μπορούν να καταστίσουν δυνατή τη δημιουργία νέων αρχιτεκτονικών, βασισμένες σε διαφορετικές τοπολογίες δικτύου, που μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντικές βελτιώσεις σε σχέση με τις παραδοσιακές ηλεκτρονικές δικτυακές αρχιτεκτονικές στο εσωτερικό των σύγχρονων κέντρων δεδομένων. Σε αυτήν τη μελέτη, αρχικά παρουσιάζουμε την αρχιτεκτονική P-Torus, μια νέα αρχιτεκτονική για δίκτυα κέντρων δεδομένων με χρήση μειωμένου αριθμού επιπέδων (reduced-tier architecture), που βασίζεται σε διασυνδεδεμένα συμπλέγματα δυσδιάστατης ρομβοειδούς τοπολογίας (2D Tori). Η αρχιτεκτονική P-Torus εκμεταλλεύεται την μεταγωγή μήκους κύματος σε επίπεδο πακέτου, ενισχυμένο από γρήγορους συντονίσιμους πομπούς λέιζερ. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική είναι σε θέση να παρέχει διασύνδεση ενός βήματος, χωρίς συμφόρηση, και χαμηλού χρόνου καθυστέρηση μεταξύ όλων των Top-of-Rack μεταγωγέων στο κέντρο δεδομένων. Λεπτομερείς αριθμητικές προσομοιώσεις δείχνουν ότι η αρχιτεκτονική P-Torus παρουσιάζει χαμηλό χρόνο καθυστέρησης από άκρο σε άκρο και υψηλή απόδοση, ακόμη και σε περιπτώσεις αυξημένης κυκλοφορίας δεδομένων και κυκλοφορία θερμού σημείου / hot-spot traffic. Ταυτόχρονα, η αρχιτεκτονική P-Torus έχει σημαντικά οφέλη σε σχέση με άλλες σύγχρονες αρχιτεκτονικές μεταγωγής με βάση το μήκος κύματος από την άποψη του απαιτούμενου αρχικού κόστους επένδυσης (CapEx) αλλά και του κόστους λειτουργίας (OpEx) λόγω των παθητικών στοιχείων μεταγωγής που βασίζονται σε φωτονικές τεχνολογίες. Συγκριτικές προσομοιώσεις και ανάλυση κόστους δείχνουν ότι η αρχιτεκτονική P-Torus παρέχει μια πολύ καλή αντιστάθμιση μεταξύ απόδοσης και κόστους σε σύγκριση με άλλες αρχιτεκτονικές μεταγωγής με βάση το μήκος κύματος που στοχεύουν κέντρα δεδομένων μικρού και μεσαίου μεγέθους. Επιπλέον παρουσιάζουμε μια πιο εξελιγμένη εκδοχή της αρχιτεκτονικής P-Torus, βασισμένη σε διασυνδεδεμένα συμπλέγματα τρισδιάστατης ρομβοειδούς τοπολογίας (3D Tori). Η αρχιτεκτονική 3D P-Torus παρουσιάζει ακόμη καλύτερες επιδόσεις χρόνου καθυστέρησης και μεταγωγής σε σχέση με την δυσδιάστατη εκδοχή και σε σύγκριση με άλλες αρχιτεκτονικές μεταγωγής με βάση το μήκος κύματος. Όλα τα χαρακτηριστικά απόδοσης της αρχιτεκτονικής 3D P-Torus υπολογίζονται μέσω λεπτομερών προσομοιώσεων και διαπιστώνεται πως μπορεί να υποστηρίξει, χωρίς ανάγκη ενίσχυσης, μεσαίου μεγέθους κέντρα δεδομένων με έως και 10k διακομιστές, αποτελώντας για παράδειγμα μια εξαιρετική λύση για τα αναδυόμενα κέντρα δεδομένων στα άκρα του δικτύου (Edge Data Centres). Οι τεχνολογίες φωτονικής διασύνδεσης μπορούν να προσφέρουν βιώσιμες λύσεις και σε άλλα προβλήματα που αντιμετωπίζουν τα τρέχοντα κέντρα δεδομένων, όπως η έλλειψη δυνατότητας αναδιαμόρφωσης του δικτύου και δυναμικής κατανομής εύρους ζώνης, καθώς και η αυξανόμενη εντροπία της καλωδίωσης. Έτσι, εξετάζουμε την περίπτωση χρήσης λύσεων ασύρματης επικοινωνίας για τη δικτύωση εντός κέντρου δεδομένων ως ένας τρόπος για να ξεπεραστούν αυτά τα προβλήματα που είναι διάχυτα σε τυπικές λύσεις με βάση τις οπτικές ίνες, και προσφέραμε μια γρήγορη επισκόπηση των πιο υποσχόμενων υφιστάμενων προσεγγίσεων. Υπό το πρίσμα της προαναφερθείσας μελέτης, παρουσιάζουμε μια νέα λύση με χρήση οπτικής διασύνδεσης ελεύθερου χώρου (free-space optics) για δίκτυα κέντρων δεδομένων. Η προτεινόμενη λύση χρησιμοποιεί δισδιάστατο οπτικό σύστημα διεύθυνσης δέσμης για τον πομπό και συστοιχίες φωτοδιόδων μεγάλου εύρους ζώνης για τον δέκτη και είναι σε θέση να προσφέρει ταχύτητες εναλλαγής σε επίπεδο ns με κατανάλωση στην τάξη μεγέθους των μερικών μW. Επιπλέον, προτείνουμε μια αρχιτεκτονική δικτύωσης κέντρου δεδομένων η οποία χρησιμοποιεί αποτελεσματικά τις προαναφερθείσες συσκευές και θα μπορούσε να πληροί τις απαιτήσεις της απρόσκοπτης λειτουργίας, της υψηλής συνδεσιμότητας και της ευελιξίας των σύγχρονων δικτύων κέντρων δεδομένων.