Efficient design techniques of switches for optical networks and data centers
Authors: Κυριάκος Άγγελος 
Published: March 2023

Η σύγχρονη σχεδίαση των Κέντρων Δεδομένων εκμεταλλεύεται τις δυνατότητες που προσφέρει η οπτική μεταγωγή με στόχο την διασύνδεση των μεταγωγών ικριώματος μεταξύ τους, οι οποίοι εξυπηρετούν χιλιάδες συσκευές αποθήκευσης και υπολογιστικά συστήματα. Οι καινοτομίες στον τομέα τον οπτικών επικοινωνιών και της οπτικής μεταγωγής συνέβαλλαν σημαντικά στην ανάπτυξη των Κέντρων Δεδομένων με υψηλής διεκπεραιωτικότητας δίκτυα διασύνδεσης. Σημαντική συνεισφορά στα προηγμένα οπτικά Κέντρα Δεδομένων παρουσιάζει η αρχιτεκτονική Nephele, η οποία χρησιμοποιεί οπτικά επίπεδα δεδομένων, οπτικούς μεταγωγούς στα Σημεία Παράδοσης και μεταγωγούς Ικριώματος με δυνατότητα διασύνδεσης της τάξης των 10 Gpbs μεταξύ των Σημείων Παράδοσης και των εξυπηρετητών. Η αρχιτεκτονική Nephele ακολουθεί την Δικτύωση Βασισμένη σε Λογισμικό, χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο OpenFlow και στηρίζεται σε έναν Πράκτορα Λογισμικού, ο οποίος υλοποιεί την μεταφορά των εντολών του πρωτοκόλλου στους μεταγωγούς του επιπέδου δεδομένων. ΄Ενας μεταγωγός Ικριώματος καλείται συνήθως να υποστηρίζει την λειτουργία των Εικονικών Ουρών Εξόδου, οι οποίες αποτελούν την επικρατέστερη λύση στο πρόβλημα του αποκλεισμού μετάδοσης πακέτων που προέρχονται από την ίδια είσοδο σε πολλαπλές εξόδους του μεταγωγού. Μία αποτελεσματική αρχιτεκτονική Εικονικών Ουρών Εξόδου βελτιώνει την επίδοση του Κέντρου Δεδομένων μειώνοντας την λανθάνουσα καθυστέρηση της επικοινωνίας πλαισίων δεδομένων και ειναι αποδοτική όσον αφορά το κόστος υλοποίησης. Η συγκεκριμένη διατριβή εισάγει μία αρχιτεκτονική Εικονικών Ουρών Εξόδου για μεταγωγούς Ικριώματος Κέντρων Δεδομένων τα οποία λειτουργούν σύμφωνα με την μέθοδο πολλαπλής πρόσβασης διαίρεσης χρόνου. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική Εικονικών Ουρών Εξόδου περιλαμβάνει έναν περιορισμένο αριθμό ουρών σε κάθε πόρτα εισόδου που υποστηρίζουν τους ενεργούς προορισμούς και αποθηκεύουν προσωρινά τα πακέτα Ethernet σε δυναμική μνήμη τυχαίας προσπέλασης. ΄Ενας αποδοτικός μηχανισμός χαμηλής λανθάνουσας καθυστέρησης αντιστοιχεί κάθε ουρά σε έναν ενεργό προορισμό. Οι Εικονικές Ουρές Εξόδου αποτελούν ένα δομικό στοιχείο του μεταγωγού Ικριώματος, ο οποίος βασίζεται σε ένα εμπορικά διαθέσιμο μεταγωγό Ethernet και σε δύο κάρτες Xilinx FPGA , την Virtex VC707 και την NetFPGA. Η αρχιτεκτονική των Εικονικών Ουρών Εξόδου υλοποιήθηκε και επαληθεύτηκε μέσω δοκιμών στην κάρτα NetFPGA. Επιπλέον, η συγκεκριμένη διατριβή παρουσιάζει ένα εργαλείο διαχείρισης για τον Πράκτορα Λογισμικού του Κέντρου Δεδομένων. Η Γραφική Διεπαφή Χρήστη του εργαλείου διαχείρισης του Πράκτορα Λογισμικού χρησιμοποιείται για την διαμόρφωση του Πράκτορα Λογισμικού, την δημιουργία εντολών, την εκτέλεση λειτουργιών σε βήματα και την παρακολούθηση των αποτελεσμάτων και της κατάστασης των μεταγωγών. Χρησιμοποιούμενο ως εργαλείο δοκιμών και επαλήθευσης, διαδραματίζει ένα σημαντικό ρόλο στην βελτίωση της σχεδίασης του Πράκτορα Λογισμικού καθώς επίσης και στην αναβάθμιση ολόκληρης της οργάνωσης του Κέντρου Δεδομένων και των επιδόσεων του. Επιπρόσθετα, με στόχο την Διασφάλιση της Ποιότητας Υπηρεσιών για τις ποικίλες εφαρμογές των Κέντρων Δεδομένων πρόσφατες έρευνες αξιοποιούν σύγχρονες τεχνικές Βαθιάς Μάθησης. Η πληθώρα από εφαρμογές Μηχανικής και Βαθιάς Μάθησης περιλαμβάνουν πολύπλοκες διεργασίες που επιβάλλουν την ανάγκη των Επιταχυντών Υλικού για την εκτέλεσή τους σε πραγματικό χρόνο. Μεταξύ αυτόν, αξιοσημείωτα είναι τα Συνελικτικά Νευρωνικά Δίκτυα για εφαρμογές κατηγοριοποίησης. Με στόχο την συνεισφορά στον τομέα των Επιταχυντών Υλικού Συνελικτικών Νευρωνικών Δικτύων, η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται σε νευρωνικά δίκτυα περιορισμένου αριθμού χαρακτηριστικών για να βελτιώσει τις επιδόσεις, την κατανάλωση ενέργειας και την αξιοποίηση των πόρων, στοιχεία που τελικά θα δώσουν την δυνατότητα για την χρήση τους τοπικά στους μεταγωγούς ενός Κέντρου Δεδομένων. Η προτεινόμενη σχεδιαστική προσέγγιση Συνελικτικών Νευρωνικών Δικτύων στοχεύει στην αξιοποίηση των πόρων λογικής και μνήμης ενός FPGA, και ωφελεί πολυάριθμες εφαρμογές όπως Αποκεντρωμένες και Φορητές εφαρμογές, Κέντρα Δεδομένων και Δορυφορικές εφαρμογές. Η συγκεκριμένη διατριβή εκμεταλλεύεται την προτεινόμενη σχεδιαστική προσέγγιση, ώστε να αναπτύξει ένα Παράδειγμα Επιταχυντή για Αναγνώριση Πλοίων, στην κάρτα Xilinx Virtex 7 XC7VX485T FPGA.Η παραχθείσα αρχιτεκτονική επιτυγχάνει συχνότητα λειτουργίας 270 MHz , καταναλώνοντας 5 watt επαληθεύοντας την σχεδιαστική προσέγγιση.