High-capacity optical switches for datacenter networks
Authors: Τερζενίδης Νικόλαος 
Published: November 2021

Το διαρκώς αυξανόμενο κύμα ψηφιακού μετασχηματισμού που παρατηρείται παγκοσμίως έχει προκαλέσει δραματική αύξηση στον όγκο των δεδομένων που επεξεργάζονται και διακινούνται εντός των Κέντρων Δεδομένων (ΚΔ). Αυτή η έκρηξη στην μεταφορά δεδομένων έχει ωθήσει στο όριο τον δικτυακό εξοπλισμό των ΚΔ, ενώ παράλληλα καινοτόμες αρχιτεκτονικές που μελετώνται από την βιομηχανία ΚΔ, όπως η τεχνική διαχωρισμού πόρων, δημιουργούν επιπλέον πίεση στους βασικούς πυλώνες του δικτύου, τους μεταγωγείς δεδομένων. Σε αυτό το πλαίσιο, παρατηρείται έντονη ερευνητική δραστηριότητα στον τομέα των οπτικών μεταγωγέων δικτύου ως εξαιρετικά υποσχόμενες λύσεις που θα μπορέσουν να υπερκαλύψουν τις απαιτήσεις για εξαιρετικά υψηλό εύρος ζώνης, χαμηλή καθυστέρηση καθώς και υψηλότατο αριθμό από θύρες διασύνδεσης. Ο κύριος στόχος αυτής της διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας ολιστικής προσέγγισης για συστήματα οπτικής μεταγωγής πακέτου υψηλής χωρητικότητας που θα καλύπτουν τα διαφορετικά επίπεδα ιεραρχίας δικτύου σε ΚΔ διαχωρισμού πόρων, όπως επίσης και η μελέτη της απόδοσής τους μέσω πειραματικών αναλύσεων και προσομοιώσεων.Ως πρώτο βήμα αναπτύχθηκε ένας οπτικός κόμβος μεταγωγής που υλοποιούσε τεχνική διευθυνσιοδότησης πακέτων μέσω φίλτρων Bloom, με σκοπό την επίτευξη υψηλού εύρους ζώνης και χαμηλής καθυστέρησης για επικοινωνία σε επίπεδο πλακέτας. Λαμβάνοντας υπόψη την τεράστια αύξηση των κόμβων δικτύου που αναμένεται σε ΚΔ διαχωρισμού πόρων, η διευθυνσιοδότηση πακέτων με φίλτρα Bloom έχει εξεταστεί ως μια τεχνική προώθησης πακέτων που μπορεί να προσφέρει μείωση της απαιτούμενης μνήμης σε συνδυασμό με ταυτόχρονη αύξηση της ταχύτητας. Η πειραματική αξιολόγηση βασίστηκε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα οπτικού μεταγωγέα 4x4, τεχνολογίας πυριτίου, σε συνδυασμό με ένα κύκλωμα επεξεργασίας επικεφαλίδων οπτικών πακέτων που υλοποιήθηκε σε πλατφόρμα FPGA. Η πειραματική αξιολόγηση ολοκληρώθηκε επιτυχώς σε ταχύτητα 10Gb/s, επιδεικνύοντας για πρώτη φορά μια ανακαθοριζόμενη και προγραμματιζόμενη διάταξη οπτικής μεταγωγής όπου η διευθυνσιοδότηση πραγματοποιείται με τη χρήση φίλτρων Bloom.Προχωρώντας στο επόμενο επίπεδο ιεραρχίας δικτύου, το Rack, αναπτύχθηκε μια καινοτόμα αρχιτεκτονική οπτικού μεταγωγέα πακέτου, ονομαζόμενη «Hipoλaos», με στόχο την κάλυψη των δικτυακών απαιτήσεων της τεχνικής διαχωρισμού πόρων. Η αρχιτεκτονική «Hipoλaos» δίνει έμφαση στην υποστήριξη υψηλού αριθμού θυρών και χαμηλής καθυστέρησης κατανέμοντας της λειτουργίες μεταγωγής και ελέγχου σε πολλαπλά συμπλέγματα μεταγωγής, που ακολουθούν ένα υβριδικό μοντέλο βασιζόμενο στην τεχνική ευρείας εκπομπής και επιλογής (Broadcast-and-select) σε συνδυασμό με δρομολόγηση μήκους κύματος μέσω φραγμάτων συστοιχίας κυματοδηγών (AWGR). Παράλληλα προκειμένου να αυξηθεί η ρυθμο-απόδοση που μπορεί να προσφέρει ο οπτικός μεταγωγέας προστέθηκε η δυνατότητα προσωρινής αποθήκευσης πακέτων μέσω οπτικών γραμμών αποθήκευσης (optical buffering delay lines). Με σκοπό την εκτίμηση απόδοσης της αρχιτεκτονικής Hipoλaos πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση ενός πειραματικού πρωτότυπου μεταγωγέα, αποτελούμενου από οπτικές διατάξεις σε συνδυασμό με ελεγκτή πακέτων που αναπτύχθηκε σε πλατφόρμα FPGA, καθώς και μια συσκευή AWGR. Η πειραματική επίδειξη πραγματοποιήθηκε με επιτυχία χρησιμοποιώντας πακέτα μονο-εκπομπής (unicast) και πολύ-εκπομπής (multicast) που δρομολογήθηκαν μέσω του μεταγωγέα Hipoλaos, επιβεβαιώνοντας τη δυνατότητα επιτυχούς διασύνδεσης 256 κόμβων σε ρυθμό 10 Gb/s.Στη συνέχεια μελετήθηκε η ενσωμάτωση του πειραματικού μεταγωγέα Hipoλaos σε ρεαλιστικά περιβάλλοντα δικτύου με σκοπό την επίλυση των βασικών προκλήσεων που αντιμετωπίζουν οι οπτικοί μεταγωγείς πακέτου. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης ερευνητικής προσπάθειας αρχικά μελετήθηκε πειραματικά ο συνδυασμός του μεταγωγέα “Hipoλaos” με μια πειραματική διάταξη ανάκτησης ρολογιού και δεδομένων εκρηκτικής ροής (burst-mode CDR). Η επιτυχής λήψη πακέτων μονο-εκπομπής και πολύ-εκπομπής σε ταχύτητες 25Gb/s, τα οποία προηγουμένως είχαν δρομολογηθεί μέσω του μεταγωγέα Hipoλaos 1024-θυρών, επιβεβαίωσε τη δυνατότητα κατασκευής ενός συστήματος με χωρητικότητα διαμεταγωγής 25.6Tb/s, σε συνδυασμό με χρόνους ανάκτησης δεδομένων στον εκάστοτε δέκτη της τάξης των <50ns. Σε επόμενο βήμα υλοποιήθηκε η ενσωμάτωση του μεταγωγέα Hipoλaos σε δικτυακά περιβάλλοντα που υλοποιούν τεχνολογίες Ethernet και τα οποία χρησιμοποιούνται κατεξοχήν σε ΚΔ και δίκτυα 5G. Με τη χρήση εξυπηρετητών με οπτικούς πομποδέκτες SFP+ πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση της απόδοσης του οπτικού μεταγωγέα σε ρυθμούς 10Gb/s, ενώ για την αξιολόγηση σε δίκτυα 5G υλοποιήθηκε μια ασύρματη σύνδεση με τη χρήση κεραιών mm-Wave. Kαι στις 2 περιπτώσεις επιβεβαιώθηκε η επιτυχής λειτουργία του μεταγωγέα, επιτυγχάνοντας μηδενικά σφάλματα σε χρονικό διάστημα δύο ωρών.Τέλος, για την αξιολόγηση της ρυθμο-απόδοσης και της καθυστέρησης διάδοσης που μπορούν να υποστηρίξουν οι οπτικοί μεταγωγείς σε ΚΔ αναπτύχθηκε ένας προσομοιωτής δικτύων με δυνατότητα μοντελοποίησης οπτικών μεταγωγέων πακέτου. Ο προσομοιωτής αναπτύχθηκε στην πλατφόρμα Omnet++ και επιτρέπει την ανάλυση της απόδοσης του δικτύου ενός ΚΔ για ένα σύνολο συνθετικών καθώς και ρεαλιστικών μοτίβων κίνησης. Στη συνέχεια, ο προσομοιωτής χρησιμοποιήθηκε για την επικύρωση της απόδοσης του μεταγωγέα Hipoλaos θεωρώντας διαφορετικές αρχιτεκτονικές διατάξεις, μεγέθη πακέτων, τοπολογίες δικτύου, τρόπους προώθησης πακέτων και προφίλ κίνησης δεδομένων. Tα αποτελέσματα που εξήχθησαν μέσω της προσομοίωσης επιβεβαίωσαν πως η μέγιστη καθυστέρηση μέσω του μεταγωγέα Hipoλaos διατηρείται χαμηλότερα του μικρο-δευτερολέπτου ενώ η ρυθμο-απόδοση διατηρείται άνω του 90% ακόμα και για μικρό αριθμό γραμμών αποθήκευσης.