Ανάπτυξη τεχνικών οπτικής δρομολόγησης και σχεδιασμός οπτικών υποσυστημάτων για ευφυή δίκτυα δεδομένων με δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης
Authors: Τόκας Κωνσταντίνος 
Published: November 2022

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται τεχνικές δρομολόγησης και υλοποιούνται οπτικά υποσυστήματα με σκοπό την δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης σε ευφυή δίκτυα δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα και προς αυτή την κατεύθυνση παρουσιάζεται αναλυτικά μια καινοτόμα αρχιτεκτονική δικτύου για Κέντρα Δεδομένων (datacenters) στην οποία εφαρμόζονται οι παραπάνω τεχνικές δρομολόγησης και αξιοποιούνται οπτικά υποσυστήματα. Το ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 είναι ένα εισαγωγικό κεφάλαιο στο οποίο αρχικά παρουσιάζονται διάφορες αρχιτεκτονικές δικτύων που χρησιμοποιούνται στα κέντρα δεδομένων μαζί με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Επιπλέον, εισάγεται η έννοια του διαχωρισμού των διαθέσιμων πόρων ενός δικτύου και παρουσιάζεται η πρόκληση της υλοποίησής τους. Έπειτα, παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της προτεινόμενης υβριδικής αρχιτεκτονικής πάνω στην οποία υλοποιούνται και εφαρμόζονται τεχνικές και υποσυστήματα που εξετάζονται στην παρούσα διατριβή. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική χαρακτηρίζεται ως “υβριδική” καθώς συνδυάζει τις κλασικές ηλεκτρικές τεχνικές δρομολόγησης με αναβαθμισμένες οπτικές τεχνικές δρομολόγησης αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματά τους με όσο το δυνατό πιο βέλτιστο τρόπο. Στα πλαίσια της εισαγωγής γίνεται και εκτενής επισκόπηση του Επιπέδου Δεδομένων (dataplane) και του Επιπέδου Ελέγχου (control plane) της προτεινόμενης υβριδικής αρχιτεκτονικής. Συνοπτικά, η αρχιτεκτονική του επιπέδου δεδομένων βασίζεται στη διασύνδεση πολλαπλών δικτυακών καψουλών - πιο απλά μεταγωγείς pods – μέσω ενός οπτικού δακτυλίου. Παράλληλα, πολλαπλές συστοιχίες υπολογιστών (racks) διασυνδέονται σε τοπολογία αστέρα στα pods μέσω των Τop-of-Rack (ToR) μεταγωγέων. Το επίπεδο ελέγχου βασίζεται σε ένα αποκεντρωμένο λογισμικό ελέγχου όλων των εμπλεκόμενων υποσυστημάτων, που συνοψίζεται με τον όρο Software-defined networking. Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 γίνεται εκτενής αναφορά στον σχεδιασμό των επιμέρους υποσυστημάτων που απαρτίζουν το επίπεδο δεδομένων της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, ξεκινώντας από τα υποσυστήματα που απαρτίζουν τον ToR switch. Το πρώτο οπτικό υποσύστημα που παρουσιάζεται είναι ο προσαρμοζόμενος πομπός του ToR switch, που βασίζεται στην γρήγορη λειτουργία ενός προσαρμοζόμενου λέιζερ που μπορεί να εναλλάσει το μήκος κύματος εκπομπής ανάλογα με τις οδηγίες του ενορχηστρωτή του δικτύου. Δίνονται λεπτομέρειες για την οπτική πηγή με πλήρη περιγραφή της ενσωμάτωσής της σε πλακέτα και τον στατικό χαρακτηρισμό του συντονισμού μήκους κύματος στη C-band. Ακολουθεί ο χαρακτηρισμός του λέιζερ υπό δυναμική λειτουργία και η εξωτερική διαμόρφωσή του στα 10Gb/s με παράλληλη αξιολόγηση όλου του πομπού. Κατόπιν γίνεται η ανάπτυξη και διαμόρφωση του δέκτη του μεταγωγέα ToR switch της προτεινόμενης υβριδικής αρχιτεκτονικής, ενώ στο τρίτο σκέλος του κεφαλαίου γίνεται αναφορά στην ανάπτυξη ενός γρήγορου 4×4 οπτικού μεταγωγέα για εξολοκλήρου οπτική μεταγωγή εντός του ToR switch. Για λόγους πληρότητας παρουσιάζεται εν συντομία η ανάπτυξη των οπτικών υποσυστημάτων και τεχνικών δρομολόγησης εντός του pod switch, παρόλο που δεν αποτελούν μέρος της βασικής έρευνας της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Μέσα σε αυτά τα υποσυστήματα αναφέρονται οι βασικές λειτουργίες και ιδιότητες που προσδίδουν στην αρχιτεκτονική ο Διακόπτης Καθορισμού intra- και inter- pod επικοινωνίας, ο Διακόπτης επιλογής μήκους κύματος (Wavelength Selective Switch) και ο Παθητικός Οπτικός Δρομολογητής (ΑWGR). Στην τελευταία υποενότητα του Κεφαλαίου, παρουσιάζεται η Πειραματική Αξιολόγηση των τεχνικών δρομολόγησης των οπτικών υποσυστημάτων και γίνεται χαρακτηρισμός των οπτικών διαδρομών: εντός pod (intra-pod) και εκτός pod (inter-pod).Μετά τις υλοποιήσεις του κεφαλαίου 2, στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 περιγράφονται οι διαδικασίες ενοποίησης των επιμέρους οπτικών υποσυστημάτων και η περαιτέρω αξιολόγησή τους. Πιο συγκεκριμένα περιγράφεται αναλυτικά η ενσωμάτωση του Προσαρμοζόμενου Πομπού του ToR switch με έναν μετατροπέα ψηφιακής σε αναλογική έξοδο (DAC) μέσω πλακέτας FPGA. Έπειτα αφιερώνεται μια ολόκληρη υποενότητα στον δυναμικό έλεγχο των ενοποιημένων Οπτικών Υποσυστημάτων, με αρχή την αξιολόγηση της διεπαφή επικοινωνίας μεταξύ FPGA και DAC, ενώ ακολουθεί ο χαρακτηρισμός προσαρμοζόμενου πομπού μετά την ενσωμάτωση FPGA και DAC. Στο επόμενο σκέλος αυτής της ενότητας παρουσιάζεται πλήρως η ενσωμάτωση όλων των συστημάτων ToR και pod switch και ακολουθεί η αξιολόγησή τους μέσω διαφορετικών τεχνικών δρομολόγησης. Ακολουθεί η ανάπτυξη και η πειραματική αξιολόγηση του οπτικού τμήματος του ToR switch με τη χρήση του 4×4 οπτικού διακόπτη PLZT. Τέλος, παρουσιάζεται η πλήρης ενοποίηση των υποσυστημάτων σε μια ενιαία οπτική δομή με στόχο το πρωτότυπο μίνι datacenter που παρουσιάζεται στο επόμενο κεφάλαιο. Το ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 είναι το τελευταίο κεφάλαιο που περιέχει αποτελέσματα πάνω στο βασικό θέμα της διδακτορικής διατριβής που έγινε κατά τη διάρκεια της επίδειξης του πρωτότυπου μίνι datacenter και πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών (ΕΦΕ). Αρχικά γίνεται περιγραφή της αρχιτεκτονικής δομής αλλά και της κλίμακας του πρωτότυπου datacenter με εκτενή περιγραφή των στοιχείων που την απαρτίζουν. Ακολουθεί μια περιγραφική αφήγηση της «ημέρας» στη ζωή ενός πακέτου που “κυκλοφορεί” στο δίκτυο της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής ώστε να γίνει κατανοητή όλη η αλληλουχία των διασυνδέσεων μεταξύ των επιμέρους υποσυστημάτων του πρωτοτύπου. Έπειτα, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επίδειξης σε πραγματικό χρόνο στα διάφορα σενάρια end-to-end επικοινωνίας. Τα σενάρια αυτά χωρίζονται σε δύο σκέλη, το ένα αφορά σενάρια επικοινωνίας εντός του πρωτότυπου mini-DCN (Intra-DCN) και το άλλο στην επικοινωνία Inter-Datacenter μεταξύ Αθήνας (Ελλάδα) και Πίζας (Ιταλία).Το ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 περιέχει τη σύνοψη των αποτελεσμάτων της διατριβής καθώς και προτάσεις για περαιτέρω μελλοντική έρευνα δίνοντας έμφαση στην οπτική Μεταγωγή στα Κέντρα Δεδομένων, τις εναλλακτικές αρχιτεκτονικές δικτύων και τη μελέτη γρήγορων οπτικών μεταγωγέων και περισσότερων I/Os.