Ανακαθοριζόμενη και προγραμματιζόμενη οπτική μεταγωγή με φωτονική τεχνολογία πυριτίου και φίλτρα Bloom ως επικεφαλίδες πακέτων
Creators: name: Τερζενίδης, Νικόλαος Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Οπτική Μεταγωγή
Φωτονική Τεχνολογία
Φίλτρα Bloom
Optical Switching
Photonics
Bloom Filters

description: Η υλοποίηση εξελιγμένων αρχιτεκτονικών δικτύου σε κέντρα δεδομένων, όπως για παράδειγμα η τεχνική διαχωρισμού πόρων σε επίπεδο ικριώματος, δημιουργεί επιπλέον πίεση στον ήδη κορεσμένο εξοπλισμό δικτύωσης των κέντρων δεδομένων, που βασίζεται επί το πλείστων σε ηλεκτρονικούς μεταγωγείς. Οι κόμβοι μεταγωγής, δεδομένου ότι θα διασυνδέουν επεξεργαστές με υποσυστήματα κεντρικής μνήμης, αποθήκευσης και επιταχυντές, επιβάλλεται να υποστηρίζουν εξαιρετικά υψηλό εύρος ζώνης, χαμηλή καθυστέρηση καθώς και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Παράλληλα η ραγδαία αύξηση του αριθμού των κόμβων δικτύου που συνεπάγεται η αρχιτεκτονική διαχωρισμού πόρων, δημιουργεί την ανάγκη για εναλλακτικές τεχνικές επισήμανσης πακέτων που διασφαλίζουν αποδοτική διαχείριση μνήμης και ταχύτερη επεξεργασία κεφαλίδων στους μεταγωγείς του δικτύου. Η κάλυψη των προαναφερόμενων απαιτήσεων μπορεί να επιτευχθεί αφενός με τη χρήση τεχνολογίας οπτικής μεταγωγής, λόγω των αποδεδειγμένων πλεονεκτημάτων της σε επίπεδο εύρους ζώνης, καθυστέρησης και κατανάλωσης ενέργειας συγκρινόμενη με την ηλεκτρονική τεχνολογία μεταγωγέων. Επιπλέον, η τεχνική επισήμανσης πακέτων με επικεφαλίδες Bloom μπορεί να προσφέρει μείωση της απαιτούμενης μνήμης έως και 65%, σε συνδυασμό με ταυτόχρονη αύξηση της απόδοσης κατά 10%. Η παρούσα πτυχιακή εργασία πραγματεύεται την πειραματική αξιολόγηση μιας ανακαθοριζόμενης και προγραμματιζόμενης διάταξης οπτικής μεταγωγής με φωτονική τεχνολογία πυριτίου και φίλτρα Bloom ως επικεφαλίδες πακέτων. Για την πραγματοποίηση της μελέτης χρησιμοποιήθηκε ένα φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα πυριτίου οπτικού μεταγωγέα 4x4, το οποίο αποτελείται από μια συστοιχία 6 συμβολόμετρων Mach-Zehnder διατεταγμένα σε αρχιτεκτονική Benes, και εκμεταλλεύεται τα ηλεκτρο-οπτικά φαινόμενα μεταγωγής. Παράλληλα σχεδιάσθηκε και υλοποιήθηκε σε πλατφόρμα FPGA ένα κύκλωμα επεξεργασίας επικεφαλίδων, κωδικοποιημένων σε φίλτρα Bloom, υπεύθυνο για τη διαχείριση των οπτικών πυλών που υλοποιούν την οπτική μεταγωγή των δεδομένων (payload) των πακέτων. Η εργασία χωρίζεται σε 5 κεφάλαια τα οποία ακολουθούν την πορεία σχεδίασης και υλοποίησης της πειραματικής μελέτης που πραγματοποιήθηκε. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η τεχνολογία των οπτικών μεταγωγέων για δίκτυα καθοριζόμενα από λογισμικό, καθώς και το ολοκληρωμένο κύκλωμα οπτικού μεταγωγέα που χρησιμοποιήθηκε. Περιγράφονται επίσης οι τεχνολογίες πυριτίου-επί-μονωτικού και τα συμβολόμετρα Mach-Zehnder, στις οποίες βασίστηκε ο οπτικός μεταγωγέας που χρησιμοποιήθηκε. Το Κεφάλαιο 3 επικεντρώνεται στη λειτουργία των φίλτρων Bloom και τη χρήση τους ως μέσο προώθησης πακέτων. Παρουσιάζεται επίσης η υλοποίηση του κυκλώματος επεξεργασίας επικεφαλίδων με τη χρήση κώδικα VHDL. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται η σχεδίαση και η υλοποίηση της πειραματικής μελέτης καθώς και τα αποτελέσματα της δοκιμής του τελικού κυκλώματος που έχει αναπτυχθεί. Τέλος, στο Κεφάλαιο 5 γίνεται σχολιασμός των αποτελεσμάτων και αναφορά σε πιθανές μελλοντικές επεκτάσεις
description: The introduction of novel sophisticated network architectures in data centers, like resource disaggregation on rack-scale level, puts extra pressure to the already congested data center networking equipment, that has been based mostly on electronic switches. The interconnect links have to ensure extremely high bandwidth, low latency and low power consumption given the fact that they are going to interconnect processing nodes with memory subsystems, storage and accelerators. At the same time, the transition to finer-granularity resources enforces a significant increase in end-hosts and respective network addresses. Therefore, alternative packet labelling techniques emerge to offer efficient memory management and faster processing of headers at the network switches. To overcome the above challenges optical switching arises as a key enabling technology, because of the proven benefits in terms of bandwidth, delay and power consumption compared to electronic switching technologies. Furthermore, packet labeling techniques based on Bloom filters can provide up to 65%, reduction in the switch memory requirements combined with a simultaneous performance increase by 10%. The subject of this thesis is the experimental evaluation of a reconfigurable and programmable optical switching device based on silicon photonics technology and Bloom filters as packet headers. A 4x4 silicon photonic optical switch was used, comprising an array of six Mach-Zehnder interferometers arranged in Benes architecture. Furthermore, a control circuit was designed and implemented on FPGA, which can be used for the electronic processing of packet headers encoded in Bloom filters, and the production of appropriate signals for the management of the optical gates that forward the data payload of the packets. The thesis is organized into five chapters which follow the design and implementation of the experimental study carried out. Chapter 2 presents Software defined optical switching technology, as well as the silicon-photonic optical switch that was used. It also describes silicon-on-insulator(SOI) and Mach-Zehnder interferometer technologies. Chapter 3 focuses on the operation of Bloom filters, their use as packet labeling formats and the implementation of the header processing circuit using VHDL code. Chapter 4 presents the setup used for the experimental evaluation and the results of the final test circuitry that has been developed. Finally, Chapter 5 provides conclusion of the thesis and suggestion for probable future extensions